配電站智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陳 丹，傅中君，柳益君，趙小榮，蔣紅芬

(江蘇理工學(xué)院 計算機工程學(xué)院，常州市云計算與智能信息處理重點實驗室，江蘇 常州 213001)

0 引 言

現(xiàn)代社會對電能的依賴性越來越高，對供電設(shè)備可靠性提出了更高要求[1-2]。配電站作為電網(wǎng)的末端，上連變電站，下連各種用電設(shè)備，不斷改變著生產(chǎn)方式和生活方式，配電站的安全正常工作關(guān)系到千家萬戶的日常生活[3]。電站特殊的建筑要求作為配電自動化、配電網(wǎng)智能化的支撐節(jié)點，配電站、開關(guān)站的智能化建設(shè)至關(guān)重要。但是，由于配電站分布廣、數(shù)量大，又面臨諸如安防、消防、環(huán)境等問題，若缺乏監(jiān)控手段，不能及時消除隱患將導(dǎo)致停電事故，社會影響重大。電力供應(yīng)中斷感知等監(jiān)控方法受到關(guān)注[4-5]。對配電站內(nèi)各類電氣設(shè)備進行實時監(jiān)控，做出早期預(yù)警，不僅可以減少運行與維護成本，而且能夠有效提高電氣設(shè)備的運行可靠性。配電公司需要從目前的管理控制系統(tǒng)向全自動轉(zhuǎn)變[6]。

本文結(jié)合“云、物、移、大、智”等技術(shù)，研發(fā)了配電站智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)，增加了局放監(jiān)測、電纜分布式光纖測溫、樁頭無線測溫、視頻監(jiān)控等新功能，并按照新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建成投運了一批配電站，系統(tǒng)平臺更加穩(wěn)定強大，用戶使用體驗也更加良好。

1 系統(tǒng)子站設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)M2M實現(xiàn)了機器(Machine)、人(Man)及移動(Mobile)網(wǎng)絡(luò)之間的信息全面共享與互通[7]。目前被業(yè)界廣泛認(rèn)可的物聯(lián)網(wǎng)框架體系為4層架構(gòu)，包括感知層、傳輸層、處理層和應(yīng)用層用于配電站、開關(guān)站的系統(tǒng)子站，采用模塊化設(shè)計理念，由監(jiān)控主機、傳感器、控制器、動力設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)通信和交換設(shè)備等，通過485總線、無線網(wǎng)和以太網(wǎng)構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。子站主要設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)子站主要功能框圖如圖2所示。

圖1 子站主要設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)子站主要功能框圖

門禁系統(tǒng)由電控鎖+磁力鎖的兩把鎖構(gòu)成，其中電控鎖開鎖壽命>50 000次。采用經(jīng)授權(quán)CPU卡刷卡開門，遠(yuǎn)程遙控開門。該模式對機械鑰匙遺失、施工隊配鑰匙等情況可以有效防控；另外，CPU卡不可復(fù)制，卡片權(quán)限可分區(qū)和設(shè)置有效工作時間段，遺失或者過期，也能有效管控。在基本功能基礎(chǔ)上，可以增加了紅外對射探測、觸發(fā)攝像機抓拍功能，不管人員是從大門正常進入還是非法闖入，都會被抓拍，照片都會與門禁記錄、報警記錄等一同保存?zhèn)洳椤?/p>

動力環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)運用先進的傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)，貼合現(xiàn)實地區(qū)實際情況，保證系統(tǒng)的實用性、可靠性、技術(shù)先進性等方面具備一定前瞻性。動力環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)主要由采集網(wǎng)關(guān)、雙鑒防盜變送器、SF6傳感器、煙霧探測器、溫濕度傳感器、水浸探測器，其中采集網(wǎng)關(guān)預(yù)留SF6監(jiān)控主機數(shù)據(jù)接入接口。其中：

(1)雙鑒防盜變送器采用紅外+微波的雙鑒原理，探測距離可達(dá)8～10m，增加系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)多普勒原理，雙鑒傳感器發(fā)出無線電波，當(dāng)無線電波在傳輸過程中感知到人或物體會被反射，反射波的頻率會隨所感知的人或物體移動狀態(tài)變化而變化，從而被傳感器感知[8]。

(2)SF6傳感器分兩種：B-35型SF6氣體、氧氣體變送器，內(nèi)含SF6氣體傳感器和氧氣體傳感器，檢測環(huán)境中SF6氣體和氧氣含量，采集數(shù)據(jù)，直接傳送至系統(tǒng)主機進行顯示、分析、處理；SB-65型SF6氣體、氧氣體變送器，該型號變送器基于高精度激光紅外檢測技術(shù)，采用單光束雙波長、模擬信號輸出、零點和滿程跳線校準(zhǔn)、擴散式測量方式，具有測量精度高、抗干擾性強等特點，檢測范圍可達(dá)(0～1)×10-3。當(dāng)設(shè)備線路老化或設(shè)備電路故障，燃燒產(chǎn)生的煙霧彌漫聚集到天花板，煙霧探測器會及時報警通知運維人員，可降低損失。

(3)溫濕度傳感器分為內(nèi)溫和外溫兩種形式，根據(jù)溫濕度檢測情況，可聯(lián)動風(fēng)機、空調(diào)等動力設(shè)備。屋頂水浸監(jiān)測，可定制水浸探測靈敏度，由感應(yīng)線S型黏附在內(nèi)屋頂表面，檢測站所滲漏水情況。

(4)水浸探測器可分為3級，用于告警和啟停水泵抽水等。

視頻監(jiān)控主要設(shè)備為槍機攝像頭和高清紅外球形機，一般都采用網(wǎng)絡(luò)高清制式，支持紅外夜視模式。視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用IP網(wǎng)絡(luò)攝像機及網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(NVR)組網(wǎng)的方式，固定槍機安裝于出入口，重點監(jiān)控人員出入情況，槍機、球機安裝于室內(nèi)主要設(shè)備附近，用于監(jiān)控人員的作業(yè)情況以及設(shè)備運行情況。由于單個球機或槍機鏡頭范圍有限，無法看清被監(jiān)測區(qū)域的全貌，故可采用有多個鏡頭組成的全景攝像機，提供三維立體高清實時畫面(亦可8分畫面展示)，并支持3D操作。用戶可通過鼠標(biāo)操作快速選擇任意監(jiān)控角度，并且可以控制監(jiān)控角度的旋轉(zhuǎn)、放大和縮小，以實現(xiàn)無死角監(jiān)控，一般吊裝于被監(jiān)測區(qū)域的中央。

動力設(shè)備包括不銹鋼低噪音軸流風(fēng)機、除濕機和空調(diào)。這些都是配電房的標(biāo)配，它們可與監(jiān)測到溫濕度聯(lián)動，也可以遠(yuǎn)程和就地控制。其中，空調(diào)不僅可以進行啟?？刂?，還可以進行模式切換等操作。還有基于半導(dǎo)體制冷原理研發(fā)的應(yīng)用于開關(guān)柜、端子箱等柜內(nèi)除濕的電子式除濕器。

局放監(jiān)測主要應(yīng)用于站內(nèi)的變壓器柜、開關(guān)柜和配電電纜等，監(jiān)測原理是檢測高頻脈沖電流，核心原件是鉗式高頻CT，套接與進柜的配電電纜外表面地線上，感應(yīng)主設(shè)備放電電流。另一個核心部件是采集器，將放電檢測信號做AD轉(zhuǎn)換，在通過總線方式，將每個檢測點的信息匯入輔助系統(tǒng)。局放采集系統(tǒng)組成原理圖如圖3所示。開關(guān)柜內(nèi)母排搭接樁頭、電纜搭接樁頭都是易發(fā)熱部位，可采用無源無線測溫技術(shù)進行監(jiān)測，包括測溫傳感器和監(jiān)測主機。柜內(nèi)內(nèi)置電池的無線測溫傳感器，主機通過無線技術(shù)采集各無線測 溫傳感器溫度，匯總后通過以太網(wǎng)上傳平臺。配電電纜的接頭處也經(jīng)常需要重點關(guān)注的故障點，采用基于拉曼原理[9-10]的分布式光纖測溫原理，對配電電纜進行全程測溫，核心部件包括測溫主機和感溫電纜。測溫主機布置于監(jiān)控屏柜，內(nèi)置核心檢測算法和軟件，感溫光纖附著于電纜表面。

圖3 局放采集系統(tǒng)組成原理圖

2 系統(tǒng)主站設(shè)計

配電站智能監(jiān)控系統(tǒng)橫向通過與站內(nèi)一、二次設(shè)備和輔助設(shè)施的信息集成，實現(xiàn)對開關(guān)站、配電室設(shè)備及運行環(huán)境的全面監(jiān)控；縱向?qū)崿F(xiàn)上級應(yīng)用系統(tǒng)對輔助設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制及管理。配電站智能監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接圖如圖4所示，整套系統(tǒng)由主站系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、子站系統(tǒng)等組成。

圖4 配電站智能監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接圖

本系統(tǒng)采用2級組網(wǎng)，所有數(shù)據(jù)都先匯聚到地區(qū)級主站，再按權(quán)限分發(fā)到各集控、巡檢中心，保證了地區(qū)級主站的絕對控制權(quán)，再由權(quán)限分配的方式由各集控、巡檢中心獲取相關(guān)站點數(shù)據(jù)。

智能綜合監(jiān)控主站采用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的建設(shè)方案，以視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控為主，多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)，結(jié)合智能分析功能[11-13]，建設(shè)智能化居住區(qū)開關(guān)站、配電站智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)，滿足電力運檢人員工作需要。系統(tǒng)能提供標(biāo)準(zhǔn)軟件接口，即支持二次開發(fā)，兼容性強。系統(tǒng)主站有以下主要功能。

(1)信息采集功能。包括：現(xiàn)場各類傳感器(門禁控制、防盜報警、火災(zāi)報警、水浸報警、溫度濕度監(jiān)測、照明等)、視頻探頭的監(jiān)測參數(shù)、圖像和動力設(shè)備運行狀況，收集事件記錄和告警信息等。

(2)控制功能。包括：對門禁、風(fēng)機、空調(diào)、除濕機、水泵、照明等動力設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，遠(yuǎn)程防盜報警的布防撤防操作功能，攝像機的云臺控制和預(yù)置位調(diào)用功能等。

(3)聯(lián)動功能。包括：① 聯(lián)動設(shè)備。配置門禁控制，風(fēng)機的啟停，空調(diào)的啟停，除濕器的啟停，水泵的啟停；② 聯(lián)動條件。配置啟用站內(nèi)重要設(shè)備告警信息、越限信息等、開關(guān)刀閘等設(shè)備變位信息；③ 聯(lián)動配置管理。聯(lián)動優(yōu)先級處理、聯(lián)動過程及結(jié)果的展示與記錄。

(4)告警處理功能。包括：告警信息分級處理及展示功能，告警級別設(shè)定，告警的人工抑制功能，告警記錄保存管理，如報警信息不得丟失和誤報、告警信息應(yīng)有時標(biāo)、精確到秒級等。

(5)實時展示功能。包括：支持配電站各類型數(shù)據(jù)、圖像視頻信息、告警記錄、事件記錄，以多種形式進行展示。① 支持以平面、接線圖、列表等多種畫面展示設(shè)備運行狀態(tài)、告警信息、模擬量數(shù)據(jù)等；② 支持在畫面上直接控制可控的輔助設(shè)備；③ 支持以曲線、棒圖、餅圖等方式展示模擬量數(shù)據(jù)；④ 支持告警聯(lián)動、操作聯(lián)動的展示；⑤ 以多畫面的方式展示實時視頻；⑥ 支持對實時視頻的本地錄像和抓圖功能；⑦ 支持視頻輪巡顯示功能。

(6)對時功能。包括：主站系統(tǒng)應(yīng)對各子站進行統(tǒng)一受時和對時，確保全網(wǎng)時間統(tǒng)一。主站對子站采用NTP或SNTP方式接受時間同步設(shè)備對時信息；子站監(jiān)控主機可對各輔助設(shè)備統(tǒng)一對時；時間同步準(zhǔn)確應(yīng)優(yōu)于1 s。

(7)數(shù)據(jù)存儲功能。包括：各類型數(shù)據(jù)、圖像視頻信息、告警記錄、事件記錄，以多種形式進行后臺存儲，便于調(diào)用。包括：① 存儲系統(tǒng)配置參數(shù)信息；② 存儲用戶及權(quán)限信息；③ 存儲輔助設(shè)備模型信息；④ 存儲告警及操作聯(lián)動配置信息；⑤ 存儲采集的模擬量數(shù)據(jù)，存儲周期可調(diào)；⑥ 存儲輔助設(shè)備運行工況及告警信息；⑦ 存儲告警及操作聯(lián)動產(chǎn)生的事件、抓圖、視頻等信息。

(8)電子地圖。功能：電子地圖數(shù)據(jù)是地圖導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，電子地圖數(shù)據(jù)規(guī)模龐大，集成度較高，集成了城市及道路的各種信息，包括道路交通信息、道路設(shè)施信息等信息[14]。電子地圖興趣點直觀有效地反映了各類城市要素的集聚狀況[15]。電子地圖主要是將接入系統(tǒng)的子站在電子地圖上進行布點和關(guān)聯(lián)，便于站所地理信息的查詢和展示。包括：① 主站系統(tǒng)與全市電子地圖結(jié)合，在電子地圖上顯示現(xiàn)實所有接入系統(tǒng)(站所)地理位置，所在站所有告警觸發(fā)時地圖閃爍提示；② 支持放大、縮小地圖圖片，支持重新加載最新的地圖；③ 雙擊地圖上的配電站、開關(guān)站，進入該子站監(jiān)控界面；④ 加載地圖：從目錄樹上選擇一個居住區(qū)，從本地加載已保存的居住區(qū)地圖圖片和設(shè)備；選擇不同居住區(qū)，切換到不同地圖；⑤ 從地圖上新增或刪除配電站、開關(guān)站。

(9)歷史數(shù)據(jù)查詢。功能：對站所各種類型數(shù)據(jù)、圖像的歷史數(shù)據(jù)進行查詢或者回放。包括：以時間、設(shè)備等組合查詢條件對歷史記錄數(shù)據(jù)進行綜合查詢及展示；支持曲線方式展示查詢的采集的模擬量數(shù)據(jù)；支持以事件為線索檢索和回放聯(lián)動的視頻錄像，回放過程中支持播放、暫停、停止、快放、慢放、拖放、抓拍等控制功能。

(10)報表功能和平臺管理管理功能。支持的報表類型包括日報、周報、月報、季報、年報以及自定義報表，支持對所定義報表的調(diào)用、顯示及打印等功能。平臺管理功能主要是用戶權(quán)限配置管理、站所設(shè)備配置、告警配置、聯(lián)動配置等。主要包括：用戶及權(quán)限管理、輔助設(shè)備的接入管理、輔助設(shè)備配置參數(shù)管理、信息建模管理、告警配置管理、聯(lián)動關(guān)系配置及展示管理、矢量圖形繪制及管理。

3 系統(tǒng)主站實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)主站硬件配置

主站系統(tǒng)主要由綜合服務(wù)器、視頻服務(wù)器、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機、存儲單元、網(wǎng)絡(luò)交換機、監(jiān)控工作站、監(jiān)控大屏，以及必要的安全防護設(shè)備等組成。

(1)綜合服務(wù)器。負(fù)責(zé)采集各子站監(jiān)控主機匯集的輔助設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、處理，實現(xiàn)輔助設(shè)備的運行監(jiān)視、操作與控制、信息綜合分析及告警。

(2)視頻服務(wù)器。負(fù)責(zé)對各子站視頻信息的采集、處理，實現(xiàn)對各視頻設(shè)備的運行監(jiān)視、操作與控制、信息綜合分析及告警。

(3)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機。實現(xiàn)向上級應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，接收上級應(yīng)用系統(tǒng)對輔助設(shè)備的操作控制及信息查詢等功能。

(4)存儲單元。實現(xiàn)配置參數(shù)、告警視頻、輔助數(shù)據(jù)等各類數(shù)據(jù)存儲功能。

(5)監(jiān)控工作站。實現(xiàn)輔助監(jiān)控系統(tǒng)站內(nèi)運行監(jiān)、操作控制，具備事件記錄及告警顯示查詢、具備設(shè)備狀態(tài)及參數(shù)查詢、具備系統(tǒng)配置維護和管理功能。

(6)監(jiān)控大屏。主要解決多路信號的集中、直觀、準(zhǔn)確、及時的控制顯示，實現(xiàn)在同一平臺上實時輔助信號和視頻圖像的混合顯示，監(jiān)控中心的重要組成部分。

3.2 系統(tǒng)主站軟件

主站軟件結(jié)構(gòu)分為平臺層、中間層和應(yīng)用層。平臺層主要以Windows/Unix操作系統(tǒng)、TCP/IP等網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議通過軟總線、通信中間件軟件、數(shù)據(jù)庫與中間層連接;中間層包括前置服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、視頻服務(wù)器等；應(yīng)用層面向用戶，實現(xiàn)配電站智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)所有的應(yīng)用功能。主站軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.3 系統(tǒng)主站實現(xiàn)平臺

系統(tǒng)主站平臺基于B/S架構(gòu)的Web后臺，簡單來說，就是主站服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫匯聚到各子站的信息，用戶通過Web網(wǎng)頁，輸入網(wǎng)址、賬號和密碼，登陸管理后臺，進行站所監(jiān)控操作。目前，云計算越來越普遍，且開源云計算平臺巳經(jīng)被廣泛應(yīng)用[16]。站所信息通過無線4G網(wǎng)送阿里云服務(wù)器，管理人員通過賬號密碼登錄管理后臺。

圖5 主站軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

另外，同步開發(fā)了手機端APP，包括蘋果和安卓兩個平臺。APP支持站點位置查詢，站點狀態(tài)、設(shè)備及視頻實時查看，站點環(huán)境實時顯示，遠(yuǎn)程操作等功能。系統(tǒng)主站實現(xiàn)平臺如圖6所示，包括PC端Web網(wǎng)頁平臺和手機端APP平臺。

通信方式目前主要分為電力內(nèi)網(wǎng)、Internet(俗稱外網(wǎng)或者公網(wǎng))、外網(wǎng)轉(zhuǎn)內(nèi)網(wǎng)、租用運營商的專網(wǎng)方式。例如南京浦口配電智能監(jiān)控系統(tǒng)采用外網(wǎng)方式租用運營商無線網(wǎng)絡(luò)，信息安全方面需要有相關(guān)安全技術(shù)提供保障；江陰地區(qū)配電綜合監(jiān)控系統(tǒng)租用的專網(wǎng)是由移動提供的，信息安全有保證，投資小，組網(wǎng)便捷。

(a) PC端Web網(wǎng)頁平臺(b) 手機端APP平臺

圖6 系統(tǒng)主站實現(xiàn)平臺圖

4 結(jié) 語

隨著電子信息技術(shù)和嵌入式應(yīng)用的發(fā)展，對智能控制系統(tǒng)的要求越來越高，安全可靠、功能豐富、響應(yīng)及時、使用方便、界面人性化等因素都被列入考慮范圍。本文從智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)子站和主站設(shè)計出發(fā)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種配電站智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種用于配電站控制的智能設(shè)備，技術(shù)先進、系統(tǒng)實用、結(jié)構(gòu)合理、產(chǎn)品主流、低成本、低維護量以及具備良好的可擴展性。配電站智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)可以充分利用其綜合功能和資源，提高電力系統(tǒng)配電站自動化程度，在電力安全管理和生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮了不可或缺的作用。