變電站雙視在線監(jiān)測(cè)智能預(yù)警系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

歐居勇，廖文禮，帥 曉，何 林

（1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司資陽(yáng)供電公司 四川 資陽(yáng) 641300；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司樂(lè)山供電公司信通公司四川 樂(lè)山 614000；3.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031）

變電站雙視在線監(jiān)測(cè)智能預(yù)警系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

歐居勇1，廖文禮1，帥 曉2，何 林3

（1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司資陽(yáng)供電公司 四川 資陽(yáng) 641300；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司樂(lè)山供電公司信通公司四川 樂(lè)山 614000；3.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031）

研發(fā)了一種用于變電站的雙視在線監(jiān)測(cè)智能預(yù)警系統(tǒng)和方法，由視頻監(jiān)控前端系統(tǒng)和后端管理平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)利用了最先進(jìn)的壓縮技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，解決了多路紅外熱像與CCD圖像的數(shù)字化時(shí)實(shí)傳輸、圖像融合問(wèn)題。支持視頻輸出擴(kuò)展，用戶可參照CCD圖像確定故障部位，實(shí)現(xiàn)了用鼠標(biāo)點(diǎn)擊紅外圖像的任意部位同時(shí)顯示該部位的CCD圖像并進(jìn)行測(cè)溫。通過(guò)RJ45網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的設(shè)置、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)錄像和對(duì)云臺(tái)的控制，大大方便了安裝施工，減少了故障發(fā)生率。

紅外熱成像；雙視在線監(jiān)測(cè)；變電站；實(shí)時(shí)預(yù)警

變壓器是電力系統(tǒng)設(shè)備中最重要和最昂貴的組成部件，隨著電網(wǎng)電壓等級(jí)的提高和輸送容量的增加，變壓器故障將對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)的崩潰。

長(zhǎng)期以來(lái)，電力系統(tǒng)內(nèi)對(duì)變壓器正常運(yùn)行維護(hù)主要是采用事后維修和預(yù)防維修兩種方式。但是，預(yù)防性維修需要停電檢修，影響了供電的可靠性；定期檢修中更換的設(shè)備一部分是沒(méi)有必要更換的，降低了經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》[1]，智能變電站是采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的設(shè)備組合。因此，常規(guī)的檢測(cè)方法與現(xiàn)代化狀態(tài)維護(hù)發(fā)展趨勢(shì)不相適應(yīng)，為了保證電力系統(tǒng)供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性，

電力設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷得到了很快的發(fā)展和應(yīng)用。尤其是利用智能化手段遠(yuǎn)程進(jìn)行設(shè)備遙控操作監(jiān)視、變電站設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)視、動(dòng)力環(huán)境監(jiān)視等需求日益迫切[2]，但是現(xiàn)有的站端變電站，即各地區(qū)內(nèi)的單位變電站各自實(shí)施管理，不能與上級(jí)或外部系統(tǒng)互連，無(wú)形中降低了系統(tǒng)資源利用，增加了系統(tǒng)的管理成本，而且現(xiàn)有的變電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備較為簡(jiǎn)單，功能單一，出現(xiàn)了很多監(jiān)控上的漏洞，還需要相關(guān)的工作人員經(jīng)常到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡視，帶來(lái)很多不便。

1 紅外測(cè)溫原理

紅外線的波長(zhǎng)從0.75～1 000μm之間，與其他電磁波一樣，遵守反射、折射、衍射和偏振等定律。由普朗克定律敘述了黑體輻射的光譜分布，可表示為：

即任何物體只要溫度超過(guò)絕對(duì)零度，就會(huì)向外界輻射紅外能量，又由斯蒂芬—波爾茲曼定律可知，在從零到無(wú)窮大的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，對(duì)普朗克公式積分，可得到單位面積黑體輻射到半球空間的輻射通量密度為：

由此式表明輻射通量密度與絕對(duì)溫度的4次方成正比，故此相當(dāng)小的溫度變化，就會(huì)引起輻射通量密度的較大變化，紅外熱像得以測(cè)設(shè)的理論基礎(chǔ)。

隨著變壓器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷推進(jìn)，目前形成將各種監(jiān)測(cè)手段競(jìng)相發(fā)展的趨勢(shì)，如快速氣相色譜、電子鼻傳感器、近紅外光譜等[3]。這些監(jiān)測(cè)原理和方法的不斷提高最大程度的保證了變壓器運(yùn)行的可靠性。文中主要介紹基于多路紅外熱成像與CCD圖像的雙視在線監(jiān)測(cè)智能預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)踐表明雙視在線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)效果良好。

2 雙視在線監(jiān)測(cè)智能預(yù)警系統(tǒng)功能定義

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)功能需求

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布的《高壓設(shè)備智能化技術(shù)導(dǎo)則》[4]和《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》的技術(shù)要求，智能化變電站需要具備采用組件化、標(biāo)準(zhǔn)化、就地化設(shè)計(jì)原則為主導(dǎo)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要對(duì)高壓電氣設(shè)備進(jìn)行全面的參數(shù)監(jiān)測(cè)、診斷分析、故障實(shí)時(shí)定位、故障預(yù)警、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等功能。也有一些研究者[5-6]提出來(lái)通過(guò)對(duì)離線實(shí)驗(yàn)、帶電檢測(cè)和在線檢測(cè)等多種數(shù)據(jù)集成管理的方法，形成數(shù)據(jù)采集、變電站狀態(tài)分析系統(tǒng)和遠(yuǎn)方診斷中心三層平臺(tái)的狀態(tài)檢測(cè)模式。筆者認(rèn)為在線檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該作為預(yù)警系統(tǒng)的重點(diǎn)來(lái)建立，通過(guò)視頻監(jiān)控前端系統(tǒng)和后端管理平臺(tái)系統(tǒng)的配合，實(shí)現(xiàn)變電站任意時(shí)刻和任意狀態(tài)下的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而防止高壓電氣設(shè)備事故的發(fā)生。

圖1 系統(tǒng)總體層次結(jié)構(gòu)Fig.1 System hierarchical structure

故此監(jiān)控系統(tǒng)需要具有：巡檢監(jiān)控功能，提供全天候任務(wù)列表，系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)置的時(shí)間和監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行全自動(dòng)巡檢；可同時(shí)進(jìn)行多通道實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)或安全監(jiān)視；實(shí)時(shí)多通道監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行混合監(jiān)視功能；雙視監(jiān)控器在無(wú)作業(yè)任務(wù)時(shí)可對(duì)變電站重要位置進(jìn)行錄像，起到安防功能等功能。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

變電站雙視在線監(jiān)測(cè)智能預(yù)警系統(tǒng)是由視頻監(jiān)控前端系統(tǒng)和后端管理平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成，采用分層、分級(jí)、分域、分權(quán)的方式進(jìn)行建設(shè)；使用瀏覽器和服務(wù)器（B/S）架構(gòu)結(jié)合的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，軟硬件模塊化設(shè)計(jì)，雙視監(jiān)測(cè)技術(shù)，智能圖像和溫度分析，集多種監(jiān)控功能為一體，并可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn) 程實(shí)時(shí)監(jiān)控，數(shù)據(jù)分析，最大范圍的兼容已有監(jiān)控系統(tǒng)。

監(jiān)控系統(tǒng)采用了最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)壓縮技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，使用一根網(wǎng)線就解決了多路紅外熱像與CCD圖像的數(shù)字化時(shí)實(shí)傳輸、圖像融合問(wèn)題，用戶可參照CCD圖像確定故障部位，還可實(shí)現(xiàn)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊紅外圖像的任意部位同時(shí)顯示該部位的CCD圖像并進(jìn)行測(cè)溫。同時(shí)還能通過(guò)這根網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的設(shè)置、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)錄像和對(duì)云臺(tái)的控制，真正實(shí)現(xiàn)了一線通，大大方便了安裝施工，減少了故障發(fā)生率。

3 雙視在線監(jiān)測(cè)智能預(yù)警系統(tǒng)的架構(gòu)

3.1 系統(tǒng)層次架構(gòu)

系統(tǒng)總體平臺(tái)結(jié)構(gòu)替換了Gtip框架，采用一個(gè)新的領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)插件Takia，可以更好的適應(yīng)分布式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，持久層由Hibernate換成了比較輕的Mybatis，平臺(tái)還是采用分層結(jié)構(gòu)，在業(yè)務(wù)功能上面，把權(quán)限管理和遠(yuǎn)程站點(diǎn)管理獨(dú)立出來(lái)，而其他的業(yè)務(wù)模塊劃分到一類中。如圖1所示為監(jiān)控平臺(tái)的技術(shù)層次。

平臺(tái)的表現(xiàn)層以HTML網(wǎng)頁(yè)的WEB-UI為主，基于JQuery為核心，合理應(yīng)用AJAX技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)分級(jí)數(shù)據(jù)加載，F(xiàn)LAH用于圖標(biāo)展示，而遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控采用ActiveX嵌入方式（如果能實(shí)現(xiàn)Flash版本更好，該功能需要廠商配合），邏輯層主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)模塊劃分，跟第一期平臺(tái)基本保持一致，分為用戶權(quán)限模塊，日志系統(tǒng)，報(bào)表和圖標(biāo)系統(tǒng)，以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，在2.0平臺(tái)上，對(duì)報(bào)表和圖標(biāo)系統(tǒng)需要進(jìn)行功能增強(qiáng)，根據(jù)用戶的需求增加報(bào)表種類，優(yōu)化報(bào)表參數(shù)選擇功能等。數(shù)據(jù)來(lái)源分為3個(gè)部分，本地管理數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)備份數(shù)據(jù)庫(kù)，和外部數(shù)據(jù)，其中跟權(quán)限，站點(diǎn)信息相關(guān)的參數(shù)保存在本地管理數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)備份保存從站點(diǎn)提取的經(jīng)過(guò)處理分析的溫度數(shù)據(jù)，而遠(yuǎn)處數(shù)據(jù)是直接通過(guò)遠(yuǎn)程接口從站點(diǎn)讀取的數(shù)據(jù)。

3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)流

整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)如圖2所示，監(jiān)測(cè)平臺(tái)架構(gòu)由3大部分構(gòu)成，一部分是服務(wù)器上的監(jiān)控平臺(tái)，一部分是工作站上面的第三方監(jiān)控系統(tǒng)，另外一個(gè)部分是平臺(tái)的骨架系統(tǒng)。平臺(tái)用戶均通過(guò)瀏覽器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訪問(wèn)。由于將數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了隔離，即平臺(tái)和工作站各自維護(hù)自己的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，獨(dú)立維護(hù)自己各自的數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 System topological structure

數(shù)據(jù)交換則采用Dll控件，服務(wù)器程序通過(guò)JNI調(diào)用Dll控件，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸由Dll負(fù)責(zé)，Dll控件直接連接到工作站系統(tǒng)中，提取需要的數(shù)據(jù)，并使用Socket通過(guò)網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)傳輸工作；對(duì)于一些功能如果dll沒(méi)有提供相應(yīng)接口，則采用Hessian方式通過(guò)工作站骨架程序，直接提取數(shù)據(jù)庫(kù)中需要的數(shù)據(jù)給平臺(tái)使用，數(shù)據(jù)通過(guò)Hessian（基于Http的序列化）協(xié)議進(jìn)行傳輸。

4 雙視在線監(jiān)測(cè)智能預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用全數(shù)字化“一線通”網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)熱圖像數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控器（由可見(jiàn)光攝像儀，紅外光攝像儀和數(shù)字云臺(tái)組成）控制，如圖3為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。監(jiān)控器與監(jiān)控服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸只需要一根網(wǎng)線連接，大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)安裝和布線，提高監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，并降低系統(tǒng)安裝成本。確保傳控安全可靠、抗干擾能力強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)捷、擴(kuò)展和兼容性強(qiáng)；通過(guò)全數(shù)字實(shí)時(shí)熱圖像采集，用戶或監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)采集的紅外熱圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)二次溫度分析（如更改部件測(cè)溫參數(shù)）和故障核實(shí)等功能。此外，基于Web的集中式數(shù)據(jù)管理和分布式監(jiān)控，自動(dòng)插件安裝，完全免維護(hù)和自動(dòng)升級(jí)，提供了多級(jí)靈活監(jiān)管能力和系統(tǒng)擴(kuò)展能力。

圖3 系統(tǒng)的硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System hardware network structure

4.2 系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)

雙視在線監(jiān)測(cè)智能預(yù)警系統(tǒng)改進(jìn)了視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能，具有全數(shù)字紅外熱成像功能，可以有效的反應(yīng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)的熱分布狀況，配合后臺(tái)軟件的分析功能，可隨時(shí)捕捉設(shè)備的熱故障狀態(tài)，并直觀的在區(qū)域圖上行進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，同時(shí)管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析功能能夠更直觀的為管理者呈現(xiàn)變電站相關(guān)的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，將可能發(fā)生的事故消滅在萌芽狀態(tài)。除了具有以上的功能外同時(shí)還具有紅外監(jiān)控防盜、現(xiàn)場(chǎng)圖像等功能。

圖4 系統(tǒng)軟件的運(yùn)行界面Fig.4 System operation interface

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管理區(qū)域內(nèi)多個(gè)變電站的多個(gè)關(guān)鍵設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，可基本替代手持式紅外熱成像設(shè)備，如圖4所示為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件界面。相關(guān)的工作人員不用經(jīng)常到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡視，這意味著設(shè)備的巡視和維護(hù)將會(huì)真正進(jìn)入狀態(tài)檢修階段，即根據(jù)該系統(tǒng)在線監(jiān)控所反映的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)指導(dǎo)檢修維護(hù)工作的開(kāi)展，從而最大限度的節(jié)省人力和物力，降低了投入成本。

5 結(jié) 論

通過(guò)該系統(tǒng)的研制，將形成一套功能完備的雙視監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的可視化和紅外監(jiān)測(cè)，并充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘和統(tǒng)計(jì)，對(duì)前端系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理分析，實(shí)現(xiàn)諸如測(cè)溫等基本功能和運(yùn)行決策及檢修指導(dǎo)等高級(jí)應(yīng)用功能；

該系統(tǒng)應(yīng)用后，將在局MIS網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍內(nèi)，通過(guò)各級(jí)有關(guān)部門(mén)的計(jì)算機(jī)都可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)變電站現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)畫(huà)面情況。該系統(tǒng)必將對(duì)生產(chǎn)智能化管理和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)調(diào)度，發(fā)揮出巨大的作用，從而獲得更大的經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)效益。

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Research and implementation of substation double inspect on-line monitoring intelligent warning system

OU Ju-yong1，LIAO Wen-li1，SHUAI Xiao2， HE Lin3
（1.State Grid Sichuan Electric Power Company Ziyang Power Supply Branch，Ziyang 641300，China；2.State Grid Sichuan Electric Power Company Leshan Power Supply Branch Information ＆ Telecommunication Branch，Leshan 614000，China；3.School of Transportation and Logistics，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

This paper develops a dual-vision online monitoring and intelligent pre-warning system for transformer substations，and the system is constructed by front-end system for video surveillance and back-end management platform.The system takes advantage of the most advanced compression technology and network transmission technology；it can solve the problem of real transmission，image fusion of multiple infrared thermal imaging and CCD image digitization.Additionally，the system supports video output expansion and users can determine the fault position according to the CCD image.It can show the parts of the CCD image and measure temperature when users click at any part of the infrared image with a mouse.Besides，instrument settings，automatic alarm，automatic recording and PTZ control can be done with RJ45 cable，which greatly facilitates installation and construction and also reduces the incidence of failure.

infrared thermal imaging；dual-vision online monitoring；transformer substations；real time early warning

TN98

A

1674-6236（2014）11-0084-04

2013-08-22 稿件編號(hào)：201308152

歐居勇（1963—），男，四川廣安人，高級(jí)工程師。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化高電壓技術(shù)。