新型数字智能变电站监控及巡视系统应用研究

韩 柳，吴聪颖，肖智宏

（国网经济技术研究院有限公司，北京 100000）

0 引言

变电站作为连接发电与用电的桥梁，在电网中起到电力能量转换、调度运行、信息监控等重要作用，而变电站的发展从传统变电站、综合自动化变电站到智能变电站，经历了技术的不断更新迭代[1]。当前为服务构建新型电力系统、助推实现“双碳”目标，建设更加数字智能、绿色低碳、安全可靠[2]的输变电工程，国网公司提出要构建新型数字智能变电站，充分吸纳先进适用技术，提高电网支撑新型电力系统建设的能力，综合应用数字采集、网络传输、智能设备、系统集成等先进技术，实现变电站设备状态全面感知、主辅设备可控在控，支撑远方全景监视、智能调控、智能运维功能[3]。新型数字变电站中，为支撑变电站辅控设备综合监控和设备状态智能巡视，将变电站在线监测、消防及安防监控、环境监测、SF6监测等监控子系统[4]，与红外探测终端、巡视摄像机、传感器与智能锁控等巡视子系统[5]集成，形成由综合应用服务器为后台、子系统主机为集成端、各探测器为终端设备的新型数字智能变电站监控及巡视系统。

面对电力设备智能化程度加深，变电站无人化趋势加剧[6]，利用智能视频监控[7-8]、传感器、智能终端[9]、探测器等监测技术，实现远程可视化监控[10]、变电站周界安防[11]、智能巡检[12-13]等功能，提升变电站数字化、智能化能力是必然趋势。

本文构建了新型数字智能变电站监控及巡视系统，弥补了传统辅控系统对变电站的全面空间监控及巡视能力的不足，及调度运维接收不到辅控设备等相关信息的缺陷，新增在线监测及智能巡视等功能，重新整合前端设备配置和终端设备传输方式，实现对变电站全景动态监测、全面智能感知、全方位实时监控。

1 新型数字智能变电站监控及巡视系统构成和配置

1.1 监控及巡视系统构成

考虑到新型数字智能变电站对全站主辅设备信息数据的需求以及对变电站消防和安全防卫的日益重视，构建的新型数字智能变电站监控及巡视系统主要集成了一次设备在线监测、二次系统在线监测、火灾消防、安全防卫、动环监测、智能锁控、智能巡视，实现一次设备、二次设备及回路在线监测、火灾、消防、安全警卫、动力环境的监视及设备智能巡视功能。其中，变电站分为安全I区、安全II区及安全IV区，监控及巡视系统分别接入3个安全分区。变电站常规保护、测控及合并单元、智能终端设备接入安全I区；一次设备在线监测、二次系统在线监测、火灾消防、安全防卫、动力环境子系统部署于安全Ⅱ区，信息接入综合应用服务器，并通过Ⅱ区网关机与集控站交互信息；当集控站尚未建成的过渡期，且运维主站部署在Ⅳ区时，通过Ⅳ区网关机与主站交互信息。智能巡视子系统部署于安全Ⅳ区，信息接入巡视主机，与集控站智能巡视集中监控系统交互信息；当集控站尚未建成的过渡期，站端信息与运维主站交互信息。安全Ⅱ区与安全Ⅳ区通过正、反向隔离装置进行互联。系统构成如图1所示。

图1 新型数字变电站监控及巡视终端系统构成示意图

1.2 监控及巡视系统配置

1.2.1 一次设备在线监测

一次设备在线监测主要实现主变油温油位监测、铁芯夹件接地电流监测及油中溶解气体监测、开关绝缘气体密度监测、开关柜触头测温、避雷器泄漏电流监测等功能。电压等级为330 kV及以上的变电站GIS或HGIS设备预留特高频局放传感器和测试接口。一次设备在线监测的前端设备采集变电站中一次设备状态信息，设备配置见表1。

表1 变电站一次设备在线监测终端

1.2.2 二次系统在线监测

二次系统在线监测主要实现二次设备状态在线监视、网络报文分析、二次虚回路在线监视、过程层光纤回路在线监视、二次回路故障智能诊断等功能；采集保护装置、安全自动装置、测控装置、过程层设备和Ⅰ区交换机等二次设备的状态数据、端口连接状态以及SV/GOOSE报文和MMS报文等功能。二次系统在线监测实现二次设备状态在线监视，具备二次设备温度、电源电压、过程层端口发送/接收光强和保护光纤纵联通道光强监测功能，并能可视化在线监视；具备通信过程分析、网络状态诊断、报文一致性检查、异常情况告警等报文分析功能；显示回路状态异常时的细节信息，如其所在逻辑链路状态、相关联软压板状态，对应网络报文状态等二次虚回路在线监视功能；根据装置的光纤端口监测信息，以及逻辑链路告警信息进行物理链路故障定位等过程层光纤回路在线监视功能，能辅助定位故障点或故障区域，给出提示信息，并在图上进行明显的标识。

1.2.3 火灾消防监测

火灾消防监测主要实现站内火灾告警信息的采集、传输和联动控制，达到实时监测、实时预警的目的。火灾消防监测根据探测区域及区域内电气设备特点，配置不同原理和类型的火灾探测器。变电站内房间及预制舱配置点型感温、感烟火灾探测器或吸气式感烟探测器。蓄电池室配置防爆感烟火灾探测器。在设备运行温度有要求的小室，如变压器室、电缆夹层、电缆竖井、室外主变、室外高抗等，配置缆式线型定温火灾探测器。

1.2.4 安全防卫监测

变电站安全防卫监测配置安防监控终端、防盗报警控制器、门禁控制器、电子围栏、红外双鉴探测器、红外对射探测器、声光报警器、紧急报警按钮等设备。对未使用门禁刷卡授权进站、攀爬围墙、翻越大门等非法入侵行为，由围墙上方的电子围栏及进站大门上方的红外对射探测器发送信号至防盗报警控制器进行声光报警，并联动智能巡视系统摄像机，推送报警区域的视频画面，清晰显示人员活动情况。安全防卫监测配置1套安防监控终端，布置于二次设备室；配置电子围栏，且变电站大门入口配置红外对射探测器用于周界安防；对于无人值班的警卫室或有人值班变电站的监控室，配置紧急报警按钮；设备室门窗处配置红外双鉴探测器用于非法入侵监测；大门入口及主要设备室（预制舱）配置门禁；变电站大门入口设置门铃。

1.2.5 动力环境监测

变电站动力环境监测包括动环监控终端、空调控制器、照明控制器、风机和水泵控制器、温湿度传感器、除湿机控制器、微气象传感器、水浸及水位传感器、绝缘气体监测传感器等设备。动力环境监测系统配置1套动环监控终端，布置于二次设备室；配置温湿度传感器于一次设备室、二次设备室及预制舱；配置绝缘气体泄露监测传感器在有绝缘气体泄露隐患的设备室；配置水浸传感器于电缆层、室外电缆沟等电缆集中区；配置水位传感器在集水井中；主控楼楼顶配置一体化微气象传感器，采集室外温度、湿度、风速、风向、气压、雨量等数据；配置辅助灯光在有灯光补充需求的站内场地。

1.2.6 智能锁控

变电站锁控由锁控监控终端、电子钥匙、锁具等配套设备组成。自成后台系统，后台具备上送开锁任务、人员及锁具配置信息，下发开锁任务至电子钥匙等功能。智能锁控配置1台锁控控制器、电子钥匙（35～220 kV变电站配置电子钥匙2把，330～750 kV变电站配置电子钥匙4把），并配置一把备用紧急解锁钥匙；锁具部署在全站房间门、二次屏柜门、端子箱门、爬梯门、围栏门（不含防止电气误操作的锁具）；消防小室门、水泵房门等需要常开的场合无需部署锁具。

1.2.7 智能巡视

变电站智能巡视由巡视主机、视频设备等组成，实现数据采集、自动巡视、智能分析、实时监控、智能联动、远程操作等功能。变电站智能巡视作业由摄像机完成，由站控层设备（1套巡视主机、1套存储设备、1套网络交换机等设备）和前端设备构成，部署在安全IV区，并通过1套物理隔离设备与站内安全I/II区系统互连，通过综合数据网与集控站智能巡视集中监控系统交互信息（过渡期与运维主站通信）。智能巡视前端设备主要包括高清枪机、高清球机、高清防爆半球机、云台摄像机、红外热成像摄像机、全景摄像机等，其中高清摄像机具备夜视功能。

1）巡视主机

330 kV及以上变电站配置独立的巡视主机。巡视主机对视频设备实现统一接入、下达控制命令、分析巡视结果，并与上级系统进行交互。220 kV及以下变电站配置独立边缘巡视主机。边缘巡视主机部署在变电站，具备站内摄像机、机器人、无人机、声纹监测装置等巡视设备接入能力。

2）视频监控

视频监控摄像机在主变（含调补变）、高抗区域配置红外测温摄像机，实现本体、套管、引线头、引流线、油枕、末屏的自动测温巡视；变电站周界立杆装设摄像机，出入口处配置枪型摄像机，满足清晰监视周界及出入口人员活动情况、体貌特征和车辆号牌等要求；油温表、绕组温度表、油压表等参量通过数字化远传实现图像采集功能；对于套管油位表等参量通过摄像机进行图像数据采集。配置双光谱红外测温摄像机后，可见光摄像机的配置相应减少；当配置可见光摄像机时，优先采用数字式高清摄像机，且分辨率不低于1 080 P，并具备夜视功能。

2 案例应用与分析

某户内变电站新建配电装置楼为一栋带半地下室的两层建筑物，其中半地下层为电缆层、电抗器油坑、主变油坑、消防水池、消防泵房；一层为主变压器小室、主变散热器小室、35 kV配电装置室、110 kV及220 kV GIS小室、电抗器小室、卫生间；二层有接地变室、站用变室、资料室、安全用具室、备品室、蓄电池室、电容器室、二次设备室、卫生间及排烟机房。

2.1 监控及巡视用摄像机布置

变电站中监控及巡视用摄像机主要为智能巡视用的视频监控摄像头和安防监控用摄像头。该项目巡视用摄像机安装位置及数量如表2所示，安防用摄像机安装位置及数量如表3所示。

表2 巡视用摄像机布置

表3 安防用摄像机布置

2.2 安全防卫系统布置

该变电站配置一套安全防卫系统，采用两层防范方案：第一层为变电站周界防范；第二层为站内关键区域重点防范。配置技防主机1套；六线制电子围栏600 m，围栏主机9台；红外对射装置6台，布置在地下电缆层气窗2台，控制楼一层门窗4台；室内红外双鉴探测器20台，布置在控制楼各层主要通道；控制楼一层及监控室入口配置门禁系统1套，门禁系统与站内消防报警系统联动，当有火灾报警时，门禁系统自动解锁；变电站大门处设置门磁报警装置、可视对讲装置、布撤防键盘。

2.3 动力环境系统布置

该变电站配置环境信息采集系统，包含环境数据处理单元及各终端传感器。

温湿度传感器分别布置于主变室、接地变室、电容器室、电抗器室、站用变室、220 kV GIS室、110 kV GIS室、35 kV配电装置室、继保室、蓄电池室、消防泵室和雨淋阀室，共计配置温湿度传感器32个。

水浸传感器、水位传感器在电缆层配置20个。SF6泄露传感器布置在220 kV及110 kV GIS配电室、35 kV配电室，220 kV和110 kV配电室基础槽钢加装36个SF6及O2双气体探测器，35 kV配电室内加装20个SF6及O2双气体探测器。当各探测房间的探测器发现气体超标时，会发信息给主机，主机发出信号启动站内SF6气体排放用风机，进行事故排风，同时鸣响警铃报警。

风机水泵空调控制器的配置为每台空调1个空调控制器，每2路风机1个风机控制器，每2台除湿机1个除湿机控制器，每2台水泵1个水泵控制器。

2.4 监控及巡视系统运行情况分析

该变电站采用新型数字智能变电站监控及巡视系统后，前端设备配置合理，终端传输数据规范，集成应用效果显著，且在试点应用期间进行了系统的行为测试，几项测试情况如表4所示。

表4 监控及巡视系统运行情况

通过对监控及巡视系统的各个前端设备的配置，可实现变电站全方位覆盖无死角，人员行为信息和设备状态信息均可数字化上传站控层，实现变电站全景监测。

3 结语

本文对新型数字智能变电站监控及巡视系统进行了研究，将一次、二次设备在线监测、消防、安防、锁控、巡视等各子系统集成应用，并提出各前端设备配置方案和终端设备数据传输方案，全面保障变电站运行安全，实现变电站设备状态全面感知、安全防卫全面强化、智能巡视全方位覆盖。