基于數據集成的電網全渠道一體化監控系統設計

謝 楓，岳 虎，王 莉，劉曉偉，李雪梅

（1.國網冀北電力有限公司營銷服務中心（計量中心），北京 100045；2.國網冀北電力有限公司，北京 100045）

由于變電所設備陳舊、儀器老化、無人值班，使得監控數據難以遠程傳輸到監控中心，監控中心的工作人員不能正確判斷前端變電站發生的具體情況和事件[1]。極大地降低了整個控制系統的穩定性和安全性，無法及時有效地控制事故的發生[2]。

各種變電所事故頻發，設備陳舊，火災時有發生，給國家財產造成巨大損失，對人民生命構成極大威脅。加之一些變電站使用昂貴的電力設備，偷竊事件屢見不鮮，增加了犯罪事件的發生率。這一切從根本上對電網造成了不良影響，威脅到系統設備的安全運行[3]。

在現有的電力監控系統中，通過獨立的VQC裝置和網絡VQC系統，可以對已發生的異常、故障和事故進行報警和顯示，但不能有效地監控電力系統的安全隱患。基于數據集成的電網綜合監控系統的設計與開發已迫在眉睫，能夠及時發現電力系統的安全隱患和薄弱環節，及時消除安全隱患。電網綜合監控系統大大提高了電力系統運行的安全性和可靠性，為實現用戶高質量用電提供技術保障。

1 監控系統組成

視頻信號經H.264協議壓縮后，可以同時傳輸多個信號。此協議能有效降低對數據通信的占用，采用TCP/positive或UDP協議進行網絡傳輸[4-6]。按照監測系統的類型和特點，將整個系統劃分為配電站、計算機網絡數據傳輸和用戶監測中心三大部分。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構

1.1 現場變電站

采用穩定性高、處理能力強的工控機進行信號的采集、處理和存儲。并配備高頻率CPU用戶大容量硬盤，便于大量的數據傳輸和計算，可長時間連續運行。每個監控點均安裝攝像機來采集視頻信號（由解碼器控制鏡頭聚焦和PTZ控制）[7-8]。變電站的現場監控結構如圖2所示。

圖2 變電站現場監控結構

計算機與報警器通過RS485端口相連，并在控制中心對攝像機和PTZ采集信號進行存儲管理[9-10]。PTZ的攝像機和遙控器由計算機控制，報警裝置連接到控制中心。采用視頻采集卡對攝像機采集的視頻信號進行采集與組織，以高性能視頻采集卡代替原有的視頻采集卡，Video將視頻信號壓縮為H.264視頻數據，并將其存儲在監控中心的計算機中，使得Video更適用于網絡傳輸[11]。

1.2 站端系統

主機房配有監控圖形終端，實現變電站現場監控與視頻聯動[12]。設置環境監控主機，實現網站視頻、語音、環境信息的實時處理、傳輸、存儲等功能。并將所采集的流媒體信息及輔助通信信息同時轉發，作為通信網關。這些視頻使用本地視頻錄制，并存儲于網絡存儲設備或網絡高清視頻服務器(NVR)。影像資料之分辨率不得少于720P(1 280*720)，儲存時間不得少于30天。具備本地手動記錄、定時記錄、報警觸發記錄、屏幕切換檢測記錄等功能，以BMP/JPG格式保存任意播放圖像，能播放任意攝像機的歷史圖像和報警視頻[13-14]。回放方式支持慢動作、正常速度、快速等等。控制樓屋頂安裝風速傳感器，實時監測樓頂風速。當風速過大時，報警裝置將啟動，將報警信息上傳并下達到當地操作站和監控中心的圖形終端，工作站有語音報警提示[15-16]。

1.3 視頻聯動系統

為了達到防錯、監控、視頻的互補與協調的目的，并實現遠程控制操作、現場切換操作、報警視頻聯動等功能，需與監控器生產廠家合作，向防誤系統和遙控視頻監控器發送全部開合狀態，在此過程中，防誤系統必須阻止監控系統的遠程操作。視頻聯動結構如圖3所示。

圖3 視頻聯動結構

1.4 運維站

運維站包括以太網交換機、流式服務器、通信服務器、報警服務器、監控工作站等。為了確保系統的可靠性，服務器同時使用活動和備用冗余配置。流服務器實現音視頻的實時轉發和分發功能，把每個分站的流視頻轉發到多個客戶端。如果需要多個客戶同時訪問視頻數據，服務器就會接收并復制這些數據信息，然后在局域網中重放，使多個客戶同時接收這些數據信息。通信服務端與各變電站的信息處理機進行通信，采集電力環境數據、SCADA數據等，并轉發到監控工作站和控制中心。

報警器處理各種報警信息，分為一般報警、重要報警和緊急報警。應急警報先于重要警報，重要警報先于一般警報。基于用戶的需要，可以設定報警等級。

2 系統功能設計

為了給系統提供更加精準的數據，需采用數據集成方法對電網數據進行歸一化處理，以處理結果為基礎，設計監測報警功能。

2.1 基于數據集成的電網數據歸一化處理

確定電網數據處理對象待評價物元為：

式（1）中：Fj表示評價等級；a1,a2,…,an表示評價等級的n個不同特征；h1j,h2j,…,hnj表示評價等級對應的取值范圍；anj和bnj分別為hnj的取值邊界。

當評價指標實際測試電網數據超過邊界范圍時，為此無法預測其他關聯數據，需要進一步完善評價和規劃目標。根據待評估的事項說明，可得到：

對待評價物元進行規格化處理，可得：

通過歸一化處理后，可將全部數據集成到統一數據傳輸信道內，避免出現監控過程延遲現象。

2.2 監測報警功能

監控系統檢測到火災或非法入侵時，自動發出報警信息，并自動調整攝像機位置，自動記錄故障位置圖像。監控中心工作人員可通過監控系統屏幕，同時發出相應的報警信號，查看相應的報警信息。

2.2.1 報警聯動功能

發生聯機報警信號時，可以執行下列操作：1）自動插入報警點圖像；2）有關區域自動開啟照明系統；3）自開警報，延時關閉；4）自動顯示彈出報警文本對話框，生成并保存報警記錄；5）音效自動提示，經服務生確認后自動靜音；6）自開機相關鏡頭開始錄音報警，延遲關機；7）在同時收到多個警報時，警報彈出框將重疊。

2.2.2 消防報警系統功能

煙氣檢測器實現對室內煙氣的采集，檢測到煙氣時向監控者發出報警信號。

2.2.3 周界圍墻紅外對射報警功能

圍墻上安裝了一個主動紅外線警報，如果這段時間有物體經過，光源就會被阻斷，從而提供一個監控主機的報警信號。周邊警報系統的警報范圍為：1）有人或物體侵入；2）警報裝置損壞。

2.2.4 燈光聯動控制系統功能

監控器必須能實現變電站室內外燈光自動控制和手動控制，前一種采用監控系統的聯動功能，實現照明系統的自動開關和延遲時間；后一種采用手動方式實施。

3 系統運行調試研究

根據系統研發流程，構建的基于數據集成的電網全渠道一體化監控系統需要進行調試研究。

3.1 電網全渠道數據統計

選擇某電力企業2019年電網全渠道運行數據，并以電網監控下一周內的變化情況為基礎，如表1所示。

表1 電網全渠道數據統計

由表1可知：在時間為20:00時，電網渠道數據流通量最大，用戶可通過查看電網全渠道數據來分析電網實際運行情況。

3.2 監控效果對比分析

根據上述統計的全部數據，分析20:00的數據，分別使用獨立VQC裝置、網絡VQC系統和基于數據集成系統分析電網全渠道中數據傳輸情況，結果如圖4所示。

圖4 不同系統在電網全渠道數據傳輸情況對比分析

由圖4可知：在獨立VQC裝置中，電網全渠道的電壓、電流和功率數據不規則排列，十分散亂，且部分數據離開渠道；在網絡VQC系統中，電網全渠道的數據在橫向方向呈不規則排列，但縱向排列十分規整；使用基于數據集成系統橫縱方向數據排列規整。

在上述分析內容下，將3種系統數據監控精準度進行對比分析，結果如表2所示。

表2 3種系統數據監控精準度對比分析

由表2可知：使用基于數據集成系統監控精準度較高，而使用其他兩種系統監控精準度較低。

4 結束語

依據基于數據集成的電網綜合監控系統的設計思想，可以根據各地電網的實際情況靈活地設定監測參數。監管機構對電網進行實時監控，能及時發現電網運行中的安全隱患，并進行關鍵環節的監控和處理，以最大限度地降低電網事故發生率，確保電網運行的可靠性和穩定性。但是，由于時間的關系，還有很多后續的問題需要研究。在系統開發的前期規劃管理過程中，任務的劃分比較粗糙，需要進一步細分；在后續評估過程中，指標體系還不夠完善，評估指標體系還有待進一步完善。