自主可控新一代變電站輔助系統聯控策略研究與發展

馬馳弈,吳 杰,常政威,熊興中,劉 駿

(1.四川輕化工大學,四川 自貢 643000;2.國網四川省電力公司電力科學研究院,四川 成都 610041)

0 引 言

為解決電網二次設備核心芯片“卡脖子”問題,中國正加快推進自主可控新一代變電站二次系統技術研發和試點建設。面對基于國產化設備的新一代變電站二次系統新架構、新功能和新通信協議的變電站輔助設備檢測平臺,聯動控制有著重要的作用,同時聯動控制策略也是“無人值守+集中監控”業務需求的重要支撐。下面收集整理了各變電站輔助系統的聯動控制策略,分為主輔聯控、子系統間聯控和子系統內部聯動,可為自主可控新一代變電站的建設提供參考內容。

1 新一代變電站輔助系統聯動策略相關技術

1.1 傳感器采集技術

1.1.1 圖像采集技術

高質量的圖片是圖像檢測技術的基礎,在圖像采集的過程中會使用到多種攝像機,確保獲取高清圖像。其中高動態范圍成像(high dynamic range imaging,HDRI)技術拓展了圖像的曝光范圍,改進了圖像曝光不足或過大的問題,使圖片能呈現更多信息。在聯動控制策略中,圖像采集技術是整個聯動過程的起始操作,為聯動控制策略提供基礎技術支持。

1.1.2 紅外測溫采集技術

利用紅外測溫原理設計的紅外測量電子設備獲取設備表面發出的紅外輻射,進而獲取設備溫度用于設備狀況檢測。變電站中的設備,如變壓器、隔離開關、線夾等,在運行過程中需要有效的檢測,才能發現安全隱患。在聯動控制策略中,設備的有效檢測對聯動措施起著重要作用。

1.2 圖像技術

圖像檢測技術在聯動策略中起著重要作用,在收集完成圖像后,圖像技術對圖片進行處理使圖片中的信息更明顯。圖1為目標檢測示例[1]。

圖1 圖像檢測示例

在傳統的圖像檢測中,基于滑動窗口和人工提取特征的方法是主流的檢測手段,但是傳統方法計算量巨大且魯棒性低[1]。隨著深度學習的發展,基于卷積神經網絡的圖像檢測技術日趨成熟,相比于傳統檢測方法,能夠提供基于數據驅動的特征表示,在特征提取和分割識別等方面表現良好[2]。目標檢測算法按照是否有區域生成網絡(region proposal network,RPN)可劃分為二階段檢測算法和一階段檢測算法。在二階段檢測算法中會使用RPN用于檢測,其中R-CNN[3]、Fast R-CNN[4]、Faster R-CNN[5]等是該類算法的代表算法。一階段檢測算法不使用RPN,就不生成感興趣區域,而是將整幅圖像用回歸方法來實現檢測任務,其中YOLO[6-11]系列、SSD[12-16]系列等代表性算法比較優秀。圖2描述了兩類算法的框架。

圖2 目標檢測算法結構

1.3 聯動技術

電力二次系統分為生產控制大區和管理信息大區,其中Ⅰ區、Ⅱ區為控制區和非控制器,都在生產控制大區;而Ⅲ區生產管理區和Ⅳ區管理信息區在管理信息大區。在獲?、駞^的檢測數據后,Ⅱ區輔助設備和Ⅳ區巡視主機會接收到綜合應用主機傳送的主輔設備聯動信號,根據聯動策略,對Ⅲ區輔助設備傳感器或Ⅳ區視頻攝像頭設備進行控制操作;最后,對Ⅳ區視頻攝像頭聯動的操作需要返回操作結果,如對變電站設備操作的自動獲取、隔離開關開合變化時系統自動反饋圖像信息,保證操作的安全性和準確性。

2 新一代變電站輔助系統總體架構

2.1 輔助系統架構

系統結構常見的有單體架構、分布式應用、微服務架構、Serverless架構。自主可控新一代變電站輔助系統架構采用分層、分布式網絡架構,單網組網方式,由站控層、匯聚層和傳感層構成,部署在安全Ⅱ區和安全Ⅳ區。該架構為整個二次系統的總體架構,能處理電力二次系統復雜的網絡結構?？傮w架構如圖3所示。安全Ⅱ區由一次設備在線監測、火災消防、安全防衛、智能鎖控、動環系統組成;安全Ⅳ區由在線智能巡視系統組成。

圖3 總體架構

安全Ⅱ區與安全Ⅳ區之間通過正、反向隔離裝置互聯。站控層設備主要包括主輔一體化監控主機、綜合應用主機、服務網關機和在線智能巡視主機,完成數據采集、數據處理、狀態監視、設備控制、智能應用、運行管理和主站支撐等功能。匯聚層設備主要包括消防信息傳輸控制單元、安全接入網關等設備,實現數據采集、控制和網關等功能。傳感層設備主要包括一次設備在線監測裝置、火災自動報警系統、固定式滅火系統、其他受控消防設備及火災消防變送器、安全防衛探測器及其監控終端、變電站鎖具及其監控終端、動環系統傳感器及其監控終端、無線傳感器及匯聚節點等,實現信息感知、采集、控制及管理功能。

一次設備在線監測、火災消防、安全防衛、智能鎖控、動環等子系統數據存儲至安全Ⅱ區的綜合應用主機,各子系統與后臺之間應采用DL/T 860通信報文進行互聯。在線智能巡視子系統數據存儲至安全Ⅳ區的在線智能巡視主機,在線智能巡視主機與上級系統之間采用TCP/UDP協議互聯。

2.2 輔助系統功能

主輔一體化監控系統主要對站內一次設備的在線監測、火災消防、安全防衛、智能鎖控、動環以及在線智能巡視等子系統信息進行分類存儲、智能聯動及綜合展示。系統能接收來自集控站的控制指令,實現對受控設備進行遠程控制的功能。各子系統能夠脫網運行,在系統后臺故障的情況下各子系統能夠繼續正常工作并實現報警、記錄及存儲等功能。

1)一次設備在線監測子系統

系統如圖4所示,主要對油中溶解氣體、鐵芯夾件接地電流、套管絕緣狀態、變壓器特高頻的局部放電及高頻電流的局部放電等狀態參量進行在線監測,實現變壓器類設備運行狀態的在線采集、分析和上傳。具備對SF6氣體壓力、機械特性、組合電器局部放電等狀態參量在線監測的功能,實現開關類設備運行狀態的在線采集、分析和上傳;具備容性設備及避雷器設備全電流、母線電壓等狀態參量在線監測的功能,實現容性設備及避雷器設備運行狀態的在線采集、分析和上傳。

圖4 一次設備在線監測子系統

2)火災消防子系統

火災消防系統如圖5所示。該系統具備接入火災自動報警系統、固定式滅火系統、其他受控消防設備以及模擬量變送器等設備的功能,實現站內火災報警信息的采集、傳輸和滅火控制;具備聲光報警功能,當火災發生時,及時發出聲光報警信號;具備消防聯動控制功能,當發生火災時,能自動停止送、排風系統和空調系統的運行,并聯動啟動消防水泵和其他自動消防設備。

圖5 火災消防架構

3)安全防衛子系統

安全防衛系統如圖6所示。該系統具備接入紅外雙鑒探測器、紅外對射探測器、門禁控制器以及脈沖電子圍欄等設備的功能,實現站內周界入侵告警信息的采集和傳輸;具備布防和撤防功能,滿足現場多種運行方式,并對讀卡器、開門按鈕、電磁鎖等門禁設備有控制和管理功能,實現站內人員出入信息的采集、存儲和上送;能夠采用多種開門方式,滿足人臉識別開門等多種需求。

圖6 安全防衛子系統

4)智能鎖控子系統

智能鎖控系統如圖7所示。該系統具備對變電站內各類鎖具(不含防止電氣誤操作的鎖具)和電子鑰匙的控制和管理功能,實現開鎖權限、開鎖記錄和開鎖流程的智能化管控;具備身份認證功能,包括刷卡、密碼等多種認證方式;具備上送開鎖任務、人員、鎖具配置信息以及下發開鎖任務到電子鑰匙等功能;具備網絡故障情況下,可通過鎖控監控終端直接對鑰匙進行授權操作功能,并對授權信息和開鎖信息進行記錄。

圖7 智能鎖控子系統

5)動環子系統

動環子系統如圖8所示。該系統具有微氣象、溫濕度、水位、SF6(O2含量)、水浸、漏水、水位等傳感器接入功能,實現站內環境數據的實時采集、處理和上送;具有對空調、除濕機、采暖、風機、水泵以及照明等設備的控制功能,能對環境異常及時告警,可對各種環境信息告警值進行設定。環境監測傳感器具有正常工作指示功能及異常告警功能。

圖8 動環子系統

6)無線接入設備

無線接入設備如圖9所示。無線匯聚節點具備計算、自組網功能,能與無線傳感器實現雙向通信,將傳感器數據轉換為E語言文件格式并實現上送等功能。動環系統無線傳感器具備分別采集室外風速、風向、水浸、水位以及溫濕度等信息的功能。無線姿態傳感器具備準確檢測隔離開關的分合閘位置變化,可靠、有效地判斷隔離開關本體所處的分合閘位置狀態功能。開關柜無線溫度傳感器具備在線監測開關柜帶電觸點及母排溫度功能。

圖9 無線接入設備

7)在線智能巡視子系統

在線智能巡視子系統如圖10所示。該系統具備接入巡檢機器人、高清視頻、紅外熱成像攝像機以及聲紋監測裝置等設備的功能,實現變電站巡視數據的集中采集和智能分析。巡檢機器人配備可見光攝像機、熱紅外成像儀以及音頻采集設備,具備可見光檢測、紅外檢測和噪聲監測功能。攝像機布置滿足變電站安全防范、設備運行狀態監視以及設備在線智能巡視的要求。紅外熱成像攝像機支持多種測溫方法,并具備測溫校正功能。該系統還具備采集主變壓器、高壓并聯電抗器等重要一次設備聲音數據的聲紋采集功能,實現聲紋數據的實時監測,并對設備運行狀態進行分析判斷。

圖10 在線智能巡視子系統

3 新一代變電站聯動控制功能

聯動控制功能是指,當聯動控制觸發信號觸發,如主設備警告信號、SF6濃度超標信號、水浸報警信號,系統相應地做出自動反應,如視頻預置位、巡檢機器人對相應區域進行采集、一次設備在線系統的記錄?？蓪⑿乱淮冸娬韭搫涌刂品譃橹鬏o系統之間聯動、輔助子系統間聯動和輔助子系統內部聯動。

3.1 主輔聯動

3.1.1 主設備與巡視系統聯動

1)一鍵順控“雙確認”聯動

一鍵順控操作的倒閘順序會因為變電站不同作業要求而改變,通過序列控制減輕人員操作,提高變電站倒閘效率[17]。在變電站一鍵順控操作中可采取多種方式來確認隔離開關分合閘情況,文獻[18]將倒閘任務“雙確定”的技術路線分為基于微動開關、壓力傳感器、姿態傳感器、敏態傳感器和圖像視頻聯動這幾類。文獻[19]以某500 kV智能變電站為例,設置了一套以視頻聯動的順控操作系統實現順控“雙確認”,該方法融入人工智能中目標檢測技術,有效提高“雙確認”效率。

2)主變壓器告警聯動

主變壓器是變電站的心臟,其正常運行對變電站起著至關重要的作用,因此對于主變壓器各項物理信號的檢測顯得格外重要。文獻[20]提出主變壓器信號聯動策略,當主變壓器物理數值異常時,聯動巡視系統對變壓器表計進行識別檢測,幫助運維人員研判。

3.1.2 監控主機與巡視系統聯動

根據新一代變電站設計,主輔一體化監控主機(監控主機)是按照統一模型、統一平臺的基本要求,通過主輔設備信息在功能、界面等方面深度融合,實現全站主輔設備運行監視、操作與控制、智能應用、主站支撐服務等四大類12項功能。

在巡視主機進行巡視期間,向綜合應用主機發送聯動任務功能。文獻[21]設計的一套巡檢系統結合機器視覺、云臺一體化控制和YOLOv3目標檢測算法,有效地提升了變電站“無人值守”巡檢任務的效率。文獻[22]將新一代自主可控變電在線智能巡視系統做了詳細介紹,其中對監控主機的聯動方式也進行了分析,包括監控主機向巡視主機發送聯動信號和巡視主機向監控主機發送復核反饋信號功能。

3.2 子系統間聯動

3.2.1 火災消防系統與其他輔助系統間聯動

發生火災時,火災消防系統與各輔助系統之間的聯動能有效阻止火災蔓延。文獻[23]提出一種基于泛在電力物聯網的變電站消防系統,將火災預警功能分為3級:當火災探測器檢測到火災信息,火災消防系統將聯動監控主機發出報警信息;進一步向內部管理人員發送預警定位;最后,聯動巡視系統調用巡視機器人進行視頻檢測。文獻[20]提出聯動安全防衛系統開啟相關逃生門禁,并且聯動動環系統開啟照明,關閉風機、電暖氣、空調和除濕機防止火勢蔓延。并且為更好了解火情狀況,聯動巡視系統調用火災區域攝像機對火災進行跟蹤拍攝。

3.2.2 智能巡視系統與其他輔助系統聯動

1)與動環系統聯動

智能巡檢機器人巡檢過程中所檢測的局部區域亮度不足時,可聯動動環系統照明控制器。文獻[24]提到動環系統中的照明控制器能對燈進行遠程操控,與其他系統實現聯動能夠有效改善其他輔助系統存在的照明不足問題。

2)與安全防衛聯動

智能巡視系統利用深度神經網絡對監控視頻進行行為識別檢測。當檢測到工作站內員工安全帽佩戴不規范、有非法闖入和有工作人員遺留物品在工作區時,將聯動安全防衛系統進行聲光報警,提醒站內人員進行相應的處理[20]。

3.3 子系統內聯動

3.3.1 火災消防系統內部聯動

火災消防系統具備火災自動報警系統、固定式滅火系統、其他受控消防設備以及模擬量變送器等設備,能實現站內火災報警信息的采集、傳輸和滅火控制。文獻[25]提出火災發生時,火災消防系統發出報警并聯動該系統的相關消防功能,對火源進行自動滅火。

3.3.2 動環子系統內聯動

動環子系統中的各項傳感器感應到相應檢測數值超出警告閾值時,將聯動系統內的風機、空調、水泵等設備進行及時調整。

1)水浸聯動

當發生水浸時,動環系統內的傳感器將及時檢測到數據值,并按設置好的聯動策略聯動相應的水泵進行排水。

2)溫濕度控制聯動

通過動環系統中的溫濕度傳感器收集環境中的溫濕度信息后,聯動系統內的風機、空調等設備進行調整。

3)SF6濃度超標聯動

SF6氣體在GIS室的含量根據DL/T 5035—2016《發電廠供暖通網與空氣調節設計規范》不能超過6000 mg/m3,因此對SF6氣體濃度的管控很重要。文獻[26]提出了一套變電站動環系統通風系統設計原則,并提出了當檢測到SF6氣體濃度超標時,會自動聯動動環系統中的風機控制箱,實現節能安全運行。

3.3.3 智能巡檢系統內聯動

在線智能巡檢系統中的巡檢機器人收到巡檢任務后按預定路線進行巡檢,當巡檢到相應點位時聯動系統內的攝像頭進行確認,實現對巡檢機器人的有效檢測,并將所有巡檢的內容上傳到系統的后臺進行保存、分析、研判,為在線智能巡檢系統的正常運行提供充分的數據支撐。

3.4 應用成效

聯動控制策略在電力二次系統中的運用能有效地提高輔助系統的工作效率。聯動策略的運用能讓變電站的管理更為高效、智能,并且減少了人力成本,對變電站的運維管理有著積極的作用[27]。聯動功能分類也有助于聯動控制策略的研發,為新一代變電的建設提供有效的幫助。

4 結 論

自主可控新一代變電站的建設離不開聯動技術。上面梳理了聯動策略會使用到的相關技術,介紹了自主可控新一代變電站輔助系統的總體架構及其包含的子系統。根據聯動策略方式將聯動功能分為主輔聯動、子系統間聯動和子系統內部聯動,并且根據分類給出了具體的聯動形式:主輔聯動中“雙確認”操作、子系統間聯動的火災消防聯動、安全穿戴檢測聯動以及子系統間的動環聯動。為自主可控新一代變電站的建設提供了聯動控制方面的研究內容。