電網設備狀態在線監控系統的研究

高 源，張振宇，羅 翔，李吉昌，陳張建

(1.國網福建省電力有限公司電力科學研究院，福建 福州 350007；2.積成電子股份有限公司，山東 濟南 250100)

隨著信息技術的飛速發展，各類自動化、智能化的電氣設備隨之誕生，并被廣泛應用在電力系統中，大大提升了工作效率，但同時也帶來了新的挑戰，傳統依靠工作經驗進行電網運行狀態監控分析的方法技術已經無法滿足大電網智能化運行以及集中調控發展的需求[1－3]。采用智能化、系統化的方式對電網設備進行實時監控，并充分應用大數據對所產生的信息進行高效匯集和智能分析，這對提高工作效率，降低運行風險，更好地適應電網大運行體系建設的需求有著重要意義[4－6]。

國內外研究學者對于電網信息監控技術展開大量研究。文獻[7]提出了合理地設計調度自動化系統并應用各種自動化設備對電網系統進行實時負荷監控，及時掌握電網實時狀況對各種故障情況進行及時的處理，對提升調度系統自動化性能的重要性。文獻[8]分析了信號監控工作從單點監視轉向綜合化智能化監控方向發展的大趨勢，說明了運用綜合智能分析技術建立設備快速建模、信號自動驗收及故障綜合分析消除等輔助功能的必要性。文獻[9]對浙江電網的電氣設備集中監控信息分析系統進行介紹，分析了系統的總體結構、采用的算法以及所用各類監控信息分析模塊，證實了監控系統能夠為監控員提供相應的輔助決策，為電網的安全運行提供保障。文獻[10－11]提出了一種基于ZigBee 網絡的電網設備故障高精度遠程視頻監控系統，在下層數據傳感層的搭建上應用了CC2530－F256 作為ZigBee 網絡的射頻芯片，在通信網絡層的搭建上應用了通用分組無線服務技術和4G 網絡通信技術，而對頂層數據存儲層則使用關系型數據，系統的高效運作能力證明了所提方案的正確性。文獻[13]將圖像視頻分析方法應用在對動態目標進行識別以及對災害的類型進行分類上，實驗結果證明了該方法在監控災情維護安防的重要意義。文獻[14]介紹了一種應用于數字化變電站的保護與視頻系統的聯動控制方法，根據攝像機安裝配置信息和變電站系統配置描述文件建立攝像機與關聯二次設備的對應關系，以實時掌握變電站繼電保護裝置的動作狀態，進而對其進行有目的性的視頻監控，達到聯動控制的目標。文獻[15]介紹調控一體模式下地區電網調控中心設備監控標準化管理體系的建設思路、電網監控信號的精益化、規范化管理方法以及監控業務閉環管理的具體實施。文獻[16]通過分析目前電網統一視頻監控平臺在業務架構、應用架構、集成架構、安全架構等4 部分性能提升方面的需求，提出了電網統一視頻監控平臺體系架構全面深化的方向。

基于上述研究工作，本文針對目前地區電網調控一體化模式下存在的問題及需求進行分析與總結，對已有的智能電網調度系統平臺進行完善，擴展了電網設備視頻監控功能，通過對電網設備狀態在線監控系統的總體框架結構以及軟硬件配置進行設計，以解決傳統電網人工操作工作量大、時效性差、效率低等問題，并增強系統的信息綜合處理能力。

1 電網設備狀態在線監控系統的現狀及需求分析

1.1 電網設備運營現狀

截止目前，各省調控中心所使用電氣設備監控攝像機主要以模擬視頻監控方式為主，高清網絡攝像機所占比例不足，通常僅能對監控區域的大體環境進行監視，無法對放大設備進行聚焦，且存在圖像像素較低、監控視角固定等缺陷。此外，智能電網調控平臺所使用的視頻監控系統，主要由調控中心主計算機、視頻矩陣、網絡通道和視頻攝像設備等構成，該系統視頻監控系統是一款常規的視頻監控軟件，能基本實現實時的視頻預覽、錄像回放、本地抓圖、本地錄像等視頻功能。但該平臺的主要功能是實現對攝像機的集中管理，仍存在監控區域范圍狹隘、監控視角固定的問題，若調控人員要對某一特定電氣設備進行狀態監測，則需要先找到該電氣設備所歸屬區域的監控攝像頭，再經過監控視角調整以及聚焦、變倍等復雜繁瑣的操作步驟，執行效率低下，無法滿足大電網在實際調度運行操作過程對電氣設備的監控需求[17]。

此外，對于起到網架支撐作用的高電壓等級變電站，傳統電力人員的運行值班模式一般采用三班倒方式，以實現對變電站內設備的全天候連續監視。而如今開始逐步推廣無人值守的運行模式之后，常規變電站不再安排守站人員，而將站內設備的監控管理任務交給調控中心負責，由調控中心對所管轄區域進行日常的巡視和運維。但這種模式也存在一定的安全隱患[18]:

(1)盜竊災情防范問題:傳統預防電氣設備發生火災或是盜竊，主要依靠運行值班人員的日常巡視，以及變電站周邊所裝設的電子圍欄和火災感應裝置。在實施無人值守模式后，對設備的防盜防災能力受到了一定的限制。

(2)操作準確性:當調控中心進行遠方開關的分合閘操作時，按照規定，每次操作后都需要確認所執行操作確實到位。在無人值守模式下，調控中心只能憑借三遙功能所反饋的信息對操作狀態進行確認。當反饋的信息出現錯誤時，便不能及時發現錯誤進而可能導致遙控操作失誤情況的發生。

(3)安全監察:據統計，因操作人員不嚴格遵守安全規程進行電氣操作而引起的電力安全事故所占比例極大。在實施無人值守模式后，人員的數量有所下降，這將進一步削弱了對安全監察工作的管控。

(4)事故處理的時效性:對于電壓等級較高的變電站，通常處在路途遙遠的郊區地帶，在實施無人值守模式后，增加了運維人員趕到變電站對事故的處理時間，造成電網長時間的運行風險。

(5)惡劣天氣:在惡劣天氣下，需要運維人員對相應電氣設備進行特殊巡檢，在實施無人值守模式后，運維人員難以及時了解電氣設備的實時狀態，無法對電氣設備安全隱患進行預檢。

綜上所述，為了滿足無人值守模式以及調控一體化發展模式的需求，應對調控中心現有的視頻監控系統進行升級改造，建設滿足大電網對電氣設備進行遠程、全面、實時監控與管理的需求。

1.2 設備狀態在線監控系統的功能需求

結合上述對無人值守和調控一體化模式下電網運營現狀以及安全隱患的分析，要求電氣設備狀態實時監控系統應具備以下功能:

(1)數據的采集與記錄

電網設備狀態在線監測系統應能夠采集設備的模擬量信息、狀態量信息及事件信息，并對所采集的數據進行展示和修改。基于調度運行管理系統(Operation Management System，OMS)及其相連數據庫系統，搭建電氣設備狀態的初始信息數據庫，采集所需要的電氣設備全部數據信息，并通過OMS 平臺的任務調度服務實現對數據的定期更新。其中，在對數據進行更新處理時，需要對監測過程中產生的異常數據、錯誤數據等無效信息進行自動濾除，即無效數據將無法被傳輸至D5000 智能調控平臺進行顯示[19]。

(2)監測數據的查詢與展示

系統應能對監測裝置的運行工況與告警信息、被監測電氣設備的數據與告警信息等進行展示，能夠在OMS 系統中直觀地顯示最新的遙測數據，如網頁、表格等；能夠提供遙測信息的自主選配展示功能，使用戶能夠根據自身需求，對指定地區的廠站以及線路進行選擇性的查看。此外，對于告警窗口，除能夠提供基本的告警信息實時展示功能外，還應具備聲音報警、信息確認、已處理報文信息歸類等功能，方便監控人員操作。

(3)告警信息的加工處理

設備監控系統應能對告警信息進行查詢、抑制處理以及閥值維護等操作。其中，告警信息的查詢功能能夠根據用戶需求提供多種查詢篩選條件，并提供數據導出和自動排序功能，導出格式至少支持EXCEL 格式；告警信息的抑制處理功能能夠在監測裝置產生異常數據時，對異常告警數據進行人工抑制操作，使其所生成的異常告警信息不再輸送至D5000 智能電網調度系統平臺；告警信息的閥值維護功能能夠根據用戶的需求對不同類型的監測裝置設置不同的閥值。

2 電網設備狀態在線監控系統總體框架設計

電網設備狀態在線監控系統應按照“四個統一”的信息化建設標準來進行建設，即:確保系統所應用技術的成熟性，系統自身的統一性、規范性和兼容性，還有其他系統進行交流的協同性[20]。

2.1 總體框架設計

本文以現有的D5000 智能電網調度系統平臺為基礎，使用當前的設備監測系統服務器，對原有系統數據進行配置升級，建立電網設備狀態在線監控子系統，實現對電網設備視頻監控功能的擴展和完善。

電網設備狀態在線監控系統的功能架構圖如圖1 所示。首先，通過電氣設備狀態在線監控系統進行數據采集，將采集到的信息存入原始數據庫中，OMS 系統根據需要對原始數據信息進行處理，實現對遙測信息的分層分區綜合展示、歷史數據的條件化搜索及統計、異常告警信息的加工處理、用戶權限的限制約束等功能，基于B/S 瀏覽器模式為客戶端用戶提供瀏覽窗口。在線監控系統監測到的全部告警信息經由OMS 系統處理后生成報文推送至省調I區D5000 智能調控平臺，若是地調所負責管轄的區域，則通過FTP 連接從省調I 區調取相關信息，電網設備狀態在線監控系統的所有異常信息報文告警、語音告警、操作信息確認以及通用信息搜索功能均通過D5000 智能調控平臺實現。

圖1 系統的功能架構圖

2.2 系統的硬件結構配置

如圖2 所示，為電網設備狀態在線監控系統的拓撲結構圖。由于現有的監測設備無法滿足需求，因此需要對主要硬件設備進行選型，對監控攝像設備進行整體的升級改造，并增強對監控薄弱點的部署，實現對各類電氣設備的全面覆蓋，確保攝像機能夠監視到所有設備的分合閘狀態信息。

圖2 系統的拓撲結構圖

(1)攝像機

本文選擇配置具備紅外功能的高清網絡攝像機進行實時監控，其具有清晰度高、監控范圍廣的特點，能夠對被監控設備進行精準的識別，并作出分析和診斷。由于其監控區域面較大，能夠降低所需安裝的攝像機數量，且易于管理，進而節約成本。該高清網絡攝像機的詳細參數配置如下:

(a)具有720p 及以上的畫面分辨率；(b)采用吸頂式安裝方式，設備外觀為球形結構，能夠實現全天無間斷動態全覆蓋監控；(c)防護等級高，具備完全防塵和對高壓噴水的防護能力；(d)能在惡劣工作環境下進行高清監視，如:低能見度狀態、采光較差的環境等；(e)含有BNC 接口，易于進行附加功能的擴展；(f)使用光纖收發器進行光電轉換，信號傳輸容量大、距離遠[21]。

(2)視頻處理模塊

在對前端攝像機進行統一管理、存儲、編碼以及解碼操作時，需要用到視頻處理模塊。本文選擇網絡型視頻處理設備，不僅僅能實時監控新接入的監控設備，還能夠對高清視頻進行編解碼和存儲。當監控到異常情況時，該網絡型視頻處理設備能夠接收告警信息，并以視頻形式進行展示，提醒工作人員及時進行處理。

(3)存儲模塊

電網設備實行全天候不間斷視頻監控錄像，同時要求歷史存儲錄像信息在一定時間內不被覆蓋。因此，以錄像存儲周期為30 d×24 h 進行設備選型。已知視頻數據碼流是決定視頻占用存儲空間量大小的重要指標，表1 給出了不同存儲時間下，三種常用視頻碼流存儲容量估算表(單位:GB)，其中存儲容量＝視頻碼流×存儲天數×24 h×3 600 s/8/1 024[22]。

表1 視頻碼流存儲容量估算表

綜合考慮存儲空間和圖像效果的影響，本文采用HD720P 型存儲設備，分布式存儲，總存儲容量約為202 TB。

2.3 系統的軟件結構配置

電網設備狀態在線監控系統基于RT21 平臺進行開發，選擇分層式、模塊化的組織架構進行構建，盡可能全面地滿足用戶需求。系統不但能夠實現電網設備的實時監控，還具備了對門禁管理、環境監測、消防預警等功多項能，其能夠與D5000 智能電網調度平臺進行互聯，系統的軟件配置情況如圖3所示[23]。應用模塊層的重要組成成分有:視頻監控、門禁管理、環境監控、消防報警、聯動控制等，各個模塊之間互不干涉，能夠獨立地完成各自的邏輯控制以及信息數據處理任務。平臺模塊層提供了圖形、權限、安全、報表、接口管理以及歷史、實時數據庫等功能模塊，提供了規范統一、安全可靠且易操作的應用開發接口，能夠按照不同的工作需要，并可以通過腳本語言進行邏輯配置實現。

圖3 系統的軟件結構圖

在線監控系統基于各子系統所采集到的數據信息，進一步作出分析診斷和聯動處理，以對電網設備進行主動監控。此外，在線監控系統將地理平面圖與電氣一次接線圖相融合，以電氣設備為目標進行視頻監控，使得系統操作起來更加直觀便捷，滿足電力系統生產和運維的需求。

3 主要功能設計及應用展示

電網設備狀態在線監控系統對各類電氣設備進行遠程輔助監控，通過融合視頻監控、門禁管理、環境監測、周界安防、火災報警等多個功能以對監控數據信息和資源進行共享，實現輔助監控系統的集中管控和維護。

3.1 視頻監控功能

電網設備狀態在線監控系統對電氣設備進行實時視頻監視，支持對云臺全方位的轉動，能夠調整云臺轉動速度，調節開關雨刮以及輔助燈光。如圖4所示，為實時視頻監控界面。在線監控系統基于電力系統一次接線圖，將原始的樹狀結構菜單與目前廣泛使用的電子地圖結合在一起對監控畫面進行展示，使得操作界面更加簡單直觀。

圖4 實時視頻監控界面

此外，系統具備聯動視頻彈窗和視頻監控錄像資料的回放功能，監控中心可以及時收到監控異常數據信息，并在告警彈窗中對監控視頻進行查看，系統具備視頻錄像節選以及連續截圖等功能，便于安全監察部門對事故圖像進行存儲調用和回放核實，如圖5 所示。

圖5 視頻監控及聯動信息展示

3.2 環境監測功能

電網設備狀態在線監控系統具備對環境監測等功能，如圖6 所示，為環境實時監測界面。當在線監控系統通過所裝設的溫度傳感器、風力傳感器等傳感設備監測到環境異常時，調控中心可以及時、準確地收到現場的異常信息的詳細數據，并以獨立的告警窗口對現場異常畫面進行顯示。此外，在線監控系統的環境監控功能還提出了對風機以及燈光等設備的遠程控制功能。

圖6 環境實時監測界面

3.3 消防報警功能

電網設備狀態在線監控系統支持對報警優先級、報警類型的自定義，能夠通過電氣一次接線圖直接調取對應設備視頻畫面，實現設備視頻畫面定位功能，使對一次設備的視頻監控便捷、直觀。如圖7所示，為消防報警監控界面。在線監控系統通過接收從管轄區域所裝設的煙霧報警器、火災感應器以及手動按鈕動作信號所傳來的數據信息，實現對管轄區域的異常狀態監控，并以獨立的告警窗口對現場出現的火災、煙霧狀況進行顯示。

圖7 消防報警監控界面

3.4 門禁管理功能

電網設備狀態在線監控系統支持用戶的添加、刪除、修改操作，支持用戶密碼的設置、修改以及功能權限的設置，能夠對不同角色進行不同操作權限的設置，確保用戶不能進行越權操作訪問。如圖8所示，為門禁管理界面展示圖。在線監控系統通過門禁卡傳感器、密碼口令認證等方式，對進出人員進行安全管理，控制用戶的操作權限，如:負責不同工作的相關工作人員能夠進出的通道序號各不同。

圖8 門禁管理界面展示

3.5 安全防盜功能

電網設備狀態在線監控系統能夠按照調控人員的需求對巡視路線進行人工設定，自動對所設定巡視路線上對應的監控攝像機進行調用，并對這些監控攝像機所拍攝視頻畫面進行統一的存儲記錄。如圖9 所示，為安全防盜監控界面。在線監控系統通過接收從電子圍欄、墻體振動傳感器以及紅外感應燈等監控設備傳來的數據信息，對無人值守變電站進行災情防范和電氣設備的防竊預警。此外，在人員進出的大門設有紅外感應，實現對異常出入行為的報警聯動。

圖9 安全防盜監控界面

4 結語

本文通過對當前調控一體化模式下電網運營狀態以及電氣設備安全隱患進行分析，對現有D5000智能電網調控平臺進行完善，建立了電網設備狀態在線監控系統，通過對監控系統的軟硬件設備進行升級配置，并融合視頻監控、門禁管理、環境監測、周界安防、火災報警等多個功能，實現了對設備監控信息的互通和資源的共享，增強了系統的綜合處理能力，解決了傳統電網人工操作工作量大、時效性差、效率低等問題。