變電站預警聯(lián)動監(jiān)控平臺的設計

文｜ 南京天溯自動化控制系統(tǒng)有限公司 楊 毅

南京師大建筑工程設計研究院 王 松

1 前言

隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展，電力部門所轄變電站/所逐步向無人值守方向發(fā)展，提高了經(jīng)濟效益和管理水平；目前視頻監(jiān)控己開始應用于變電站/所的監(jiān)控，傳統(tǒng)的“四遙”擴展為“五遙”，即增加了“遙視”功能。但是，現(xiàn)有電力監(jiān)控系統(tǒng)存在諸多問題，如視頻監(jiān)控與電力監(jiān)控（SCADA）相互獨立，電力系統(tǒng)與其他輔助模塊、設備或系統(tǒng)互相獨立，信息無法共享，自動化水平較低，報警信息單一，特別是對電網(wǎng)消費側(cè)用電設備的保護不夠，業(yè)已成為智能電網(wǎng)亟需解決的問題。本文針對無人值守變電站/所存在的問題，在監(jiān)控平臺基礎上，設計了變電站輔助專家控制系統(tǒng)（以下簡稱輔控系統(tǒng)），實現(xiàn)了變電站的預警和聯(lián)動保護功能，提高了電網(wǎng)供電品質(zhì)及用電設備的安全保障。

2 預警聯(lián)動監(jiān)控平臺的系統(tǒng)結(jié)構

輔控系統(tǒng)集成了計算機、網(wǎng)絡通信、數(shù)字編解碼、模式識別、紅外線、離子感煙等技術，通過各種探測器收集變電站的環(huán)境信息及設備運行工況，實現(xiàn)預警聯(lián)動保護功能，自動判斷、評估突發(fā)狀況的緊迫性及危險性，按照預案自動處理，并把信息上傳調(diào)度中心；在發(fā)生嚴重影響電力設備正常運行的狀況時，啟動應急預處理程序，同時向調(diào)度中心和相關用戶告警，傳送現(xiàn)場圖像、聲音及其他信息，并給出處理建議，供調(diào)度人員和相關用戶參考。

預警聯(lián)動監(jiān)控平臺主要由中心服務器、聯(lián)動服務器、前置服務器、各類遠程采集/控制終端組成，采用分布式架構（如圖1所示）。中心服務器提供了各子系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)控平臺，以達到資源共享的目的，并對各子系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理、認證和授權，保證系統(tǒng)的安全性。

3 預警聯(lián)動監(jiān)控平臺的關鍵技術

3.1 視頻組播與網(wǎng)絡質(zhì)量保證技術

傳統(tǒng)的IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)的工作模式是：在系統(tǒng)中設置一個媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務器，在網(wǎng)絡客戶端請求某攝像機視頻時，由媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務器以點對點單播方式（如圖2所示）把相應的視音頻流轉(zhuǎn)發(fā)給該客戶端；多客戶請求某一特定攝像機視頻時，媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務器需逐一為請求客戶端分發(fā)視音頻流。當某變電站攝像機所轄范圍內(nèi)出現(xiàn)異常狀況時，將瞬間形成多客戶端同時查看某路攝像機視頻的需求；如果并發(fā)的查詢過多，采用單播模式的系統(tǒng)勢必遭遇媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務器的大量資源被占用、網(wǎng)絡負擔劇增，從而影響變電站網(wǎng)絡上其他數(shù)據(jù)的傳送。

預警聯(lián)動監(jiān)控平臺采用圖3所示的IP組播技術轉(zhuǎn)發(fā)視音頻流，系統(tǒng)中的每一臺智能IP網(wǎng)絡攝像機（自帶編碼器，以下簡稱網(wǎng)絡攝像機）均為組播源，監(jiān)控圖像通過RJ45接口接入位于變電站的網(wǎng)絡交換機。組播分發(fā)時，網(wǎng)絡攝像機只需發(fā)送一路實時視頻流到網(wǎng)絡上，視頻流在盡可能遠的分叉路口才進行復制和分發(fā)——無論有多少個目標地址，在整個網(wǎng)絡的任何一條鏈路上只傳送一路媒體流的數(shù)據(jù)包。在這種數(shù)據(jù)分發(fā)方式下，一旦網(wǎng)絡交換機發(fā)現(xiàn)客戶端調(diào)看實時視頻圖像的請求，立即在離該客戶端最近的節(jié)點把實時數(shù)據(jù)流復制并轉(zhuǎn)發(fā)至該客戶端；如果網(wǎng)絡中沒有任何客戶端請求視頻，則不進行轉(zhuǎn)發(fā)。因此，得以在組播中大幅節(jié)省網(wǎng)絡帶寬，減少了整個變電站電力網(wǎng)絡的帶寬與負載，也減少了網(wǎng)絡擁塞的發(fā)生。

變電站監(jiān)控視頻直接接入電力網(wǎng)絡，因此網(wǎng)絡中既有電網(wǎng)監(jiān)控數(shù)據(jù)，也有視音頻流數(shù)據(jù)。客戶端查看視音頻的實時性要求較高，這就要求電力網(wǎng)絡擁有足夠的帶寬，另一方面也需要引入QoS（網(wǎng)絡質(zhì)量保證）技術來滿足各種業(yè)務的不同服務要求。在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，網(wǎng)絡攝像機在生成的視音頻流中設置QoS標記（1～3級），根據(jù)QoS優(yōu)先級的不同提供不同級別的轉(zhuǎn)發(fā)服務。在變電站的視頻流和電力數(shù)據(jù)流共用電力網(wǎng)絡帶寬的情況下，QoS機制使得網(wǎng)絡信息的傳輸更加穩(wěn)定、可靠，帶寬得到充分有效的利用。

視頻監(jiān)控采用H.264（有時也稱為MPEG-4 Part10/AVC）視頻壓縮技術，圖像分辨率可達到704×576。在不影響圖像質(zhì)量的情況下，與采用Motion JPEG和MPEG-4 Part 2標準相比，采用H.264編碼可使錄像文件的大小減少50%以上。對錄像文件進行大比例壓縮帶來的直接好處是：能夠顯著減少變電站監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)存儲空間開銷，節(jié)省變電站電力系統(tǒng)網(wǎng)絡的帶寬。

3.2 SCADA與視頻預警聯(lián)動的集成

建立無人值守變電站/所的安全監(jiān)控體系，需將監(jiān)視系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、報警系統(tǒng)和遠程控制系統(tǒng)有機結(jié)合，從而提高無人值守變電站/所的監(jiān)控便利性和設備的安全保障。

（1）視頻接入

前端視頻采集裝置主要是網(wǎng)絡攝像機。由于網(wǎng)絡攝像機自帶編碼、壓縮功能，現(xiàn)場可不使用硬盤錄像機或安裝采集卡，只須把視頻接入變電站現(xiàn)場的網(wǎng)絡交換機即可。如圖4所示。

圖4 視頻接入示意圖

視頻監(jiān)控采用了組播及QoS技術，可以保證后臺監(jiān)控畫面的流暢性、聯(lián)動的實時性、控制的可靠性。

（2）SCADA與視頻監(jiān)控的集成

視頻監(jiān)控與SCADA系統(tǒng)可安裝于同一臺計算機上，也可安裝在不同的計算機上，通過監(jiān)控平臺集成。

（3）SCADA與視頻預警聯(lián)動的集成

輔控系統(tǒng)中接入的安全警衛(wèi)、火災報警、采暖通風、環(huán)境安全監(jiān)控等子系統(tǒng)或模塊，通過SCADA系統(tǒng)的前置通信管理機（以下簡稱前置機）接入，消除了傳統(tǒng)的硬盤錄像機或監(jiān)控主機接入開關量、模擬量信號的局限性；其他設備也可方便地通過前置機擴展規(guī)約模塊接入。預警聯(lián)動監(jiān)控平臺則由輔控系統(tǒng)與監(jiān)控平臺集成。

3.3 預警聯(lián)動技術

預警聯(lián)動監(jiān)控平臺與傳統(tǒng)監(jiān)控平臺相比最大的區(qū)別就是建立了預警聯(lián)動機制，能夠?qū)λ斜O(jiān)控子系統(tǒng)進行統(tǒng)一監(jiān)控與管理，判斷、評估突發(fā)狀況的緊迫性及危險性，自動啟動事故處理程序，向調(diào)度中心和相關用戶告警、傳送現(xiàn)場信息，并支持調(diào)度人員和相關用戶作出最終決策。系統(tǒng)在原有監(jiān)控平臺上引入Python腳本，建立了一套靈活的系統(tǒng)聯(lián)動機制，支持客戶根據(jù)現(xiàn)場需求修改聯(lián)動規(guī)則，以適應多變的聯(lián)動業(yè)務場景。

IronPython和.Net框架集無縫集成，由PythonEngine腳本引擎實現(xiàn)腳本動態(tài)加載和運行，完成腳本和宿主語言的交互，達到流程控制的目的。

使用該平臺可輕松實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動。例如，當紅外探測器的信號發(fā)生變化時，信號通過前置機上傳至SCADA系統(tǒng)，由IronPython腳本判斷信號量狀態(tài)，并根據(jù)預定義的聯(lián)動規(guī)則判斷是否需要聯(lián)動、如何聯(lián)動；如符合聯(lián)動規(guī)則，則通過調(diào)用通用函數(shù)庫中的接口函數(shù)實現(xiàn)聲、光報警并啟動視頻監(jiān)控軟件，把該信號量對應的攝像機編號、聯(lián)動控制信息傳至視頻監(jiān)控軟件，由視頻監(jiān)控軟件根據(jù)已定義的預置點轉(zhuǎn)動云臺、驅(qū)動鏡頭對焦、啟動臨時錄像（可配）、定時關閉監(jiān)控/錄像（可配）、上傳重要圖片等。又如，當子系統(tǒng)或模塊上傳的數(shù)據(jù)產(chǎn)生突變時，由IronPython腳本根據(jù)聯(lián)動規(guī)則判斷是否需要聯(lián)動，如符合聯(lián)動規(guī)則，則通過IronPython將視頻軟件啟動，并把該模擬量數(shù)據(jù)對應的攝像機編號及聯(lián)動控制信息發(fā)送至視頻監(jiān)控軟件，由視頻監(jiān)控軟件做相應操作。在實現(xiàn)各種聯(lián)動的同時，系統(tǒng)也可通過短信服務器把現(xiàn)場告警信息發(fā)送給變電站相關領導或負責人，以便了其解最新信息。該聯(lián)動流程如圖5所示。

圖5 對應的實例代碼如下：

（1）宿主程序如下：

“namespace NTSIronPython

{

public partial class NTSForm : Form

{

public NTSForm ()

{

InitializeComponent();

}

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)

{

PythonEngine scriptEngine = new PythonEngine();

scriptEngine.DefaultModule.Globals["EventId"] = m_EventId;

scriptEngine.AddToPath(Application.StartupPath);

scriptEngine.Execute(txtScript.Text);

}

}

}”

（2）公共流程控制函數(shù)庫如下：

“namespace NTSIronPython_Dll

{

public class NTSDll

{

public static void VideoAct(int Id)

{

……

}

public static void SendSms(string strSms)

{

……

}

}

}”

（3）IronPython腳本如下：

“import clr

clr.AddReferenceByPartialName("Syst em.Windows.Forms")

clr.AddReferenceByPartialName("Syst em.Drawing")

clr.AddReferenceToFile("NTSIronPyth on_Dll.dll")

from NTSIronPython_Dll import *

if( EventID = EVENT_ID_DEF) :

{

NTSDll.VideoAct(1)

NTSDll.SendSms(“有人入侵”);

}”

“PythonEngine scriptEngine = new PythonEngine()”語句用于創(chuàng)建DLR（動態(tài)語言運行時）運行環(huán)境，通過“ScriptScope”構建執(zhí)行上下文，其中保存了環(huán)境及全局變量，宿主（Host）通過創(chuàng)建不同的ScriptScope來提供多個數(shù)據(jù)隔離的執(zhí)行上下文。

圖5 視頻與SCADA系統(tǒng)交互流程圖

“scriptEngine.DefaultModule.Globals["EventId"] = m_EventId”語句采用ScriptScope在 Host和“ScriptRuntime” 間傳遞數(shù)據(jù)，提供Host與DLR對象成員的互操作接口。“scriptEngine.Execute(txtScript.Text)”語句編譯并執(zhí)行動態(tài)腳本。腳本引擎將源代碼編譯成“CompiledCode”，這樣多次執(zhí)行就無需重復編譯，可提高軟件整體執(zhí)行性能。通用函數(shù)庫是外設控制通用接口，主要包括視頻操作（VideoAct）、短信操作（SendSms）、門禁 操 作（AccessControlAct）、 安 防 操 作（SecurityAct）等接口——通過這些接口可實現(xiàn)系統(tǒng)對外設的基本控制。IronPython腳本是真正實現(xiàn)聯(lián)動邏輯的環(huán)節(jié)，通過ScriptScope達到和宿主程序共享數(shù)據(jù)的目的，加以業(yè)務邏輯判斷，調(diào)用通用函數(shù)庫操作對象實現(xiàn)業(yè)務聯(lián)動機制。本系統(tǒng)聯(lián)動控制部分采用了該腳本進行特效處理，使系統(tǒng)完全實現(xiàn)了定制，并且接口豐富，應對能力極強。

4 結(jié)束語

變電站實現(xiàn)智能化遠程監(jiān)控管理后，應用狀態(tài)檢測技術，通過監(jiān)測、預警和控制三種手段，可第一時間發(fā)現(xiàn)設備缺陷，減少停電損失；憑借安全警衛(wèi)技術、圖像監(jiān)控技術、環(huán)境監(jiān)控及門禁系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)防盜、防災害；通過照明、采暖、通風的自動控制，節(jié)約能源，維護設備安全，從而解決變電站安全運營的“在控”、“可控”等問題，符合國家電網(wǎng)公司“兩型一化”和“全壽命周期”的指導思想，是落實科學發(fā)展觀、推進電網(wǎng)發(fā)展建設的一項重要舉措，存在廣泛的應用價值。

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