無人值守變電站綜合智能安全輔助監控系統(智能變電站輔助控制系統)

摘要

　　國內變電站智能輔助監控系統主要監控對象為變電站場站環境，而不是針對運行設備。本文主要設計一套針對變電站室內外運行設備的智能安全輔助監控系統，包括斷路器斷電保護、視頻監控、無線測溫、環境監測、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，自動報告變電站異常，提出故障處理指導意見。系統的智能告警及分析決策能力，可根據變電站各監測單元返回的變電站各項數據，運用分析決策機制獲得分析結果，并將分析結果以可視化界面綜合展示，值班員可根據分析結果進行人工遠程操作，也可授權平臺自動完成遠程控制動作。

　　一、引言

　　隨著近年來我國電網規模急劇擴大，新投運的變電站數量的成倍增長。為提高生產管理效率，轉變生產方式，新變電站都按照無人值守變電站進行設計和運行，傳統有人值守變電站也已進行無人值守化升級改造。但是從有人值守到無人值守的轉變絕不僅僅是人員撤離那么簡單。如何切實提高變電站設備運行管理水平，切實保證變電站的安全運行，有效實現對變電站的運行主設備及輔助設施的監控及管理，把握設備的實時運行狀況成為研究的主題。

　　在我國東北等高寒地區，冬季氣溫可達-40℃，冬季對高壓設備運行狀態及變電站環境監測尤為重要，并且對監測設備的低溫運行也提出了更高的挑戰。

　　黑龍江省電科院經過對黑龍江省部分無人值守變電站的考察，發現存在如下問題：

　　1變電站內的隔離開關、斷路器等設備沒有實現在線測溫，需要巡視人員定期人工測溫，數據受人為因素影響較大，漏測情況時有發生,當設備溫度出現異常時關鍵點溫度數據不能及時上傳，故障無法及時被發現

　　2變電站室內關鍵場所(如：計算機房、繼電保護小室、開關室、蓄電池間)沒有溫、濕度信息采集設備及自動調溫設備，冬季靠暖氣供熱，一旦發生暖氣臨時中斷現象，(如蓄電池間)設備在低溫環境下運行，性能及壽命將受到嚴重影響;機房空調與溫、濕度監測單元沒有形成閉環聯動，無法通過集控站干預空調等調溫、濕設備的運行

　　3調度對站內隔離開關及斷路器進行遠程分合操作時，由于隔離開關電機或斷路器儲能機構故障，有時會出現分合動作不正常的狀況，超過規定時間后，可能出現燒毀電機或斷路器分合閘線圈的現象;同時由于隔離開關機械設計的原因，隔離開關動作時可能出現對應輔助節點無反應的問題，結果導致變電站后臺監控畫面的隔離開關分合顯示錯誤

　　4變電站內煙霧報警裝置沒有集中管理，沒有與消防系統構成完整閉環控制系統，在變電站發生火災等事故時，不能及時啟動消防設備撲救

　　5為解決上述問題，我們將根據目前黑龍江省內220kV及以下無人值守變電站的實際工作現場條件，研發一套無人值守變電站智能安全輔助監控系統，將變電站內安全輔助設備、高壓監測設備、消防設備進行集中管理，通過現有電力通信網與集控站(或地區調度)進行雙向數據交互，不但使集控站能及時準確地掌握無人值守變電站各關鍵點的狀態參數，而且能實現自動或值班員手動遠程控制變電站安全輔助設備的啟停的目標，為無人值守變電站的安全運行保駕護航。

　　二、國內外研究水平綜述

　　國外發達國家現已全面進入變電站無人值守階段，所有監控信息均實現遠程監控及操作，將監測的重點放在變壓器、SF6開關及GIS設備、電力電纜、MOA等關鍵設備監測技術的發展上，可以實現對變電站內設備進行綜合性診斷監測。如：法國阿爾斯通公司開發了變壓器狀態監測系統，通過局域網可實現對變壓器頂層油溫、環境溫度、變壓器負載電流、三相電壓、絕緣油氣體組分、有載開關分接位置、風扇切換狀態、鐵芯、夾件、高壓套管絕緣等在線狀態的監測;美國通用電氣開發了集成變電站監測與診斷系統，實現斷路器狀態監測，同時可實現冷卻系統和有載調壓開關的最優動態控制，通過局域網實現了狀態監測與狀態維修。且發達國家如美國在無人值守變電站的基礎上大力推廣智能變電站，所以其變電站建設的總體規劃更加智能化，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，但在初期僅僅實現基本的遙測、遙信、遙控、遙調等基本功能，部分實現了紅外監測、氣體監測的功能。國內變電站智能輔助監控系統集成了視頻監控子系統、環境監測子系統、消防告警子系統、門禁子系統和控制子系統等相關輔助子系統。但其主要監控對象為變電站場站環境，而不是針對運行設備。更沒有將隔離開關及斷路器的斷電保護、隔離開關、開關柜及接頭溫度監測、匯控箱的溫度監測、蓄電池間自動控溫系統以及煙霧報警與消防噴淋系統集中在一個綜控平臺，沒有實現綜合智能化管控等高級功能。

　　三、綜合智能安全

　　輔助監控系統實施方案

　　圖1 智能安全輔助監控系統結構示意圖

　　1、隔離開關故障保護子系統

　　在隔離開關操作機構電源側加裝電源切斷裝置，隔離開關驅動電機或斷路器彈簧儲能不能正常動作時，切斷操作機構電源保護電氣設備及控制回路，切斷裝置與調度后臺(SCADA)互聯，切斷裝置動作的同時向SCADA系統發送動作信號以免發生錯誤判別，視頻監控系統彈出相應隔離開關實時畫面，發出聲光報警信號。

　　高壓帶電顯示裝置能在帶電設備

　　安全距離外檢測設備是否帶電

　　2、視頻監控子系統

　　利用槍式攝像機主要監控刀閘觸點狀態、變壓器有載開關分接頭位置等設備信息，球型攝像機監控場站環境狀態信息。系統通過攝像機采集的現場圖像，經編碼器和視頻服務器后，視頻信號直接變換成數字信號進入網絡系統，各監控點的實時圖像經光纖或其它網絡系統傳輸到控制中心，在控制中心或利用移動終端實現對現場設備的實時監視與控制，實現視頻聯動。

　　視頻監控攝像頭可清晰監控

　　場站內設備及場站環境圖像

　　清晰監控刀閘開合狀態

　　在出現消防告警信號時清晰監控主要設備的狀態

　　3、無線測溫子系統

　　無線測溫子系統采用短程無線測量技術采集溫度數據并匯聚于一點，再通過遠程(GPRS/CDMA)無線網絡傳輸，實現數據的無線傳輸。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系，采用全數字方式工作。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測溫模塊發送來的數據。采用短程無線網絡的方式，多個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可以隨意添加、刪除、移動測溫模塊。無線發射器采用專用頻段，使功率控制不對變電站內設備造成干擾。

　　無線測溫匯集終端

　　可將無線測溫探頭采集的數據集中轉發至監控后臺

　　無線測溫趨勢曲線

　　4、環境監測子系統

　　該子系統能對站內的溫度、濕度、風力、水浸、SF6濃度等環境信息進行實時采集、處理和上傳，采集周期小于5秒;環境信息數據的變化上傳智能輔助控制系統，可設置不同級別的環境量告警信息。環境量超限報警聯動，當環境量超過報警限值時，根據設置好的聯動預案，自動聯動相關攝像頭的預置點，并進行告警錄像。一個環境量支持聯動多路視頻，即當一個環境量超限報警時，可以同時聯動多個攝像機，從不同角度不同方位將現場的信息傳到監控中心。越限可以聯動聲光報警、短信報警、啟動相應子系統(溫濕度關聯取暖系統、水浸關聯給排水系統)等預案，同時將數據轉發上傳至統一信息平臺。

　　5、消防告警子系統

　　此系統將消防設備提供的通信數據、干接點信號或區域性的有源信號，通過以太網數據采集器傳送到消防告警子系統，實時監測每個區域的火災情況。消防設備一旦發生報警，消防告警子系統立即以聲音報警、文字提示、電子地圖和彈出實時圖像等多種形式報出警情，并向預先設定的固定電話自動播放告警語音、向預先設定的手機發送告警短信，同時把信號上傳至智能輔助監控系統。視頻監控子系統通過智能輔助控制系統接收到火警信息后，相應采取一系列措施，如調用相應預置位、視頻監控子系統中彈出視頻窗口、自動巡航相關區域等，并把火警信號轉發上傳至統一信息平臺。消防告警子系統以文字方式顯示報警事故的時間、地點和報警狀態。警情處理解除后，報警紀錄以歷史記錄的方式存在系統的數據服務器中。同時系統具有報警查詢、數據導入導出、權限管理等功能。

　　主控室內安裝煙感探頭及視頻監控設施

　　6、遠程控制子系統

　　遠程控制子系統(照明系統、采暖系統、給排水系統)根據事件(如消防報警、溫濕度報警、水浸報警)自動對站內設備進行開啟和關閉操作，位于集控站的值班員也可在統一信息平臺及智能輔助控制系統中控制設備的開啟和關閉。支持本地/遠程控制電暖氣、排風扇、抽水泵的啟動和關閉。

　　7、智能巡檢子系統

　　智能巡檢子系統是依托視頻監控子系統、無線測溫子系統、環境監測子系統，單獨開發的遠程變電站巡檢系統，巡檢人員只需在電腦前選擇智能巡檢，系統就能根據預設的巡檢程序通過高清攝像頭對關鍵設備進行遠程巡檢、播放巡檢畫面，自動生成巡檢報告。

　　電子圍欄

　　8、變電站智能安全輔助監控系統平臺

　　此平臺安裝于集控站，可作為一個功能模塊納入集控站現有中心監控系統，也可單獨自成一體并與中心監控系統實現數據共享，該平臺具有智能告警及分析決策能力，可根據變電站各監測單元返回的變電站各項數據，運用分析決策機制獲得分析結果，并將分析結果以簡潔明了的可視化界面綜合展示，值班員可根據分析結果進行人工遠程操作，也可授權平臺自動完成遠程控制動作。

　　場站全景監控

　　四、小結

　　本項目完成后，形成的無人值守變電站智能安全輔助監控方案能夠為后續智能變電站建設提供參考，建成的監控平臺可實現變電站后臺、各級集控站與調度之間的信息共享和信息互動，并對相關環節實現智能化管理，從而為變電站降低運維成本、優化資源配置、提升運行效率及安全生產提供重要保障。