適于大運行模式的變電站輔助控制系統集成設計

魏 勇 楊東海 劉 星 蘇陸軍 馬晨曦

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

變電站是電網的重要基礎節點，通過配置監控系統（SCADA），實現了全站“四遙”及繼電保護信息的監視與控制、信息遠傳，為保障變電站的安全運行發揮了重要作用[1]。除此之外，在變電站還部署視頻監控系統、動力環境監測系統、空調通風系統、給排水系統、火災自動報警及消防系統等輔助生產系統[2-4]，目前這些系統依然是各自獨立、分散的小型自動化裝置，未實現多維度變電站運行及監測信息的智能集成應用，這些零散的信息往往需要耗費變電站運行值班人員更多的精力來關注、理解和處理，導致這些孤立的小系統普遍存在實用化程度不高的問題。隨著國家電網公司大運行模式的深入實踐，通過對原有的變電監控以及運維管理全面的分離，業務一定程度的整合，實現了變電站監控的一體化管控，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“遠程、無人值班”的大運行模式下變電站智能運維管理要求，有必要整合變電站現有的分散安裝配置的輔助生產小系統，構建統一的變電站輔助控制系統。國家電網公司頒布了相應的技術規范[6-7]，明確要求在變電站新建和改造站建設中擯棄原有的分散建設模式，采用統一的變電站輔助控制系統模式，該系統和變電站原有的SCADA 系統協同工作，實現變電站信息的全息監控。

本文將在分析變電站輔助控制系統各子系統業務需求的基礎上，結合相關技術規范要求，本著“數據集成、智能分析、綜合決策、可視操控”的設計理念，進行適于大運行模式下的變電站輔助控制系統一體化集成設計。

1 功能設計

變電站輔助控制系統主要完成：視頻監控、動力環境監控、安全防衛、智能門禁、火災報警及消防等功能，通過對這些變電站輔助功能的整合、優化及管理，運用在線監測、智能預警、聯動控制等技術手段，和變電站SCADA 系統協同工作，共同實現變電站的安全穩定運行。

為實現上述集成型變電站輔助控制系統功能，需要進行下列集成方式功能設計。

1）全景信息收集與建模

高度集成變電站內所有輔助生產小系統，實現對變電站多方位、全天候的狀態監視。通過對不同來源的數據和數據類型進行統一建模、提供標準數據訪問服務，為輔助生產設備及變電站運行環境提供完備的全景信息庫。

2）全景數據共享、集中管理、統一處理

對變電站的所有視頻、環境、安防、人員出入、火災報警、設備狀態、操作記錄等數據信息進行統一存儲、管理，并自動分析處理，生成日志、曲線、報表等，所有信息在監控系統進行一體化綜合展示，并可遠傳到監控中心或運維中心。

3）遠程監視

遠程監視功能以攝像機的遠程輪巡監看方式來代替人員的日常現場巡視。在監視設備外觀的同時，該設備的在線監測數據、狀態信息、周圍環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、巡視人員等相關信息。

4）遠程控制

監控人員在遠方的監控中心通過客戶端或瀏覽器可對變電站的設備進行遠程操作，可遠程啟動或關閉空調、風機、排水系統、燈具、攝像機等設備。

5）智能分析及聯動調控

變電站智能輔助控制系統以“智能調控”為核心，對影響變電站運行的因素進行全方位、多手段的實時聯網監測。通過數據共享和智能分析，自動判斷出各類異常情況，并可靈活實現各輔助生產系統間的協調聯動，消除異常情況造成的影響。智能輔助控制系統可以和變電站SCADA 系統進行標準方式的信息交互，為變電站智能運行調度提供保障。

2 系統結構

集成型變電站輔助控制系統設計采用分層、分區的分布式結構，按省級主站系統、地區級主站系統和站端系統三級構建，各級系統間的信息傳輸采用標準以太網方式。地區級主站集中管理所轄地區的所有變電站的輔助監控信息，同時與省級主站進行信息交互；在省級主站可以集中查看、管理全省所有變電站的運行狀況。網省級主站系統安裝部署于省電力公司監控運維中心，整體結構如圖1所示。

圖1 網省級變電站輔助控制系統結構

安裝部署于變電站內的站端系統主要由系統后臺主機、傳輸設備、綜合數據接入設備、各類輔助生產系統電子設備組成，如圖2所示。

圖2 站端變電站輔助監控系統結構

變電站智能輔助控制系統后臺主機采用X86 架構的嵌入式工業計算機，Linux 操作系統。通過安裝在主機上的監控服務軟件，實現輔助控制系統的所有功能；綜合數據接入設備具有數據采集和協議轉換的功能。該裝置提供多路RS485 接口、4～20mA電流環接口、開關量輸入輸出接口、以太網通信接口，在完成數據采集的同時，將各類信息轉換為IEC 61850 協議。整個系統以后臺主機為核心，完成對各類系統的高度整合。在維持現有各子系統相對獨立運行和自動閉環控制的前提下，后臺主機以標準的IEC 61850 協議和各子系統保持通信，通過與各子系統交互實現對變電站現場視頻及其他各種生產信息的采集、處理、監控。

3 關鍵設計

3.1 網省級大型主站軟件設計

網省級主站軟件系統采用層次化、模塊化的結構和面向對象的設計思想。在數據庫設計方面，采用分布式數據庫技術，提供大容量、高效率數據吞吐訪問；在高速實時數據訪問方面，采用可適應不同網絡環境的流媒體轉發技術，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，方便使用者監視及操控；在數據接口方面，提供C/S、B/S 訪問方式，實現不同廠家的前端系統與其他系統的信息交互。

客戶端軟件完成系統配置、設備控制、實時查看、歷史瀏覽等用戶界面交互功能。前端系統既可以安裝在輔控主機內，也可以安裝在其他的PC 上。

服務軟件完成與外圍設備連接、數據采集、日志記錄、與客戶端通信等核心功能；服務端軟件安裝于輔控主機內，主機啟動后自動運行。

客戶端與服務端可以完全分開單獨安裝在獨立的機器上運行，一個服務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端連接。

3.2 靈活邏輯聯動設計

變電站輔控系統經常需要根據不同外界參量的動態變化來實時地進行各種調節和控制操作，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現，在實際應用過程中發現現場的聯動邏輯千差萬別且在隨時都需要變化，這就導致了原有的輔控系統的邏輯聯動功能不實用，為解決此問題，本系統采用了“聯動邏輯模板+邏輯腳本引擎”技術，解決此問題，即通過預定義（用戶可編輯和擴充）的“聯動邏輯模板”技術實現常見聯動邏輯的快捷實現，通過“邏輯腳本引擎”來實現個性化的、非規則的、復雜的用戶邏輯聯動控制。

智能型變電站輔控系統可實現對每一設備的具體動作都可以設置觸發條件，從而實現系統之間的靈活的、廣泛的聯動邏輯控制，主要包括：

1）當入侵行為觸發報警時，相關攝像機自動凝視侵入目標，并可啟動錄像功能（光線不足時可自動打開燈具）。同時可啟動聲光報警器，監控界面自動推出報警窗口，并配合電子地圖顯示。

2）當水浸監測到電纜溝高液位時，能自動啟動給排水系統。

3）變電站環境量可以設置報警閥值，當溫濕度越限時，監控界面自動給出報警信息，同時自動啟動通風系統、空調系統或者加熱器。

4）SF6發生泄漏時，系統對風機控制器發出排風指令，啟動聲光報警；當有人進入操作室時，紅外監測節點感知到信號，并自動啟動風機。

5）發生火災報警時，聯動相關的視頻監視系統攝像頭，自動推出報警畫面。系統聯動閉鎖空調、風機，防止火災蔓延，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聯動，啟動滅火設備。

6）正常刷卡開門、密碼開門、出門按鈕開門時，調整到相關攝像機的預置位并錄像和（或）拍照，且錄像時間可設；夜間時自動打開相應的燈光，且燈光持續時間可設。非法刷卡、非法密碼開門時，調整相關攝像機的預置位并錄像和（或）拍照，且錄像時間可設；夜間時自動打開相應的燈光，且燈光持續時間可設；同時啟動相應的聲光報警器，且報警持續時間可設。

7）照明控制系統的聯動。照明控制系統與視頻監視系統、火災報警系統、安全防范系統等多個系統實現聯動，實現了夜間和光線照度不夠時提供足夠的光線亮度。

8）與SCADA 系統進行聯動。在操作開關、刀閘或發生事故跳閘時可以聯動周圍的多個攝像機，自動將攝像機對準到相關設備，實現多角度視頻信息的實時監控，并對整個操作過程進行全程錄像。操作后開關刀閘是否到位，可以由系統運用智能視頻分析（IVS）技術，將操作結果返回SCADA 系統，供操作人員參考。

3.3 智能視頻分析設計

智能型變電站輔控系統的視頻監控部分主要負責對全站主要電氣設備、安裝地點及周邊環境進行全天候的視頻監視。除了常規視頻監控外，一般需要對變電站內的多個監控區域進行實時圖像的編解碼和數據傳輸及多窗口視頻圖像展示，數據運算量非常大，輔控主機運算性能不足時容易產生發熱、圖像卡頓、甚至死機等問題，是輔控系統的關鍵技術難點，本系統采用智能視頻分析技術解決上述問題。

本系統采用第三代網絡數字視頻監控技術，以嵌入式網絡視頻錄像機（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，網絡占用帶寬低。采用國際通用的圖像存儲格式進行圖像記錄和存儲，音頻壓縮標準采用ITU-T G.711 標準。視頻信號制式采用符合國家標準的視頻制式（PAL），圖像清晰度在540TVL 以上。同時在輔控系統綜合監控平臺顯示功能中，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。

本系統設計了智能視頻分析功能，通過配置視頻分析服務器，根據命令啟動攝像機預置位，采集監視對象的視頻畫面。可以對“穿越警戒面、進入區域、離開區域、區域入侵、物品拿取放置、徘徊、人員聚集、非法停車、快速移動”等視頻場景進行智能視頻分析，在指定時間內進行數據分析，并進行模型比對，分析結果可以是模型數據、分析圖片或視頻片段。

3.4 可靠性設計

1）防雷。對于支架安裝的攝像機，由于位置較高，可能會受到直擊雷的危害，因此系統設計安裝避雷針。避雷針的架設綜合考慮周邊環境因素，確保視頻監控前端設備（攝像機、終端盒）處于直擊雷防護范圍內。攝像機外殼、攝像機支架及場地終端盒等進行可靠接地，并接入變電站接地系統。為進一步提高系統的抗雷擊能力，除設備設計考慮具備防雷功能外，電源線也設計滿足三級防雷要求，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，采用三合一（電源、視頻、RS485 線纜）防雷器；對于網絡攝像機，采用單相電源防雷器及機架式網絡信號防雷器。

2）抗干擾。變電站易輔助控制系統易受干擾的信號主要包括：視頻信號、控制信號及數字信號。一般干擾信號可通過網線、RS485 通信線、同軸電纜進入系統，本系統的抗干擾設計從以下方面考慮：

（1）系統采用的設備均按工業標準設計，增強抗強電磁干擾能力。

（2）設備采用屏蔽措施增強設備的抗干擾能力，場地終端盒及攝像機采用全金屬外殼，并可靠接地。

（3）設備可靠接地，將工作地和保護地嚴格分開。

（4）傳輸通道采用光纜，光纜的不導電性可有效的避免來自變電站環境的各種電磁干擾、雷擊和浪涌過電壓、操作過電壓及靜電干擾等。

3）電源供電。為保障系統可靠運行，應提高變電站的供電可靠性，具體措施是：

（1）系統監控屏體采用專用220V/50Hz 交流電源回路，不與空調等大負荷用電裝置在同一回路。

（2）變電站場地監控點的電源由監控系統屏集中配送，每路電纜出線和空開上都需有標簽詳細說明，便于維護、檢修。

（3）攝像機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。

4 結論

本文結合現階段國家電網公司三集五大發展戰略背景下對大運行模式的要求，實現了變電站輔助控制系統的集成化設計，高度整合變電站所有輔助生產子系統，除了強調各個子系統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進行信息整合，縱向與網省級主站的信息交互，橫向與變電站自動化系統（SCADA 系統）的信息交互、信息互動，通過大型網省級主站軟件設計、靈活邏輯聯動、智能視頻分析、可靠性設計等方案設計，可滿足大運行模式下對變電站輔助生產系統的運維要求，本系統已在河南電網多個智能變電站自動化系統中得到成功應用，有效提升了變電站的技術及運維管理水平。

[1] 許偉國,杜奇偉,魏勇,等. 110kV 大侶智能變電站自動化系統的設計與應用[J]. 電氣技術,2011(12): 32-36.

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[6] 國家電網公司. 智能變電站輔助系統綜合監控平臺技術規范[Z]. 企業標準.

[7] 國家電網公司. 智能變電站一體化監控系統功能規范[Z]. 企業標準.