适于大运行模式的变电站辅助控制系统集成设计
许继电气股份有限公司的研究人员魏勇、杨东海等，在2015年第1期《电气技术》杂志上撰文，本文结合国家电网公司大运行模式下对变电站辅助控制系统的要求，进行了适用于大运行模式下无人值班、远方集中监视及运维特点的变电站辅助控制系统，智能一体化功能设计和辅助控制系统软件设计，定义了系统的框架结构，重点对分布式大系统的网省级软件设计技术、灵活逻辑联动技术、智能视频分析技术、可靠性设计技术等几项关键设计技术进行了详细的阐述，本系统已在多个实际的变电站监控系统工程中得到成功应用。
1 引言
变电站是电网的重要基础节点，通过配置监控系统（SCADA），实现了全站“四遥”及继电保护信息的监视与控制、信息远传，为保障变电站的安全运行发挥了重要作用[1]。
除此之外，在变电站还部署视频监控系统、动力环境监测系统、空调通风系统、给排水系统、火灾自动报警及消防系统等辅助生产系统[2~4]，目前这些系统依然是各自独立、分散的小型自动化装置，未实现多维度变电站运行及监测信息的智能集成应用，这些零散的信息往往需要耗费变电站运行值班人员更多的精力来关注、理解和处理，导致这些孤立的小系统普遍存在实用化程度不高的问题。
随着国家电网公司大运行模式的深入实践，通过对原有的变电监控以及运维管理全面的分离，业务一定程度的整合，实现了变电站监控的一体化管控，使变电站故障处理的效率以及日常的操作效率得到较大程度上的提高[5]。
为适应“远程、无人值班”的大运行模式下变电站智能运维管理要求，有必要整合变电站现有的分散安装配置的辅助生产小系统，构建统一的变电站辅助控制系统。国家电网公司颁布了相应的技术规范[6~7]，明确要求在变电站新建和改造站建设中摈弃原有的分散建设模式，采用统一的变电站辅助控制系统模式，该系统和变电站原有的SCADA系统协同工作，实现变电站信息的全息监控。
本文将在分析变电站辅助控制系统各子系统业务需求的基础上，结合相关技术规范要求，本着“数据集成、智能分析、综合决策、可视操控”的设计理念，进行适于大运行模式下的变电站辅助控制系统一体化集成设计。
2 功能设计
变电站辅助控制系统主要完成：视频监控、动力环境监控、安全防卫、智能门禁、火灾报警及消防等功能，通过对这些变电站辅助功能的整合、优化及管理，运用在线监测、智能预警、联动控制等技术手段，和变电站SCADA系统协同工作，共同实现变电站的安全稳定运行。
为实现上述集成型变电站辅助控制系统功能，需要进行下列集成方式功能设计。
1）全景信息收集与建模
高度集成变电站内所有辅助生产小系统，实现对变电站多方位、全天候的状态监视。通过对不同来源的数据和数据类型进行统一建模、提供标准数据访问服务，为辅助生产设备及变电站运行环境提供完备的全景信息库。
2）全景数据共享、集中管理、统一处理
对变电站的所有视频、环境、安防、人员出入、火灾报警、设备状态、操作记录等数据信息进行统一存储、管理，并自动分析处理，生成日志、曲线、报表等，所有信息在监控系统进行一体化综合展示，并可远传到监控中心或运维中心。
3）远程监视
远程监视功能以摄像机的远程轮巡监看方式来代替人员的日常现场巡视。在监视设备外观的同时，该设备的在线监测数据、状态信息、周围环境信息可自动跟踪显示，并自动生成日常巡视表，注明巡视的变电站、巡视时间、巡视人员等相关信息。
4）远程控制
监控人员在远方的监控中心通过客户端或浏览器可对变电站的设备进行远程操作，可远程启动或关闭空调、风机、排水系统、灯具、摄像机等设备。
5）智能分析及联动调控
变电站智能辅助控制系统以“智能调控”为核心，对影响变电站运行的因素进行全方位、多手段的实时联网监测。通过数据共享和智能分析，自动判断出各类异常情况，并可灵活实现各辅助生产系统间的协调联动，消除异常情况造成的影响。智能辅助控制系统可以和变电站SCADA系统进行标准方式的信息交互，为变电站智能运行调度提供保障。
3 系统结构
集成型变电站辅助控制系统设计采用分层、分区的分布式结构，按省级主站系统、地区级主站系统和站端系统三级构建，各级系统间的信息传输采用标准以太网方式。地区级主站集中管理所辖地区的所有变电站的辅助监控信息，同时与省级主站进行信息交互；在省级主站可以集中查看、管理全省所有变电站的运行状况。
网省级主站系统安装部署于省电力公司监控运维中心，整体结构如图1所示。
图1 网省级变电站辅助控制系统结构
安装部署于变电站内的站端系统主要由系统后台主机、传输设备、综合数据接入设备、各类辅助生产系统电子设备组成，如图2所示。
图2 站端变电站辅助监控系统结构
变电站智能辅助控制系统后台主机采用X86架构的嵌入式工业计算机，Linux操作系统。通过安装在主机上的监控服务软件，实现辅助控制系统的所有功能；综合数据接入设备具有数据采集和协议转换的功能。
该装置提供多路RS485接口、4-20mA电流环接口、开关量输入输出接口、以太网通信接口，在完成数据采集的同时，将各类信息转换为IEC 61850协议。
整个系统以后台主机为核心，完成对各类系统的高度整合。在维持现有各子系统相对独立运行和自动闭环控制的前提下，后台主机以标准的IEC 61850协议和各子系统保持通信，通过与各子系统交互实现对变电站现场视频及其它各种生产信息的采集、处理、监控。
4 关键设计
4.1 网省级大型主站软件设计
网省级主站软件系统采用层次化、模块化的结构和面向对象的设计思想。在数据库设计方面，采用分布式数据库技术，提供大容量、高效率数据吞吐访问；在高速实时数据访问方面，采用可适应不同网络环境的流媒体转发技术，并灵活支持单播、广播、组播等方式；在客户端交互方面，采用电子地图技术，方便使用者监视及操控；在数据接口方面，提供C/S、B/S访问方式，实现不同厂家的前端系统与其它系统的信息交互。
客户端软件完成系统配置、设备控制、实时查看、历史浏览等用户界面交互功能。前端系统既可以安装在辅控主机内，也可以安装在其他的PC上。
服务软件完成与外围设备连接、数据采集、日志记录、与客户端通信等核心功能；服务端软件安装于辅控主机内，主机启动后自动运行。
客户端与服务端可以完全分开单独安装在独立的机器上运行，一个服务端可以被多个客户端连接，一个客户端也可以分别与不同的服务端连接。
4.2 灵活逻辑联动设计
变电站辅控系统经常需要根据不同外界参量的动态变化来实时地进行各种调节和控制操作，常见的做法是通过在辅控软件中固化某些程序化的流程操控指令来实现，在实际应用过程中发现现场的联动逻辑千差万别且在随时都需要变化，这就导致了原有的辅控系统的逻辑联动功能不实用。
为解决此问题，本系统采用了“联动逻辑模板+逻辑脚本引擎”技术，解决此问题，即通过预定义（用户可编辑和扩充）的“联动逻辑模板”技术实现常见联动逻辑的快捷实现，通过“逻辑脚本引擎”来实现个性化的、非规则的、复杂的用户逻辑联动控制。
智能型变电站辅控系统可实现对每一设备的具体动作都可以设置触发条件，从而实现系统之间的灵活的、广泛的联动逻辑控制，主要包括：
1）当入侵行为触发报警时，相关摄像机自动凝视侵入目标，并可启动录像功能（光线不足时可自动打开灯具）。同时可启动声光报警器，监控界面自动推出报警窗口，并配合电子地图显示。
2）当水浸监测到电缆沟高液位时，能自动启动给排水系统。
3）变电站环境量可以设置报警阀值，当温湿度越限时，监控界面自动给出报警信息，同时自动启动通风系统、空调系统或者加热器。
4）SF6发生泄漏时，系统对风机控制器发出排风指令，启动声光报警；当有人进入操作室时，红外监测节点感知到信号，并自动启动风机。
5）发生火灾报警时，联动相关的视频监视系统摄像头，自动推出报警画面。系统联动闭锁空调、风机，防止火灾蔓延，自动打开所有门禁保证人员顺利疏散；同时可与自动消防系统联动，启动灭火设备。
6）正常刷卡开门、密码开门、出门按钮开门时，调整到相关摄像机的预置位并录像和（或）拍照，且录像时间可设；夜间时自动打开相应的灯光，且灯光持续时间可设。非法刷卡、非法密码开门时，调整相关摄像机的预置位并录像和（或）拍照，且录像时间可设；夜间时自动打开相应的灯光，且灯光持续时间可设；同时启动相应的声光报警器，且报警持续时间可设。
7）照明控制系统的联动。照明控制系统与视频监视系统、火灾报警系统、安全防范系统等多个系统实现联动，实现了夜间和光线照度不够时提供足够的光线亮度。
8）与SCADA系统进行联动。在操作开关、刀闸或发生事故跳闸时可以联动周围的多个摄像机，自动将摄像机对准到相关设备，实现多角度视频信息的实时监控，并对整个操作过程进行全程录像。操作后开关刀闸是否到位，可以由系统运用智能视频分析（IVS）技术，将操作结果返回SCADA系统，供操作人员参考。
4.3 智能视频分析设计
智能型变电站辅控系统的视频监控部分主要负责对全站主要电气设备、安装地点及周边环境进行全天候的视频监视。除了常规视频监控外，一般需要对变电站内的多个监控区域进行实时图像的编解码和数据传输及多窗口视频图像展示，数据运算量非常大，辅控主机运算性能不足时容易产生发热、图像卡顿、甚至死机等问题，是辅控系统的关键技术难点，本系统采用智能视频分析技术解决上述问题。
本系统采用第三代网络数字视频监控技术，以嵌入式网络视频录像机（DVR）为核心。使用专用视频压缩芯片，采用H.264压缩方式，视频压缩效率高，网络占用带宽低。采用国际通用的图像存储格式进行图像记录和存储，音频压缩标准采用 ITU-T G.711标准。视频信号制式采用符合国家标准的视频制式（PAL），图像清晰度在 540TVL 以上。同时在辅控系统综合监控平台显示功能中，各种菜单、说明都为中文显示。
为最大程度保证平台的视频监控效果，视频不采用二次及以上压缩，即从变电站前端压缩编码到各级终端解压回显，中间过程不再有其他任何形式的压缩编码。
本系统设计了智能视频分析功能，通过配置视频分析服务器，根据命令启动摄像机预置位，采集监视对象的视频画面。可以对“穿越警戒面、进入区域、离开区域、区域入侵、物品拿取放置、徘徊、人员聚集、非法停车、快速移动”等视频场景进行智能视频分析，在指定时间内进行数据分析，并进行模型比对，分析结果可以是模型数据、分析图片或视频片段。
4.4 可靠性设计
1）防雷：对于支架安装的摄像机，由于位置较高，可能会受到直击雷的危害，因此系统设计安装避雷针。避雷针的架设综合考虑周边环境因素，确保视频监控前端设备（摄像机、终端盒）处于直击雷防护范围内。
摄像机外壳、摄像机支架及场地终端盒等进行可靠接地，并接入变电站接地系统。为进一步提高系统的抗雷击能力，除设备设计考虑具备防雷功能外，电源线也设计满足三级防雷要求，对弱电线路采取防浪涌措施，各类可能引入雷击的线缆加装各种防雷器。
对于模拟摄像机，采用三合一（电源、视频、RS485线缆）防雷器；对于网络摄像机，采用单相电源防雷器及机架式网络信号防雷器。
2）抗干扰：变电站易辅助控制系统易受干扰的信号主要包括：视频信号、控制信号及数字信号。一般干扰信号可通过网线、RS485通讯线、同轴电缆进入系统，本系统的抗干扰设计从以下方面考虑：
A）系统采用的设备均按工业标准设计，增强抗强电磁干扰能力；B）设备采用屏蔽措施增强设备的抗干扰能力，场地终端盒及摄像机采用全金属外壳，并可靠接地；C）设备可靠接地，将工作地和保护地严格分开；D）传输通道采用光缆，光缆的不导电性可有效的避免来自变电站环境的各种电磁干扰、雷击和浪涌过电压、操作过电压及静电干扰等。
3）电源供电：为保障系统可靠运行，应提高变电站的供电可靠性，具体措施是：
A）系统监控屏体采用专用220V/50Hz交流电源回路，不与空调等大负荷用电装置在同一回路；B）变电站场地监控点的电源由监控系统屏集中配送，每路电缆出线和空开上都需有标签详细说明，便于维护、检修；C）摄像机供电线路采用截面不小于1.5mm2电缆线路，电源供电回路具备防雷和防过电压能力。
5 结论
本文结合现阶段国家电网公司三集五大发展战略背景下对大运行模式的要求，实现了变电站辅助控制系统的集成化设计，高度整合变电站所有辅助生产子系统，除了强调各个子系统之间的信息共享和信息互动之外，还在多个维度与其他系统进行信息整合，纵向与网省级主站的信息交互，横向与变电站自动化系统(SCADA系统)的信息交互、信息互动，通过大型网省级主站软件设计、灵活逻辑联动、智能视频分析、可靠性设计等方案设计，可满足大运行模式下对变电站辅助生产系统的运维要求。
本系统已在河南电网多个智能变电站自动化系统中得到成功应用，有效提升了变电站的技术及运维管理水平。