智能变电站二次设备可视化监测系统研究

刘洪兵，肖永立

(国网北京市电力公司检修分公司，北京 100068)

0 引言

作为智能电网的重要基础和支撑，智能变电站内设备应具有信息数字化、功能集成化、结构紧凑化、状态可视化等主要技术特征，智能变电站系统应建立站内全景数据的统一信息平台，供各子系统标准化、规范化存取访问以及与智能电网调度等其他系统进行标准化交互。

在智能变电站二次回路、二次设备可视化方面，目前多停留在二维平面可视化的方向上，对于回路和设备状态的展示不能直观地与变电站现场进行坐标位置的对应，因此亟需一种三维展示方法，实现变电站内二次设备的三维展示[1-2]。

文献[3-4]提出一种基于三维引擎的变电站二次系统三维模型库设计，针对当前输变电工程中变电站二次系统三维建模关键技术的缺失，广泛调研变电站各类二次对象，面向不同电压等级、不同类型的设备，在建模的范围与深度和模型的属性两方面进行深度研究。采用Unity3D 三维引擎配合3DMax 建模开发一款模型库设计软件，建立二次对象三维基本模型库，对电网建设、维护及培训阶段产生了积极作用，但其并未将该技术应用到二次设备实时监测和故障预警中。

文献[5-6]提出了一种智能变电站二次设备在线监测与故障诊断方法，基于IEC 61950 协议建立可视化模型，通过SCD 文件将设备模型中的关联机制映射到可视化界面，将与信息流有关的逻辑设备、逻辑节点、数据对象、数据属性参数进行对应的映射，通过二次保护测量计量辅助装置对二次设备状态进行监测并在可视化界面展示，然而其对于站内变电站巡检未提出有效方法。

随着智能变电站的建设进入快速发展阶段，大量巡检机器人和高清摄像机的使用[7]，为改变传统变电站巡检模式提供了新的方法。文献[8-9]提出一种思路，即利用图像识别技术，通过识别图像采集设备拍摄的可见光照片，获得屏柜上指示灯、压板、开关刀闸等状态信息，与基准状态进行比较，当出现状态变化、读数越限等异常情况时及时发出告警信息，有效提高了自动化运维水平，节省了人力和时间，但其对设备状态的展示较为单一，对于工作人员判断现场状态表现出了一定局限性。

对此，提出一种基于3D 全景展示的智能站二次设备现场可视化方法，基于3D 全景建模技术，利用图像采集、声纹监测、温度监测技术实现变电站内设备的物理可视化，通过数据处理技术对MMS 报文进行解析及过滤处理，综合实现智能变电站二次设备状态的可视化展示，以此提高智能变电站运维效率。

1 系统设计方案

智能站二次设备3D 全景展示及现场可视化监测系统主要由智能变电站二次室3D 模型、站内二次设备物理信息可视化、站内二次设备运行状态信息三部分组成。通过该系统可直观了解现场设备物理位置状态，通过图像、声纹、温度采集设备在线监测二次设备故障告警信息，提升远程设备维护水平，实现故障精准定位，减少现场运维工作量。

在3D 全景展示的基础上，针对西铁营变电站的实际需求，实施方案设计如下。

(1) 实现基于无人机的10 kV 配电室的自动巡检、手动巡检、图像上传、自动报警及自动充电功能。

(2) 实现基于机器人的二次控制室自动巡检、手动巡检、自动图像上传、自动报警功能。

(3) 实现基于声纹及摄像头的110 kV GIS 室开关设备监测功能。

(4) 实现站内温度监测功能。

(5) 实现基于IEC 61850 的MMS 报文采集解析功能。

系统整体架构如图1所示。

图1 系统整体设计架构

系统主要流程为：解析IEC 61850 协议采集数据入实时库，机器人模块、无人机模块、摄像头模块轮询查询实时库数据；当实时数据异常时调用对应的机器人、无人机、摄像头进行操作，并将对应的照片等结果数据存储到关系库；通过智能站平台查询各种存储的异常数据并进行展示。声纹模块有异常数据时把声纹数据存储到关系库，通过智能站平台同样可查询声纹数据并进行展示。智能站平台主要有显示异常数据及嵌入3D 组态两种功能。

2 示范方案设计

2.1 示范工程概述

西铁营110 kV 变电站位于北京市丰台区菜户营南路东侧，主变楼为地上两层，地下一层，建筑面积约为2 877 m2，其中地上建筑面积约为1 687 m2，地下建筑面积约为1 190 m2；地上一层主要包括警卫控制室、10 kV 开关室；地上二层为二次控制室及值班室等；地下一层为电缆夹层。

项目计划在北京110 kV 西铁营变电站实现二次设备3D 全景展示及现场可视化监测系统，该系统能采集并展示电站二次设备的外观，协助运维人员分析判别二次设备的运行状态，减轻运维压力，提高智慧运维能力。

2.2 具体实施内容

根据系统设计方案对项目示范应用实施内容进行具体设计，主要包括以下工作。

2.2.1 安装现场监测系统柜

二次设备室21 号屏柜位置新安装一面“二次设备3D 全景展示及现场可视化监测系统柜”，柜内主要安装镜像交换机一台，正向隔离装置一台，网络分析仪一台，通信管理机一台，以及就地显示的3D 主机一台。

3D 全景展示及现场可视化监测系统通过镜像网络分析仪、交换机及正向隔离装置获取站内二次设备的运行报文信息，并与无人机、机器人及摄像头采集输送过来的图片信息进行比对和判别，将采集到的实时图像、站内渲染效果及对比分析的结果显示在3D 主机上，供运维检修人员监视浏览。

2.2.2 强化图像和声纹采集功能

在二次设备室增加行走机器人一部，机器人具备视频拍照功能，可将拍到的屏柜高清图像回传给3D 全景展示及现场可视化监测系统；更换5 扇屏柜(即1 号主变压器测控柜、1 号主变压器保护柜、3 号主变压器测控柜、3 号主变压器保护柜以及110 kV 母线保护柜)的前柜门，旨在加宽玻璃板，增大拍照取景视野，为图像采集提供便利条件；在该系统柜内部署一套声纹采集装置，采集GIS 室内装置的运行声音，并对采集到的声纹信息进行处理，以便开展进一步的故障判别。

2.2.3 配备无人机及通信电源箱

10 kV 开关室配备视频拍照无人机一台，以及传输数据和电源的通信电源箱一部。无人机主要拍摄开关柜前面板图像，图像采集能够反映开关地刀的指示灯状态，保护等装置的运行指示情况，以及事故相关指示灯状态；拍摄完成后，能将拍摄图像回传至3D 全景展示及现场可视化监测系统，供统故障事故分析和用户监视。

2.2.4 110 kV GIS 室内部监测系统改造

110 kV GIS 室安装两只摄像头、两套声纹采集装置。摄像头安装在保护屏柜对侧墙面上高度约180 cm 的中间位置；两套声纹采集装置用以测量GIS 室内装置异常声音。开关柜旁边安装一部通信电源箱，内部配备电源开关、8 口网关交换机一台作为摄像头和声纹采集装置通信、电源中转站。

2.3 系统安装及组网

2.3.1 二次设备室

将3D 全景展示及现场可视化监测系统柜柜体立放于21 号备用位置；拆卸5 面柜子(即1 号主变压器测控柜和保护柜、3 号主变压器测控柜和保护柜、110 kV 母线保护柜)的旧前柜门，安装新的前柜门；将机器人放置在合适位置等待调试使用。

敷设一根直流电缆，两根交流电缆，一根通信网线，线缆长度约10 m；敷设一根对时电缆，长度约20 m；在新安放的系统主机柜内部署一套声纹采集装置。

2.3.2 10 kV 开关室

安放无人机及通信电源箱。通信电源箱安装在二次线竖井旁边空旷位置，采用AC 220 V 交流电源，电源线和通信线通过二次线竖井接至二次设备室3D 全景展示及现场可视化监测系统柜；敷设一根交流电缆及一根超五类屏蔽以太网通信线缆，线缆长度约60 m。

2.3.3 110 kV GIS 室

安装两只摄像头、两套声纹采集装置。摄像头分别安装在线路保护屏柜对侧墙面上，高度约180 cm 的中间位置。两套声纹采集装置用于测量GIS 开关柜故障异常声音。

在开关柜旁边安装一个通信电源箱，在电源箱内安装电源开关、1 只8 口网关交换机。该电源箱是为摄像头和声纹采集装置提供电源及通信转出。

敷设一根交流电缆电源线、一根带屏蔽的以太网通信线，将这两根线缆接入110 kV GIS 室的小配电箱内，电源线和通信线长度为60 m。从通信电源箱到两只摄像头每只均敷设视频通信线缆，线缆长度均为10 m。从通信电源箱到两套声纹采集装置每套均敷设一根电源线缆、一根通信线缆，线缆长度均为25 m，通信线缆采用屏蔽以太网线，电源线和通信线沿着墙壁地面安装线槽走线。

在1 号主变、3 号主变开关处各放置一套声纹采集装置，声纹采集装置采用AC 220 V 电源，声纹传输采用屏蔽以太网线，电源、通信线缆接入通信电源箱电源及网络交换机。

2.3.4 接线组网

线缆安放完毕后，进行接线组网工作，其中包含3D 全景展示及现场可视化监测系统柜内的交直流电源接线和对时接线。

10 kV 配电装置室、110 kV GIS 室内的交流电源接线，采用网线水晶头制作通信线接线。1 号直流馈电柜、不间断电源柜、1 号站用电柜内分别同步接线。接线组网完毕后，进行校线核线，确保接线无误，然后进行封堵及制作电缆标识。

2.3.5 调试

3D 全景展示及现场可视化监测系统柜内各装置上电，包括3D 主机、通信交换机、镜像交换机、正向隔离、网络分析仪等。

主机内部署3D 模型程序并配置、调试镜像交换机及网络分析仪，使3D 主机内能够接入并监视站内二次设备的运行报文信息；配置通信管理机；10 kV 开关室装置上电，包括采集控制器、路由器等。配置路由器、采集控制器，对无人机安装控制程序，确保调试后能平稳控制无人机在屏柜前拍照，并将图像经3D 主机内通信管理机传给3D 主机。

110 kV GIS 室内装置上电，包括网关交换机、声纹采集装置及视频摄像头。配置网关交换机及视频录像机，控制声纹采集装置采集110 kV GIS室内装置的运行声音，并传给3D 系统柜内的声纹采集装置，然后进行声纹判别分析，检测判断110 kV GIS 室内装置运行状态。控制视频摄像头拍摄110 kV GIS 室内的设备运行视频，并通过网关交换机和视频录像机回传给3D 系统主机。

对3D 系统主机进行多次试验测试，确保每次都能接收到机器人、无人机、视频摄像头及声纹采集装置传回的图像、视频和声音，应保证所采集的图像视频清晰，声音无杂质。多次测试确认无误后，进行联调工作。通过多方配合模拟故障运行信息，使3D 主机能自动监视并获取故障间隔的运行、故障信息，并能接收到无人机所采集到的故障间隔开关柜面板的图像，图像能明显显示开关指示灯状态，并与获取的跳闸报文信息结果一致。多次模拟后，实验准确率达到预定指标，至此联调试验完成。

3 示范应用效果

目前，已部署开发智能变电站3D 全景可视化系统一套，并于西铁营智能变电站试点应用，系统运行良好。

经过试运行，系统可通过3D 全景展示直观了解现场设备运行状态，通过图像、声音、温度及二次设备通信数据综合判断在线监测二次设备故障告警状态，使运维人员能够快速精准定位故障，达到减小现场运维工作量并保障设备安全运行的目标。

系统基于故障诊断技术，利用图像、声纹、温度等物理信息，同时结合大量综自数据，对设备运行状态进行更准确、全面的判断。通过运用3D 全景可视化技术进行动态仿真和建立拟实环境，使工作人员能够对变电站二次室进行直观判断及可视化管理，能够大幅减轻运维人员工作压力，提高工作效率。

4 接入系统前后变电站运维效果对比

4.1 传统三维变电站数字模型展示系统特点

现有智能变电站仿真需构建具体的二次设备逻辑模型、设备模型、三维模型，其中二次设备模型构建需要通过人工模式实现，这样不仅资料采集难度较大，设备关联性不明确，极易造成模型错误，且工作量过大，模型构建效率非常低，甚至无法实现二次设备之间信息交互拓扑模型的有效创建。

目前国内外的三维变电站数字模型及相应的应用展示系统，只能展示变电站的空间位置信息和设备设计参数及相关图纸、文档等静态信息，不能及时反映设备当前的运行状态及运行数据。现有的运行监控系统，多是通过平面拓扑逻辑视图来反映设备的运行状态和数据，缺少三维虚拟环境的表现。在出现运行突发事件时，无法快速了解现场的环境状况，不利于快速准确地做出应急方案。

4.2 新系统特点

(1) 3D 建模完全按照变电站二次屏柜、二次设备设计，可全景展现现场各功能屏柜排列及方位布置。二次设备故障告警信息可通过3D 建模的屏柜直观展示，同时可进入故障屏柜检查柜内二次设备指示灯、压板、转换开关状态；采用“虚、实”结合的动态数据关联静态3D 模型设计思路，完全替代了传统监控系统只通过平面数据显示的方式，使运维人员更加直观地判断、精准定位故障所在。

(2) 采取图像、声纹、温度多种数据源提取特征值进行综合判断，通过科学计算作出设备故障分析，此技术路线取代了传统只依靠综自信息单一来源进行故障诊断的模式，可对设备状态判断进行补充，同时可将解析结果通过3D 可视化方式进行展示，使展示效果更加直观。

(3) 基于故障诊断技术，利用图像、声纹、温度等物理信息，结合大量综自数据，可对设备运行状态进行更准确、全面的判断；运用3D 全景可视化技术以及建立动态仿真和拟实环境，更加有助于工作人员对变电站二次室进行直观判断和可视化管理，同时大幅减轻运维工作量，提高工作效率。

5 结论及建议

(1) 该研究成果可直接应用于变电站二次设备的运行、检修阶段，帮助相关人员熟悉变电站端屏柜位置、设备属性，发现设备故障时可快速观察现场状况，及时发现变电站端故障设备，提前制定应对策略，降低运行时故障发生概率，提高设备故障处理能力，为电网设备的运行管理提供优化和决策依据，有效保证智能变电站二次设备全景监视与可靠运行。

(2) 针对无人机及机器人图像采集、上传、识别功能，现有计算机图像识别技术的理论水平以及配套设施水平还不是很高，对图像的处理和识别偶尔会出现识别错误导致误报警，需对相应图像识别算法及无人机/机器人稳定性算法进行改进，以保证图像识别的准确性。

(3) 采用三维全景快速建模技术实现变电站可视化监控管理，开展变电站巡检、运维等工作，利用三维模型能够真实反映变电站设备设施空间关系及状态特征，确保人员直观掌握设备设施运行状态，但现有变电站数字化更新进程越来越快，变电站数量和规模以及站内设备种类不断增加，而本次项目建模方法仅针对特定变电站，后续可考虑研究一种具有复制性和适用性的变电站快速建模方法。