變電站智能輔助控制系統實施方案的探討

王小霞， 劉義博

（三門峽電力設計有限責任公司， 河南 三門峽 472000）

引言

集成應用物聯網、虛擬現實技術在變電站輔助控制系統中，將極大地豐富智能變電站輔助控制系統的內涵，提升智能變電站全站全景全息的信息化水平，實現安防消防監控、環境監控、動力監測、運行輔助、檢修輔助、運行狀態監視、預報警等系統的集成應用和聯動控制、資產管理等功能，提高變電站的智能化水平，可為電網安全運行提供決策技術支撐。

1 基于物聯網技術的智能變電站輔助控制與監測系統概述

1.1 物聯網技術模型的建立

輸變電設備物聯網整體架構分為四個層級：感知層、網絡層、平臺層和應用層。以戶外變電和戶內變電站涉及到的小室為模型，構建物聯網框架模型，綜合論述每個小室的設備布置和功能需求。

1）感知層：主要包含采集上傳站內環境信息的各種傳感器以及執行下行命令的執行終端。傳感器主要包括水浸探測器、水位傳感器、微氣象傳感器、室內溫濕度傳感器、紅外雙鑒探測器、視頻監控攝像機、SF6氣體探測器、感溫電纜、感煙電纜以及煙感探測器、溫感探測器等，執行終端如排風機、水泵、聲光報警器、語音系統等。

2）網絡層：站內傳感器監測到的數據均傳輸至輔助設備控制主機，可經過規約轉換與變電站三維模型系統對接，一種是模擬顯示采集到的環境信息，另一種是直接將采集畫面投射到模型中，方便運維人員快速定位異常告警位置。

3）平臺層：輔助智能控制主機與站內智能巡視主機實現互聯通信，輔助控制系統重要告警信息傳送至站內監控系統。

4）應用層：變電站輔助系統監控平臺、三維展示平臺、自動巡檢系統、圖像智能分析與決策系統通過規約轉換，實現信息融合共享、人機交互、設備環境狀態全面感知、故障快速反應、信息高效處理的便捷功能，為電網安全運行提供決策技術支撐。

1.2 變電站物聯網技術方案設計

以110 kV 及以上電壓等級變電站為例，全站配置1 套輔助設備智能監控系統，對變電站輔助設備進行監視和控制，包括一次設備在線監測子系統、火災消防子系統、安全防衛子系統、動環子系統、智能鎖控子系統以及智能巡視子系統等。

1.2.1 變電站輔助控制系統設備配置

1）一次設備在線監測子系統：主變壓器配置1 臺油中溶解氣體監測器、鐵芯/夾件接地電流在線監測IED；避雷器泄漏電流表計；配電裝置室進線柜、分段柜等電流空氣絕緣開關柜觸頭溫度；主變壓器油面溫度、油位；斷路器絕緣氣體密度表計。

2）圖像監視子系統：全站配置全景攝像機2 臺，根據機位高度對角布置，覆蓋全站場區變化情景。其他設備間如二次設備室、配電裝置室、配電裝置區等均配置球機，室內可掛墻安裝，室外可立桿安裝。按照所監視設備的高度采用匹配的機位。蓄電池室應配置防爆型室內快球。

3）火災告警子系統：變電站內設備間均需配置感煙、感溫探測器。在GIS 室、高壓配電裝置室布置點型高燕火災探測器時，還需考慮梁突出頂棚的影響，數量應符合GB 50116—2013《火災自動報警系統設計規范》。電纜夾層、電纜溝、電纜豎井、電纜橋架等不適宜安裝點型探測器的場所配置纜式線型感溫火災探測器。

4）安全防衛子系統：變電站進站大門處不少于一對紅外對射探測器，圍墻四周可設置電子圍欄或按墻設置紅外雙鑒探測器，采集站內周界入侵告警信息并聯動聲光警報系統，并支持遠方遙控解除警報及密碼解除警報功能。變電站設備間門禁系統支持多種開門方式，滿足遠程控制開門、密碼開門、刷卡開門等多種需求。

5）動環子系統：變電站樓頂設置1 套微氣象傳感器，采集風速、濕度等環境信息；匯控柜內溫濕度信息通過溫濕度傳感器采集上傳?？照{、除濕機、風機、水泵等設備的狀態信息能傳送至輔控系統，便于分析站內設備情況，為后期其他項目進行提供數據參考。

6）智能巡視子系統：包括智能巡視主機、機器人、視頻監控設備、充電房，實現數據采集、自動巡視、信息整合、遠程操作功能。

1.2.2 變電站物聯網傳感器終端配置方案

智能傳感器終端由外圍接口模塊、數據處理模塊、網絡傳輸模塊和電源模塊組成。物聯網終端基本由外圍感知接口、中央處理模塊、數據處理模塊、網絡傳輸模塊和電源模塊組成。

對于一次設備在線監測子系統，油中溶解氣體以及主變油面溫度、油位等信息可以通過控制電纜傳送至顯示器，或通過轉碼傳送至測控裝置，從而逐步上傳至計算機監控系統。避雷器泄漏電流等表計數據能夠被同時傳送至計算機監控后臺和智能輔助監控系統后臺，或者監控后臺與輔助監控系統按照變電站分區原則，經防火墻后共享部分信息。針對異常信息，聯動智能巡視系統前去確認核實表計信息，雙回采集通道確認數據異常，及時上報遠端運維班站。極大減輕了運維工作量，提高了工作效率。

當火災報警子系統異常告警時，輔助控制系統后臺通過聯動監控攝像機掃描異常情況；對于室內火警信息，輔控后臺還應能夠聯動風機的控制回路，風機就地啟動與遠方控制啟動宜采用互相獨立的方式。

1.2.3 基于物聯網技術的一鍵順控

一鍵順控技術通過采集本間隔電流、電壓、開關位置狀態信息綜合判別開關位置狀態，線路運行狀態，不依賴于就地開關輔助接點和開關狀態顯示器來判別開關狀態信息，從而為倒閘操作等提供了可靠的數據支撐，使操作人員遠離可能的危險區域，保障人的生命財產安全。另一方面可以通過視頻監控子系統和巡視機器人遠程查看現場設備操作狀態，節省了人力物力。一鍵順控技術的發展，減少了硬接點閉鎖相關刀閘控制回路電纜的接線，減少了施工時間和降低施工難度，縮短了施工工期，降低了人力、物力成本以及由于人的不確定因素造成的失誤。

1.2.4 基于物聯網技術的變電站智能巡檢

在變電站配置巡檢機器人，建立機器人巡檢通道，巡檢機器人通過無線將自身采集的視頻信息傳輸至監控系統，開展站內智能巡檢。對于視頻監控系統盲區或者信息傳輸盲區，巡視系統機器人進行巡視時，應能采集規劃路徑的站內設備環境信息，可對接站內三維系統模型，當狀態量異常時，平臺自動融合邊緣計算結果、不良工況等運檢系統數據，判別設備是否存在缺陷以及缺陷的種類和嚴重程度，將異常信息投放到三維模型中提示運維集控中心人員進行處理。

1.2.5 基于物聯網技術的變電站設備故障智能決策

基于設備狀態信息數據庫、設備故障案例樣本數據庫及相關規程，應用智能推理以及設備狀態大數據等智能分析技術與專家經驗進行數據聯合驅動，制定完善設備特征狀態量與故障設備之間的判斷規則，搭建模擬決策平臺，形成應急決策、試驗決策、檢修決策模型，建立基于多維故障信息的變電站設備故障智能決策系統。通過決策平臺預估決策結果，根據狀態信息層級報送不同的處理層。

1.3 環境監測子系統與物聯網技術的融合

變電站內電纜溝不僅考慮自然排水系統，還要考慮大暴雨天氣下水流的影響。在水浸探測器探測到站內水位變化較快時，結合物聯網平臺天氣預報數據能夠自動模糊計算模擬變電站排水系統的安全性，在積水對站內設備造成威脅時能夠自動啟動關鍵部位水泵，排除站內積水隱患。變電站輔助控制系統參考智能家居系統控制方式，在人員到達變電站現場前，遙控開啟GIS 室等散發有害氣體的小室風機，確保人員生命財產安全。

2 基于變電站智能五防系統的智能輔助控制系統

2.1 一體化信息平臺的基本配置

一體化信息平臺作為變電站的統一數據基礎平臺，從站控層網絡直接采集SCADA 數據、保護信息等數據，宜直接采集電能、故障錄波、設備狀態監測。一鍵順控、智能告警及故障信息綜合分析決策、設備狀態可視化、支撐經濟運行與優化控制等高級應用的拓展依托于一體化信息平臺。

2.2 智能輔助控制系統平臺的延伸

單個獨立的變電站各自的監控系統自成信息，作為出事故時調看監控使用，雖然可作為排查隱患的事后排查行為，但是延伸智能輔助控制系統后臺功能，拓展其事前預防行為是今后研究的方向。建立集中運維監控平臺，匯聚站內關鍵設備部分信息，讓值班巡視人員坐在監控室里就能實時掌握設備運行狀況信息。另一方面，值班巡視人員配合視頻監控子系統遠方操作變電站大門的啟開，通過不同的視頻監控攝像機掌握現場人員的動向，對于超出安全活動范圍的人員給予語音提示。

2.3 智能監視子系統的網絡構建

鑒于智能手機的輕巧化和智能化，可將攝像頭集成智能手機功能，攝像頭圖像可以儲存在本身的存儲器中，也可以上傳至站內輔助系統監控后臺機內，通過后臺機上傳至一體化運維控制平臺。每個監控攝像機既是一個獨立的存儲系統，可以較長時間的存儲數據，后信息自動周期性覆蓋前信息。輔助監控系統后臺作為監控信息匯聚點，既可上傳信息至運維控制平臺，也能儲存圖像信息。每個監控攝像頭同時搭接物聯網平臺，視頻監控信息問答式協議或通過WiFi 發送至一體化運維平臺。各個變電站的信息匯聚至一體化運維平臺，降低人員運行維護巡視成本。

3 極端情況下變電站輔助控制系統的升級完善

智能輔助控制系統主機電源正常情況下采用站內交流電源，極端情況下智能輔助控制系統也可考慮采用UPS 電源供電，在檢修人員未達到變電站時，輔助控制系統數據遠傳至運維中心輔助控制系統總監控平臺，通過平臺數據綜合分析可能發生的次生災害事故，保障現場運行維護人員的工作安全。

4 未來變電站智能輔助控制系統在電網轉型中的優勢及方向

1）促進電網更加安全可靠，全面提升電網的感知能力、互動水平、運行效率和自愈能力，使設備管理更高效、調度控制更靈活，電網運行更安全。

2）通過智能輔助控制系統傳感器的布置，感知設備的運行狀況及環境信息，模擬潛在的不安全狀態，捕捉潛在的不穩定因素，為評估設備狀態提供可靠的依據。智能輔助控制系統搭載智能手機芯片手機信息，一方面通過傳統線路上傳數據，另一方通過5G基站加密協議傳輸數據至云后臺。

3）通過開放電網基礎資源，與政府、通信企業實現共享各類社會資源，支撐設備、數據、服務的互聯互通，推動各產業健康協調發展，實現互利共贏。