無人值守變電站綜合智能安全輔助監(jiān)控系統(tǒng)(智能變電站輔助控制系統(tǒng))

摘要

　　國內(nèi)變電站智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)主要監(jiān)控對象為變電站場站環(huán)境，而不是針對運(yùn)行設(shè)備。本文主要設(shè)計(jì)一套針對變電站室內(nèi)外運(yùn)行設(shè)備的智能安全輔助監(jiān)控系統(tǒng)，包括斷路器斷電保護(hù)、視頻監(jiān)控、無線測溫、環(huán)境監(jiān)測、消防告警等功能;建立無人值守變電站安全輔助信息的邏輯和推理模型，討論對故障告警信息的分類和過濾策略，自動報(bào)告變電站異常，提出故障處理指導(dǎo)意見。系統(tǒng)的智能告警及分析決策能力，可根據(jù)變電站各監(jiān)測單元返回的變電站各項(xiàng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用分析決策機(jī)制獲得分析結(jié)果，并將分析結(jié)果以可視化界面綜合展示，值班員可根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行人工遠(yuǎn)程操作，也可授權(quán)平臺自動完成遠(yuǎn)程控制動作。

　　一、引言

　　隨著近年來我國電網(wǎng)規(guī)模急劇擴(kuò)大，新投運(yùn)的變電站數(shù)量的成倍增長。為提高生產(chǎn)管理效率，轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式，新變電站都按照無人值守變電站進(jìn)行設(shè)計(jì)和運(yùn)行，傳統(tǒng)有人值守變電站也已進(jìn)行無人值守化升級改造。但是從有人值守到無人值守的轉(zhuǎn)變絕不僅僅是人員撤離那么簡單。如何切實(shí)提高變電站設(shè)備運(yùn)行管理水平，切實(shí)保證變電站的安全運(yùn)行，有效實(shí)現(xiàn)對變電站的運(yùn)行主設(shè)備及輔助設(shè)施的監(jiān)控及管理，把握設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況成為研究的主題。

　　在我國東北等高寒地區(qū)，冬季氣溫可達(dá)-40℃，冬季對高壓設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及變電站環(huán)境監(jiān)測尤為重要，并且對監(jiān)測設(shè)備的低溫運(yùn)行也提出了更高的挑戰(zhàn)。

　　黑龍江省電科院經(jīng)過對黑龍江省部分無人值守變電站的考察，發(fā)現(xiàn)存在如下問題：

　　1變電站內(nèi)的隔離開關(guān)、斷路器等設(shè)備沒有實(shí)現(xiàn)在線測溫，需要巡視人員定期人工測溫，數(shù)據(jù)受人為因素影響較大，漏測情況時(shí)有發(fā)生,當(dāng)設(shè)備溫度出現(xiàn)異常時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)不能及時(shí)上傳，故障無法及時(shí)被發(fā)現(xiàn)

　　2變電站室內(nèi)關(guān)鍵場所(如：計(jì)算機(jī)房、繼電保護(hù)小室、開關(guān)室、蓄電池間)沒有溫、濕度信息采集設(shè)備及自動調(diào)溫設(shè)備，冬季靠暖氣供熱，一旦發(fā)生暖氣臨時(shí)中斷現(xiàn)象，(如蓄電池間)設(shè)備在低溫環(huán)境下運(yùn)行，性能及壽命將受到嚴(yán)重影響;機(jī)房空調(diào)與溫、濕度監(jiān)測單元沒有形成閉環(huán)聯(lián)動，無法通過集控站干預(yù)空調(diào)等調(diào)溫、濕設(shè)備的運(yùn)行

　　3調(diào)度對站內(nèi)隔離開關(guān)及斷路器進(jìn)行遠(yuǎn)程分合操作時(shí)，由于隔離開關(guān)電機(jī)或斷路器儲能機(jī)構(gòu)故障，有時(shí)會出現(xiàn)分合動作不正常的狀況，超過規(guī)定時(shí)間后，可能出現(xiàn)燒毀電機(jī)或斷路器分合閘線圈的現(xiàn)象;同時(shí)由于隔離開關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)的原因，隔離開關(guān)動作時(shí)可能出現(xiàn)對應(yīng)輔助節(jié)點(diǎn)無反應(yīng)的問題，結(jié)果導(dǎo)致變電站后臺監(jiān)控畫面的隔離開關(guān)分合顯示錯(cuò)誤

　　4變電站內(nèi)煙霧報(bào)警裝置沒有集中管理，沒有與消防系統(tǒng)構(gòu)成完整閉環(huán)控制系統(tǒng)，在變電站發(fā)生火災(zāi)等事故時(shí)，不能及時(shí)啟動消防設(shè)備撲救

　　5為解決上述問題，我們將根據(jù)目前黑龍江省內(nèi)220kV及以下無人值守變電站的實(shí)際工作現(xiàn)場條件，研發(fā)一套無人值守變電站智能安全輔助監(jiān)控系統(tǒng)，將變電站內(nèi)安全輔助設(shè)備、高壓監(jiān)測設(shè)備、消防設(shè)備進(jìn)行集中管理，通過現(xiàn)有電力通信網(wǎng)與集控站(或地區(qū)調(diào)度)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交互，不但使集控站能及時(shí)準(zhǔn)確地掌握無人值守變電站各關(guān)鍵點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)，而且能實(shí)現(xiàn)自動或值班員手動遠(yuǎn)程控制變電站安全輔助設(shè)備的啟停的目標(biāo)，為無人值守變電站的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。

　　二、國內(nèi)外研究水平綜述

　　國外發(fā)達(dá)國家現(xiàn)已全面進(jìn)入變電站無人值守階段，所有監(jiān)控信息均實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及操作，將監(jiān)測的重點(diǎn)放在變壓器、SF6開關(guān)及GIS設(shè)備、電力電纜、MOA等關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展上，可以實(shí)現(xiàn)對變電站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行綜合性診斷監(jiān)測。如：法國阿爾斯通公司開發(fā)了變壓器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過局域網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)對變壓器頂層油溫、環(huán)境溫度、變壓器負(fù)載電流、三相電壓、絕緣油氣體組分、有載開關(guān)分接位置、風(fēng)扇切換狀態(tài)、鐵芯、夾件、高壓套管絕緣等在線狀態(tài)的監(jiān)測;美國通用電氣開發(fā)了集成變電站監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)斷路器狀態(tài)監(jiān)測，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)和有載調(diào)壓開關(guān)的最優(yōu)動態(tài)控制，通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)監(jiān)測與狀態(tài)維修。且發(fā)達(dá)國家如美國在無人值守變電站的基礎(chǔ)上大力推廣智能變電站，所以其變電站建設(shè)的總體規(guī)劃更加智能化，可靠性更高。

　　我國十年前開始逐步推廣變電站的無人值守改造與建設(shè)，但在初期僅僅實(shí)現(xiàn)基本的遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等基本功能，部分實(shí)現(xiàn)了紅外監(jiān)測、氣體監(jiān)測的功能。國內(nèi)變電站智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)集成了視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、消防告警子系統(tǒng)、門禁子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)等相關(guān)輔助子系統(tǒng)。但其主要監(jiān)控對象為變電站場站環(huán)境，而不是針對運(yùn)行設(shè)備。更沒有將隔離開關(guān)及斷路器的斷電保護(hù)、隔離開關(guān)、開關(guān)柜及接頭溫度監(jiān)測、匯控箱的溫度監(jiān)測、蓄電池間自動控溫系統(tǒng)以及煙霧報(bào)警與消防噴淋系統(tǒng)集中在一個(gè)綜控平臺，沒有實(shí)現(xiàn)綜合智能化管控等高級功能。

　　三、綜合智能安全

　　輔助監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施方案

　　圖1 智能安全輔助監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　1、隔離開關(guān)故障保護(hù)子系統(tǒng)

　　在隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)電源側(cè)加裝電源切斷裝置，隔離開關(guān)驅(qū)動電機(jī)或斷路器彈簧儲能不能正常動作時(shí)，切斷操作機(jī)構(gòu)電源保護(hù)電氣設(shè)備及控制回路，切斷裝置與調(diào)度后臺(SCADA)互聯(lián)，切斷裝置動作的同時(shí)向SCADA系統(tǒng)發(fā)送動作信號以免發(fā)生錯(cuò)誤判別，視頻監(jiān)控系統(tǒng)彈出相應(yīng)隔離開關(guān)實(shí)時(shí)畫面，發(fā)出聲光報(bào)警信號。

　　高壓帶電顯示裝置能在帶電設(shè)備

　　安全距離外檢測設(shè)備是否帶電

　　2、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)

　　利用槍式攝像機(jī)主要監(jiān)控刀閘觸點(diǎn)狀態(tài)、變壓器有載開關(guān)分接頭位置等設(shè)備信息，球型攝像機(jī)監(jiān)控場站環(huán)境狀態(tài)信息。系統(tǒng)通過攝像機(jī)采集的現(xiàn)場圖像，經(jīng)編碼器和視頻服務(wù)器后，視頻信號直接變換成數(shù)字信號進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，各監(jiān)控點(diǎn)的實(shí)時(shí)圖像經(jīng)光纖或其它網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)娇刂浦行?，在控制中心或利用移動終端實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制，實(shí)現(xiàn)視頻聯(lián)動。

　　視頻監(jiān)控?cái)z像頭可清晰監(jiān)控

　　場站內(nèi)設(shè)備及場站環(huán)境圖像

　　清晰監(jiān)控刀閘開合狀態(tài)

　　在出現(xiàn)消防告警信號時(shí)清晰監(jiān)控主要設(shè)備的狀態(tài)

　　3、無線測溫子系統(tǒng)

　　無線測溫子系統(tǒng)采用短程無線測量技術(shù)采集溫度數(shù)據(jù)并匯聚于一點(diǎn)，再通過遠(yuǎn)程(GPRS/CDMA)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。無線測溫模塊可以采用高能電池供電或無源SAW傳感器，以減少高低壓之間的電氣聯(lián)系，采用全數(shù)字方式工作。無線測溫模塊把溫度信號通過無線的方式直接或經(jīng)過無線中繼站傳送給無線匯聚終端，無線匯聚終端可以接收多個(gè)測溫模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)。采用短程無線網(wǎng)絡(luò)的方式，多個(gè)測溫模塊分布在無線匯聚終端模塊的周圍，在有效的通訊范圍內(nèi)可以隨意添加、刪除、移動測溫模塊。無線發(fā)射器采用專用頻段，使功率控制不對變電站內(nèi)設(shè)備造成干擾。

　　無線測溫匯集終端

　　可將無線測溫探頭采集的數(shù)據(jù)集中轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控后臺

　　無線測溫趨勢曲線

　　4、環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)

　　該子系統(tǒng)能對站內(nèi)的溫度、濕度、風(fēng)力、水浸、SF6濃度等環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理和上傳，采集周期小于5秒;環(huán)境信息數(shù)據(jù)的變化上傳智能輔助控制系統(tǒng)，可設(shè)置不同級別的環(huán)境量告警信息。環(huán)境量超限報(bào)警聯(lián)動，當(dāng)環(huán)境量超過報(bào)警限值時(shí)，根據(jù)設(shè)置好的聯(lián)動預(yù)案，自動聯(lián)動相關(guān)攝像頭的預(yù)置點(diǎn)，并進(jìn)行告警錄像。一個(gè)環(huán)境量支持聯(lián)動多路視頻，即當(dāng)一個(gè)環(huán)境量超限報(bào)警時(shí)，可以同時(shí)聯(lián)動多個(gè)攝像機(jī)，從不同角度不同方位將現(xiàn)場的信息傳到監(jiān)控中心。越限可以聯(lián)動聲光報(bào)警、短信報(bào)警、啟動相應(yīng)子系統(tǒng)(溫濕度關(guān)聯(lián)取暖系統(tǒng)、水浸關(guān)聯(lián)給排水系統(tǒng))等預(yù)案，同時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)上傳至統(tǒng)一信息平臺。

　　5、消防告警子系統(tǒng)

　　此系統(tǒng)將消防設(shè)備提供的通信數(shù)據(jù)、干接點(diǎn)信號或區(qū)域性的有源信號，通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集器傳送到消防告警子系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測每個(gè)區(qū)域的火災(zāi)情況。消防設(shè)備一旦發(fā)生報(bào)警，消防告警子系統(tǒng)立即以聲音報(bào)警、文字提示、電子地圖和彈出實(shí)時(shí)圖像等多種形式報(bào)出警情，并向預(yù)先設(shè)定的固定電話自動播放告警語音、向預(yù)先設(shè)定的手機(jī)發(fā)送告警短信，同時(shí)把信號上傳至智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)。視頻監(jiān)控子系統(tǒng)通過智能輔助控制系統(tǒng)接收到火警信息后，相應(yīng)采取一系列措施，如調(diào)用相應(yīng)預(yù)置位、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)中彈出視頻窗口、自動巡航相關(guān)區(qū)域等，并把火警信號轉(zhuǎn)發(fā)上傳至統(tǒng)一信息平臺。消防告警子系統(tǒng)以文字方式顯示報(bào)警事故的時(shí)間、地點(diǎn)和報(bào)警狀態(tài)。警情處理解除后，報(bào)警紀(jì)錄以歷史記錄的方式存在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器中。同時(shí)系統(tǒng)具有報(bào)警查詢、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出、權(quán)限管理等功能。

　　主控室內(nèi)安裝煙感探頭及視頻監(jiān)控設(shè)施

　　6、遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)

　　遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)(照明系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)、給排水系統(tǒng))根據(jù)事件(如消防報(bào)警、溫濕度報(bào)警、水浸報(bào)警)自動對站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行開啟和關(guān)閉操作，位于集控站的值班員也可在統(tǒng)一信息平臺及智能輔助控制系統(tǒng)中控制設(shè)備的開啟和關(guān)閉。支持本地/遠(yuǎn)程控制電暖氣、排風(fēng)扇、抽水泵的啟動和關(guān)閉。

　　7、智能巡檢子系統(tǒng)

　　智能巡檢子系統(tǒng)是依托視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、無線測溫子系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)，單獨(dú)開發(fā)的遠(yuǎn)程變電站巡檢系統(tǒng)，巡檢人員只需在電腦前選擇智能巡檢，系統(tǒng)就能根據(jù)預(yù)設(shè)的巡檢程序通過高清攝像頭對關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程巡檢、播放巡檢畫面，自動生成巡檢報(bào)告。

　　電子圍欄

　　8、變電站智能安全輔助監(jiān)控系統(tǒng)平臺

　　此平臺安裝于集控站，可作為一個(gè)功能模塊納入集控站現(xiàn)有中心監(jiān)控系統(tǒng)，也可單獨(dú)自成一體并與中心監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，該平臺具有智能告警及分析決策能力，可根據(jù)變電站各監(jiān)測單元返回的變電站各項(xiàng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用分析決策機(jī)制獲得分析結(jié)果，并將分析結(jié)果以簡潔明了的可視化界面綜合展示，值班員可根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行人工遠(yuǎn)程操作，也可授權(quán)平臺自動完成遠(yuǎn)程控制動作。

　　場站全景監(jiān)控

　　四、小結(jié)

　　本項(xiàng)目完成后，形成的無人值守變電站智能安全輔助監(jiān)控方案能夠?yàn)楹罄m(xù)智能變電站建設(shè)提供參考，建成的監(jiān)控平臺可實(shí)現(xiàn)變電站后臺、各級集控站與調(diào)度之間的信息共享和信息互動，并對相關(guān)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)智能化管理，從而為變電站降低運(yùn)維成本、優(yōu)化資源配置、提升運(yùn)行效率及安全生產(chǎn)提供重要保障。