新型数字智能变电站监控及巡视系统应用研究

2023-09-22王利民金枝洁胡明辉张喜斌汪健伟

通信电源技术 2023年14期

王利民，金枝洁，方艳，胡明辉，张喜斌，汪健伟

（国网湖北省电力有限公司黄石供电公司，湖北黄石 435000）

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。传统变电站中，监控系统间隔层的测控装置根据国家标准均要求按间隔配置，电压等级越高的变电站，间隔层需要的测控装置数量也越多。以典型的500 kV变电站为例，大约有45 ～65 台测控装置投入使用，数量非常庞大，从而导致变电站监控系统的建设调试周期和运维工作增加，使变站总投资成本增加，经济合理性差。此外，传统变电站监控系统中的间隔层装置一般不采用双重化配置，间隔测控装置一旦发生故障退出运行，就将直接导致调度主站运行数据缺失，从而影响电网安全运行。由于电力设备无冗余备用，故障切除后需要一段时间才能够正常投入工作，严重影响变电站连续监控[1]。智能变电站监控系统为电网调度控制中心提供实时监控数据，是智能电网安全、稳定运行的基础保障。因此，文章研究了新型数字智能变电站监控及巡视系统应用。

1 智能变电站在线监测系统的整体结构

目前，我国智能变电站在线监控系统的总体设计主要分为3 个方面，分别是变电站前端信号采集系统、网络传输系统、监控中心系统。智能变电站在线监控系统工作主要采用硬件压缩和软件解压缩2 种技术手段，对变电站现场设备进行远程监控。通过建立图像监控工作站，利用网络通信进行网络传输，可以有效地防止网络传输过程中出现过载现象。监控中心系统的功能主要是分析现场信号和实时监控现场信号，及时识别出问题，并制定应对策略。

1.1 智能变电站综合能耗监测系统的多层次设计

智能变电站综合能耗监控系统一般选择多层次设计，智能变电站综合能耗监控系统设计分为3 个层次，分别为总体监控、多层次监控和收集模块。智能变电站综合能耗监控系统是总体控制，主要是数据采集装置，负责对子系统数据进行采集、监控和传输，将数据上传到上级数据中心，并将上级数据中心的控制命令发送到装置。每个电源子系统都有独立的控制，以保证电源的独立运行，并且不会由于部分故障而关闭整个集成电源系统。此外，集成电源控制装置可配置为对所有受控设备进行统一集中控制，使集成电源系统形成整体性。

1.2 监控及巡视系统构成

考虑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、智能锁控以及智能巡视系统，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、动力环境的监视以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、安全防卫以及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[2-5]。

1.3 安全系统监控

变电站容易受到外部损坏，不仅严重影响正常供电，而且对人们的生命构成严重威胁。安全系统的传感器控制级别包括声光报警器、红外双探测器、红外探测器、应急报警按钮、门禁控制器、电子围栏以及报警控制器。目前，变电站内部安全监控平台主要分为物理锁定、入侵自恢复和视频监控3 种类型，保护变电站免受干扰，但在实际应用中存在一定的缺点。在视频监控领域，国内的发展起步较晚，主要集中在海康威视、浙江大华技术股份有限公司等知名厂家和科研院所。安全监控系统的监控过程包括模拟监控阶段、数字监控阶段和网络监控阶段。安全监控系统目前具有电子围栏和门禁控制，通过光纤连接所有站点，推进智能安全系统建设。变电站采用全球移动通信系统（Global System for Mobile communications，GSM）无线模块与移动电话进行通信，该功能可以为操作维护和技术人员提供实时安全警报。一些变电站采用各种硬盘录像机（Digital Video Recorder，DVR）技术设计安全系统，其核心是DVR 设备，即硬盘录像机，可以为变电站监控中心提供实时监控，并在变电站发生异常事件或事故时提供有效的数据支撑。物联网技术的兴起为智能安防监控系统带来了新的机遇。在物联网技术的基础上，支持3G、4G、5G 无线局域网等通信和远程报警手段来满足变电站环境信息的感知，主要应用物联网感知技术、云计算技术、智能视频分析以及“互联网+”技术等，提高智能变电站的安全监控水平，为智能变电站提供可靠的保护。

1.4 城市公司和维修公司

部署辅助设备监控系统服务器和软件系统，实现对受管辖的变电站辅助设备的采集、演示、存储、历史查询和操作许可管理、警报以及通信等操作。部署用于城市公司和维修公司辅助设备监控系统的控制网络数据交换机。部署变电站综合信息处理系统的服务器和软件系统，以实现接收、监控、录像请求以及远程控制变电站操作和维护许可管理。转换信息处理集成系统是转换信息处理集成模块项目中的一个独立项目。部署监控工作站、远程视频监控、视频录制请求以及客户端远程控制设备。部署综合数据网络交换机，用于公司综合信息处理系统转换网络。

2 监控及巡视系统配置

2.1 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以及二次回路故障智能诊断等功能，还可以实现采集保护装置、安全自动装置、测控装置、过程层设备以及Ⅰ区交换机等二次设备的状态数据、端口连接状态、采样信息的通信服务/面向通用对象的变电站事件（Sampled Value/Generic Object Oriented Substation Event，SV/GOOSE）报文和制造信息规范（Manufacturing Message Specification，MMS）报文等功能。二次系统在线监测具备二次设备温度、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，并且可以进行可视化展示，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。同时，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。另外，根据装置的光纤端口监测信息和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。

2.2 间隔层测控功能的热备用

传统监控系统的间隔层设备无备用，设备的运行状态一旦出现故障或者异常的情况，其电气间隔就会失去测控功能，而且设备的恢复速度取决于人工的修复速度。即使在有备用设备的情况下，由于要进行装置配置文件或者参数的重新设定和实验，通常需要数小时的修复时间。虽然测控装置双重化方案曾进行过一些试点，但每一个间隔均须额外增加一套测控装置，建设成本明显过高，不具有推广应用价值。采用间隔层集群测控装置后，能够完全解决备用问题，同时在不增加硬件成本的基础上实现热备用和在线无缝切换。将间隔测控功能的失效恢复时间由小时级缩短到秒级，最短的异常切换时间不到12 s，这将大幅缩减停电时间。

3 智能变电站在线监测系统的设计

智能变电站监控系统负责收集整个变电站设备产生的运行参数。同时，测量全站设备产生的运行参数，并监测和记录整个变电站设备的运行状态，以防变电站主要设备的输出和配电线路出现故障。例如，一级设备的开关和断路器可以及时记录和提供故障信息，及时将故障信息上传到主控制站，等待主控制站发出的指令执行。智能变电站在线监控系统包括对变电站设备参数进行数据采集，并分类采集到的数据，及时处理采集到的数据和需要存储的数据，充分利用辅助功能进行决策分析，实现最佳的监控和安全控制。此外，智能变电站在线监控系统可以根据变电站内的数据进行操作和管理，并在人与机器接触时支持智能变电站的在线监控系统。该系统由同步功能模块组成。此外，智能变电站监控系统应完成对普通变电站的监控，并收集变电站设备的数据。有效集成来自视频和在线监控等众多子系统的数据，并采集环境监测和智能变电站实时在线监控系统的数据，满足实时网络分析辅助管理解决方案，运行状态可满足可视化标准。变电站视频监控对象的传输通道在变电站综合电力监控系统中，主要有以下几种传输方式。

（1）在传输过程中控制以太网传输通道。以太网传输通道在传输监控中对系统网络和光纤设备有很高的要求。如果系统的网络建设水平和光纤设备不符合标准，则会导致变电站产生的声音和图像信息无法通过以太网从监控主机加载到主监控区域。此外，在这种监控传输方式下，智能变电站综合电源监控系统中的各种数据必须通过以太网传输。

（2）监控以太网传输通道的2 Mb/s 传输。在监控信道以太网传输模式下，许多相应的变电站设备需要有2 Mb/s 的标准接口，才能将变电站产生的声音和图像通过2 Mb/s 的以太网传输信道传输，并上传到监控中心，然后监控中心将图像信息和通过2 Mb/s的以太网传输信道下载的各种数据进行整合和汇总。最后，数据以统一的方式传输到交换机设备。

（3）监控传输中的光学模拟信道。在监控传输模式下的模拟光纤传输中，系统收集的图像数据可以通过光纤传输到控制中心，无须任何处理。

4 变电站监控系统的调试要点

变电站监控系统的测控设备主要有调试板配置和五逻辑防锁。调试板配置是设备调试器在安装测量和控制设备后，根据电信、遥测和远程控制功能配置控制软件，设备出厂前将对设备卡进行初始配置，然后将调试器安装到位后再对卡进行初始配置功能进行第二次调试，以确保其符合实际要求。五逻辑防锁是变电站监控系统的逻辑，防止故障操作，当监控系统设备运行异常时，监控系统可根据异常信息执行操作，造成变电站运行风险。