許繼電氣股份有限公司的研究人員魏勇、楊東海等，在2015年第1期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，本文結(jié)合國家電網(wǎng)公司大運(yùn)行模式下對變電站輔助控制系統(tǒng)的要求，進(jìn)行了適用于大運(yùn)行模式下無人值班、遠(yuǎn)方集中監(jiān)視及運(yùn)維特點(diǎn)的變電站輔助控制系統(tǒng)，智能一體化功能設(shè)計(jì)和輔助控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，定義了系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)對分布式大系統(tǒng)的網(wǎng)省級軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、靈活邏輯聯(lián)動技術(shù)、智能視頻分析技術(shù)、可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)等幾項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，本系統(tǒng)已在多個實(shí)際的變電站監(jiān)控系統(tǒng)工程中得到成功應(yīng)用。
1 引言
變電站是電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)，通過配置監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA），實(shí)現(xiàn)了全站“四遙”及繼電保護(hù)信息的監(jiān)視與控制、信息遠(yuǎn)傳，為保障變電站的安全運(yùn)行發(fā)揮了重要作用[1]。
除此之外，在變電站還部署視頻監(jiān)控系統(tǒng)、動力環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、火災(zāi)自動報(bào)警及消防系統(tǒng)等輔助生產(chǎn)系統(tǒng)[2~4]，目前這些系統(tǒng)依然是各自獨(dú)立、分散的小型自動化裝置，未實(shí)現(xiàn)多維度變電站運(yùn)行及監(jiān)測信息的智能集成應(yīng)用，這些零散的信息往往需要耗費(fèi)變電站運(yùn)行值班人員更多的精力來關(guān)注、理解和處理，導(dǎo)致這些孤立的小系統(tǒng)普遍存在實(shí)用化程度不高的問題。
隨著國家電網(wǎng)公司大運(yùn)行模式的深入實(shí)踐，通過對原有的變電監(jiān)控以及運(yùn)維管理全面的分離，業(yè)務(wù)一定程度的整合，實(shí)現(xiàn)了變電站監(jiān)控的一體化管控，使變電站故障處理的效率以及日常的操作效率得到較大程度上的提高[5]。
為適應(yīng)“遠(yuǎn)程、無人值班”的大運(yùn)行模式下變電站智能運(yùn)維管理要求，有必要整合變電站現(xiàn)有的分散安裝配置的輔助生產(chǎn)小系統(tǒng)，構(gòu)建統(tǒng)一的變電站輔助控制系統(tǒng)。國家電網(wǎng)公司頒布了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范[6~7]，明確要求在變電站新建和改造站建設(shè)中擯棄原有的分散建設(shè)模式，采用統(tǒng)一的變電站輔助控制系統(tǒng)模式，該系統(tǒng)和變電站原有的SCADA系統(tǒng)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)變電站信息的全息監(jiān)控。
本文將在分析變電站輔助控制系統(tǒng)各子系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，本著“數(shù)據(jù)集成、智能分析、綜合決策、可視操控”的設(shè)計(jì)理念，進(jìn)行適于大運(yùn)行模式下的變電站輔助控制系統(tǒng)一體化集成設(shè)計(jì)。
2 功能設(shè)計(jì)
變電站輔助控制系統(tǒng)主要完成：視頻監(jiān)控、動力環(huán)境監(jiān)控、安全防衛(wèi)、智能門禁、火災(zāi)報(bào)警及消防等功能，通過對這些變電站輔助功能的整合、優(yōu)化及管理，運(yùn)用在線監(jiān)測、智能預(yù)警、聯(lián)動控制等技術(shù)手段，和變電站SCADA系統(tǒng)協(xié)同工作，共同實(shí)現(xiàn)變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
為實(shí)現(xiàn)上述集成型變電站輔助控制系統(tǒng)功能，需要進(jìn)行下列集成方式功能設(shè)計(jì)。
1）全景信息收集與建模
高度集成變電站內(nèi)所有輔助生產(chǎn)小系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對變電站多方位、全天候的狀態(tài)監(jiān)視。通過對不同來源的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)類型進(jìn)行統(tǒng)一建模、提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，為輔助生產(chǎn)設(shè)備及變電站運(yùn)行環(huán)境提供完備的全景信息庫。
2）全景數(shù)據(jù)共享、集中管理、統(tǒng)一處理
對變電站的所有視頻、環(huán)境、安防、人員出入、火災(zāi)報(bào)警、設(shè)備狀態(tài)、操作記錄等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)一存儲、管理，并自動分析處理，生成日志、曲線、報(bào)表等，所有信息在監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行一體化綜合展示，并可遠(yuǎn)傳到監(jiān)控中心或運(yùn)維中心。
3）遠(yuǎn)程監(jiān)視
遠(yuǎn)程監(jiān)視功能以攝像機(jī)的遠(yuǎn)程輪巡監(jiān)看方式來代替人員的日?，F(xiàn)場巡視。在監(jiān)視設(shè)備外觀的同時，該設(shè)備的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息、周圍環(huán)境信息可自動跟蹤顯示，并自動生成日常巡視表，注明巡視的變電站、巡視時間、巡視人員等相關(guān)信息。
4）遠(yuǎn)程控制
監(jiān)控人員在遠(yuǎn)方的監(jiān)控中心通過客戶端或?yàn)g覽器可對變電站的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，可遠(yuǎn)程啟動或關(guān)閉空調(diào)、風(fēng)機(jī)、排水系統(tǒng)、燈具、攝像機(jī)等設(shè)備。
5）智能分析及聯(lián)動調(diào)控
變電站智能輔助控制系統(tǒng)以“智能調(diào)控”為核心，對影響變電站運(yùn)行的因素進(jìn)行全方位、多手段的實(shí)時聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測。通過數(shù)據(jù)共享和智能分析，自動判斷出各類異常情況，并可靈活實(shí)現(xiàn)各輔助生產(chǎn)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)聯(lián)動，消除異常情況造成的影響。智能輔助控制系統(tǒng)可以和變電站SCADA系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)方式的信息交互，為變電站智能運(yùn)行調(diào)度提供保障。
3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
集成型變電站輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用分層、分區(qū)的分布式結(jié)構(gòu)，按省級主站系統(tǒng)、地區(qū)級主站系統(tǒng)和站端系統(tǒng)三級構(gòu)建，各級系統(tǒng)間的信息傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)方式。地區(qū)級主站集中管理所轄地區(qū)的所有變電站的輔助監(jiān)控信息，同時與省級主站進(jìn)行信息交互；在省級主站可以集中查看、管理全省所有變電站的運(yùn)行狀況。
網(wǎng)省級主站系統(tǒng)安裝部署于省電力公司監(jiān)控運(yùn)維中心，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 網(wǎng)省級變電站輔助控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
安裝部署于變電站內(nèi)的站端系統(tǒng)主要由系統(tǒng)后臺主機(jī)、傳輸設(shè)備、綜合數(shù)據(jù)接入設(shè)備、各類輔助生產(chǎn)系統(tǒng)電子設(shè)備組成，如圖2所示。
圖2 站端變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
變電站智能輔助控制系統(tǒng)后臺主機(jī)采用X86架構(gòu)的嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)，Linux操作系統(tǒng)。通過安裝在主機(jī)上的監(jiān)控服務(wù)軟件，實(shí)現(xiàn)輔助控制系統(tǒng)的所有功能；綜合數(shù)據(jù)接入設(shè)備具有數(shù)據(jù)采集和協(xié)議轉(zhuǎn)換的功能。
該裝置提供多路RS485接口、4-20mA電流環(huán)接口、開關(guān)量輸入輸出接口、以太網(wǎng)通信接口，在完成數(shù)據(jù)采集的同時，將各類信息轉(zhuǎn)換為IEC 61850協(xié)議。
整個系統(tǒng)以后臺主機(jī)為核心，完成對各類系統(tǒng)的高度整合。在維持現(xiàn)有各子系統(tǒng)相對獨(dú)立運(yùn)行和自動閉環(huán)控制的前提下，后臺主機(jī)以標(biāo)準(zhǔn)的IEC 61850協(xié)議和各子系統(tǒng)保持通信，通過與各子系統(tǒng)交互實(shí)現(xiàn)對變電站現(xiàn)場視頻及其它各種生產(chǎn)信息的采集、處理、監(jiān)控。
4 關(guān)鍵設(shè)計(jì)
4.1 網(wǎng)省級大型主站軟件設(shè)計(jì)
網(wǎng)省級主站軟件系統(tǒng)采用層次化、模塊化的結(jié)構(gòu)和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想。在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方面，采用分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，提供大容量、高效率數(shù)據(jù)吞吐訪問；在高速實(shí)時數(shù)據(jù)訪問方面，采用可適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的流媒體轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，并靈活支持單播、廣播、組播等方式；在客戶端交互方面，采用電子地圖技術(shù)，方便使用者監(jiān)視及操控；在數(shù)據(jù)接口方面，提供C/S、B/S訪問方式，實(shí)現(xiàn)不同廠家的前端系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的信息交互。
客戶端軟件完成系統(tǒng)配置、設(shè)備控制、實(shí)時查看、歷史瀏覽等用戶界面交互功能。前端系統(tǒng)既可以安裝在輔控主機(jī)內(nèi)，也可以安裝在其他的PC上。
服務(wù)軟件完成與外圍設(shè)備連接、數(shù)據(jù)采集、日志記錄、與客戶端通信等核心功能；服務(wù)端軟件安裝于輔控主機(jī)內(nèi)，主機(jī)啟動后自動運(yùn)行。
客戶端與服務(wù)端可以完全分開單獨(dú)安裝在獨(dú)立的機(jī)器上運(yùn)行，一個服務(wù)端可以被多個客戶端連接，一個客戶端也可以分別與不同的服務(wù)端連接。
4.2 靈活邏輯聯(lián)動設(shè)計(jì)
變電站輔控系統(tǒng)經(jīng)常需要根據(jù)不同外界參量的動態(tài)變化來實(shí)時地進(jìn)行各種調(diào)節(jié)和控制操作，常見的做法是通過在輔控軟件中固化某些程序化的流程操控指令來實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場的聯(lián)動邏輯千差萬別且在隨時都需要變化，這就導(dǎo)致了原有的輔控系統(tǒng)的邏輯聯(lián)動功能不實(shí)用。
為解決此問題，本系統(tǒng)采用了“聯(lián)動邏輯模板+邏輯腳本引擎”技術(shù)，解決此問題，即通過預(yù)定義（用戶可編輯和擴(kuò)充）的“聯(lián)動邏輯模板”技術(shù)實(shí)現(xiàn)常見聯(lián)動邏輯的快捷實(shí)現(xiàn)，通過“邏輯腳本引擎”來實(shí)現(xiàn)個性化的、非規(guī)則的、復(fù)雜的用戶邏輯聯(lián)動控制。
智能型變電站輔控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對每一設(shè)備的具體動作都可以設(shè)置觸發(fā)條件，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的靈活的、廣泛的聯(lián)動邏輯控制，主要包括：
1）當(dāng)入侵行為觸發(fā)報(bào)警時，相關(guān)攝像機(jī)自動凝視侵入目標(biāo)，并可啟動錄像功能（光線不足時可自動打開燈具）。同時可啟動聲光報(bào)警器，監(jiān)控界面自動推出報(bào)警窗口，并配合電子地圖顯示。
2）當(dāng)水浸監(jiān)測到電纜溝高液位時，能自動啟動給排水系統(tǒng)。
3）變電站環(huán)境量可以設(shè)置報(bào)警閥值，當(dāng)溫濕度越限時，監(jiān)控界面自動給出報(bào)警信息，同時自動啟動通風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)或者加熱器。
4）SF6發(fā)生泄漏時，系統(tǒng)對風(fēng)機(jī)控制器發(fā)出排風(fēng)指令，啟動聲光報(bào)警；當(dāng)有人進(jìn)入操作室時，紅外監(jiān)測節(jié)點(diǎn)感知到信號，并自動啟動風(fēng)機(jī)。
5）發(fā)生火災(zāi)報(bào)警時，聯(lián)動相關(guān)的視頻監(jiān)視系統(tǒng)攝像頭，自動推出報(bào)警畫面。系統(tǒng)聯(lián)動閉鎖空調(diào)、風(fēng)機(jī)，防止火災(zāi)蔓延，自動打開所有門禁保證人員順利疏散；同時可與自動消防系統(tǒng)聯(lián)動，啟動滅火設(shè)備。
6）正常刷卡開門、密碼開門、出門按鈕開門時，調(diào)整到相關(guān)攝像機(jī)的預(yù)置位并錄像和（或）拍照，且錄像時間可設(shè)；夜間時自動打開相應(yīng)的燈光，且燈光持續(xù)時間可設(shè)。非法刷卡、非法密碼開門時，調(diào)整相關(guān)攝像機(jī)的預(yù)置位并錄像和（或）拍照，且錄像時間可設(shè)；夜間時自動打開相應(yīng)的燈光，且燈光持續(xù)時間可設(shè)；同時啟動相應(yīng)的聲光報(bào)警器，且報(bào)警持續(xù)時間可設(shè)。
7）照明控制系統(tǒng)的聯(lián)動。照明控制系統(tǒng)與視頻監(jiān)視系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)等多個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)了夜間和光線照度不夠時提供足夠的光線亮度。
8）與SCADA系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動。在操作開關(guān)、刀閘或發(fā)生事故跳閘時可以聯(lián)動周圍的多個攝像機(jī)，自動將攝像機(jī)對準(zhǔn)到相關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多角度視頻信息的實(shí)時監(jiān)控，并對整個操作過程進(jìn)行全程錄像。操作后開關(guān)刀閘是否到位，可以由系統(tǒng)運(yùn)用智能視頻分析（IVS）技術(shù)，將操作結(jié)果返回SCADA系統(tǒng)，供操作人員參考。
4.3 智能視頻分析設(shè)計(jì)
智能型變電站輔控系統(tǒng)的視頻監(jiān)控部分主要負(fù)責(zé)對全站主要電氣設(shè)備、安裝地點(diǎn)及周邊環(huán)境進(jìn)行全天候的視頻監(jiān)視。除了常規(guī)視頻監(jiān)控外，一般需要對變電站內(nèi)的多個監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行實(shí)時圖像的編解碼和數(shù)據(jù)傳輸及多窗口視頻圖像展示，數(shù)據(jù)運(yùn)算量非常大，輔控主機(jī)運(yùn)算性能不足時容易產(chǎn)生發(fā)熱、圖像卡頓、甚至死機(jī)等問題，是輔控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，本系統(tǒng)采用智能視頻分析技術(shù)解決上述問題。
本系統(tǒng)采用第三代網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)，以嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)（DVR）為核心。使用專用視頻壓縮芯片，采用H.264壓縮方式，視頻壓縮效率高，網(wǎng)絡(luò)占用帶寬低。采用國際通用的圖像存儲格式進(jìn)行圖像記錄和存儲，音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)采用 ITU-T G.711標(biāo)準(zhǔn)。視頻信號制式采用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的視頻制式（PAL），圖像清晰度在 540TVL 以上。同時在輔控系統(tǒng)綜合監(jiān)控平臺顯示功能中，各種菜單、說明都為中文顯示。
為最大程度保證平臺的視頻監(jiān)控效果，視頻不采用二次及以上壓縮，即從變電站前端壓縮編碼到各級終端解壓回顯，中間過程不再有其他任何形式的壓縮編碼。
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了智能視頻分析功能，通過配置視頻分析服務(wù)器，根據(jù)命令啟動攝像機(jī)預(yù)置位，采集監(jiān)視對象的視頻畫面?？梢詫Α按┰骄涿?、進(jìn)入?yún)^(qū)域、離開區(qū)域、區(qū)域入侵、物品拿取放置、徘徊、人員聚集、非法停車、快速移動”等視頻場景進(jìn)行智能視頻分析，在指定時間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并進(jìn)行模型比對，分析結(jié)果可以是模型數(shù)據(jù)、分析圖片或視頻片段。
4.4 可靠性設(shè)計(jì)
1）防雷：對于支架安裝的攝像機(jī)，由于位置較高，可能會受到直擊雷的危害，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝避雷針。避雷針的架設(shè)綜合考慮周邊環(huán)境因素，確保視頻監(jiān)控前端設(shè)備（攝像機(jī)、終端盒）處于直擊雷防護(hù)范圍內(nèi)。
攝像機(jī)外殼、攝像機(jī)支架及場地終端盒等進(jìn)行可靠接地，并接入變電站接地系統(tǒng)。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗雷擊能力，除設(shè)備設(shè)計(jì)考慮具備防雷功能外，電源線也設(shè)計(jì)滿足三級防雷要求，對弱電線路采取防浪涌措施，各類可能引入雷擊的線纜加裝各種防雷器。
對于模擬攝像機(jī)，采用三合一（電源、視頻、RS485線纜）防雷器；對于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，采用單相電源防雷器及機(jī)架式網(wǎng)絡(luò)信號防雷器。
2）抗干擾：變電站易輔助控制系統(tǒng)易受干擾的信號主要包括：視頻信號、控制信號及數(shù)字信號。一般干擾信號可通過網(wǎng)線、RS485通訊線、同軸電纜進(jìn)入系統(tǒng)，本系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)從以下方面考慮：
A）系統(tǒng)采用的設(shè)備均按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)抗強(qiáng)電磁干擾能力；B）設(shè)備采用屏蔽措施增強(qiáng)設(shè)備的抗干擾能力，場地終端盒及攝像機(jī)采用全金屬外殼，并可靠接地；C）設(shè)備可靠接地，將工作地和保護(hù)地嚴(yán)格分開；D）傳輸通道采用光纜，光纜的不導(dǎo)電性可有效的避免來自變電站環(huán)境的各種電磁干擾、雷擊和浪涌過電壓、操作過電壓及靜電干擾等。
3）電源供電：為保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行，應(yīng)提高變電站的供電可靠性，具體措施是：
A）系統(tǒng)監(jiān)控屏體采用專用220V/50Hz交流電源回路，不與空調(diào)等大負(fù)荷用電裝置在同一回路；B）變電站場地監(jiān)控點(diǎn)的電源由監(jiān)控系統(tǒng)屏集中配送，每路電纜出線和空開上都需有標(biāo)簽詳細(xì)說明，便于維護(hù)、檢修；C）攝像機(jī)供電線路采用截面不小于1.5mm2電纜線路，電源供電回路具備防雷和防過電壓能力。
5 結(jié)論
本文結(jié)合現(xiàn)階段國家電網(wǎng)公司三集五大發(fā)展戰(zhàn)略背景下對大運(yùn)行模式的要求，實(shí)現(xiàn)了變電站輔助控制系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)，高度整合變電站所有輔助生產(chǎn)子系統(tǒng)，除了強(qiáng)調(diào)各個子系統(tǒng)之間的信息共享和信息互動之外，還在多個維度與其他系統(tǒng)進(jìn)行信息整合，縱向與網(wǎng)省級主站的信息交互，橫向與變電站自動化系統(tǒng)(SCADA系統(tǒng))的信息交互、信息互動，通過大型網(wǎng)省級主站軟件設(shè)計(jì)、靈活邏輯聯(lián)動、智能視頻分析、可靠性設(shè)計(jì)等方案設(shè)計(jì)，可滿足大運(yùn)行模式下對變電站輔助生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)維要求。
本系統(tǒng)已在河南電網(wǎng)多個智能變電站自動化系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用，有效提升了變電站的技術(shù)及運(yùn)維管理水平。
