智慧变电站二次及辅控系统新技术分析

潘华，李辉，严亚兵，毛文奇，黎刚，尹超勇

(1.国网湖南省电力有限公司，湖南 长沙410004；2.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南 长沙410007)

0 引言

2019年国家电网有限公司“两会”做出全面推进“三型两网”建设，加快建设具有全球竞争力的世界一流能源互联网企业的战略部署。泛在电力物联网作为“三型两网”建设的重要“一翼”，围绕电力系统各环节，充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通信技术，以数字化管理大幅提高能源生产、能源消费和相关装备制造的安全水平、质量水平、先进水平、效益效率水平，是“三型两网”建设的重要内容、核心任务。根据统一部署，2021年要初步建成泛在电力物联网，基本实现业务协同和数据贯通。因此，当前最紧迫、最重要的任务就是加快推进泛在电力物联网建设[1-6]。

智慧变电站以“一体设计、数字传输、标准接口、远方控制、智能联动、方便运维”为设计理念，以实现“全息感知、自主巡检、远程监控、主动预警、智能决策”为建设目标，是展现泛在电力物联网建设成效的重要窗口。

湖南衡阳110 kV狮子山变电站作为全国首批7个智慧变电站试点之一，围绕如何实现“全息感知、自主巡检、远程监控、主动预警、智能决策”，在二次及辅控系统方面做了大量有益的探索，本文在介绍变电站整体建设架构的基础上，重点分析了主控系统、辅控系统相关新技术及应用，阐述智慧变电站建设过程中开展二次及辅控系统厂内联调的意义及试验项目，最后就二次及辅控系统新技术如何有效落地提出相关建议。

1 系统整体架构

智慧变电站整体架构如图1所示。与传统变电站结构相比，变电站I区仍为主设备监控系统，但在II区增加了辅助设备监控主机，分别接入在线监测、巡检机器人、视频监控、消防、安全防范、环境监测、SF6监测、照明控制、智能锁控等子系统，并经过辅助网关机经调度数据网上送。整个变电站更强调设备信息的全息感知、数据的融合贯通以及多维度的协调互动，在变电站层级实现设备信息的边缘计算，为地市公司及省公司层级的运检智能化管控平台的分析决策及专业精益化管理提供信息支撑。

泛在电力物联网分为感知层、网络层、平台层以及应用层四层架构，智慧变电站可对应其中的感知层、网络层、平台层[5-6]。

图1 智慧变电站结构示意图

感知层主要由终端层设备组成，主要涉及传统一二次设备、辅控设备和新型监测、控制设备，如计算机监控系统、自动化系统、主变套管油压、套管介损及电容量、铁芯及夹件电流、主变油温、免维型呼吸器、主变中性点接地刀闸力矩、避雷器泄漏电流、HGIS(T)SF6压力、内置式MOA泄漏电流、断路器弹簧压力、大负荷开关柜触头温度、开关柜局部放电、无功投切断路器机械特性测试等在线监测设备，以及远程监视与管理系统、冗余集中测控装置、测控就地模块、电能质量专用就地模块、宽频测量装置、电能质量监测装置等。

网络层主要由电力光纤网及各类无线专网组成，实现感知层设备信息与平台层的交互，目前在站内与主、辅设备集中监控主机通讯主要通过就地模块将各类协议统一为IEC61850通讯协议后进行交互。

平台层包含变电站内交直流一体化电源系统、综合监控系统、安防系统、门禁系统、消防系统、环境监测系统、照明控制系统、六氟化硫监测系统、智能锁控系统、在线监测系统、视频监控系统、机器人巡检系统等子系统，在实现相关数据采集的同时，进行基于设备信息的边缘计算，相关结果上送地市公司及省公司层级配置的变电站业务应用层平台。

变电站业务应用层则以生产监控指挥中心(变电综合信息处理系统)为基础平台，通过汇集各智慧变电站信息，实现远程视频漫游巡视、实景3D建模、进站作业管控、站内作业管控、远方智能巡检、感知数据归集、远程预警、远方故障确认、操作监护、主辅设备智能联动、站内系统远程控制、运检管控系统贯通等功能。

2 二次及辅控系统新技术

2.1 二次系统新技术应用

以保护及自动化装置为主的二次系统，在技术上已较为成熟，此次试点更多的是针对前期智能变电站运维过程中暴露出的设备及运维检修中的问题，并结合服务于泛在电力物联网在调控系统试点开展相关新技术应用。

2.1.1 保护、测控新装置应用

1)一次设备就地模块。应用以分布处理为原则，具有数字转化、结构紧凑、分散布置特点的一次设备就地模块，替代原有智能终端、合并单元，避免单一设备故障影响范围大，如图2所示。一次设备就地模块用于实现变电站一次设备信息(模拟量、开关量)数字量转换和传输，可实现电压、电流、油温、油位等模拟量及断路器状态、分接头档位、非电量信号等开关量的就地数字化，智慧变电站内泛在物联网的感知层设备符合就地数字化技术的发展方向。可与一次设备同体或就近安装，高防护、高抗干扰，适应现场恶劣自然和电磁环境，免配置，即插即用，可实现更换式检修，极大减轻现场调试及运维工作量。

图2 智慧变电站一次设备就地模块功能特点

2)冗余测控装置。冗余后备测控装置[7]包含多个(最多15个)虚拟测控单元，按间隔实现变电站测控装置的集中式冗余后备功能。冗余备用测控装置接入若干间隔采集数据，当间隔测控故障或检修退出时，人工投入集中冗余备用装置中对应的虚拟间隔；当间隔测控重新投入运行时，自动退出该虚拟间隔测控。该设备在智慧变电站中的应用，可有效提高主设备监控系统的可靠性，有力支撑坚强智能电网的建设。

3)宽频测量装置。随着电网电力电子化特征愈发明显，传统的测控装置难以满足电网高次谐波的采集要求。因此，在变电站内应配置宽频测量装置来监测电力电子化电网的谐波特性[8]。配置后，可测量次同步振荡(2.5～45 Hz)、超同步振荡(55～100 Hz)、间谐波＆谐波(＞100 Hz)。该装置在智慧变电站中的应用，可加强电网状态感知能力，提高电网供电质量。

2.1.2 智慧高级应用

1)一键顺控。一键顺控集成于变电站监控系统，具备操作票库、生成任务、模拟预演、指令执行、权限管理、防误闭锁、操作记录、人机界面等功能，并能与智能防误主机、辅助设备监视系统交互[9-10]。其具备操作流程标准化、安全性好等技术优势，如图3所示。随着变电专业管理集约化及精益化程度的不断深入以及一次设备位置双确认技术研究的成熟，一键顺控功能具备远方实施的条件，本次狮子山智慧变电站建设将试点远方一键顺控功能，该功能的试点将对后续转变运检模式、减轻现场运维工作量产生积极影响。

图3 一键顺控示意图

2)一、二次设备对应状态监视。一、二次设备的对应监视是变电站运维的重要一环，因此建立一、二次对应关系逻辑库，来实时预警状态不对应，能够辅助运维人员快速定位设备异常。通过一、二次设备对应状态监视，可实现间隔一、二次设备状态不对应告警简报推送，异常压板识别闪烁告警，对应关系导出等功能。具有实时监视，可视化展示设备状态以及多重告警，便于异常快速定位等优势。

3)检修断面比对。检修人员在现场作业结束后，需要进行设备状态还原，通过检修前断面保存和检修后断面比对，可以规避人工操作的疏漏，智能化的规范检修工作。在应用时，断面比对工具逐级显示两个断面涉及的一二次设备状态具体比对结果，如有异常，则用红色逐级标注出具体的一次间隔及设备、二次装置及软压板或遥信，通过以智能检测代替人工记录，可大幅提高工作可靠性。

4)自动验收。厂站端增加独立的自动验收装置[11]，具备SCD校核、RCD校核功能、数据触发功能、IEC104客户端功能及闭环测试校核功能，可以实现远动信息验证功能模块和数据通信网关机数据触发功能模块。自动验收包括模型及点表信息和网关机闭环校核阶段、站内同步验收阶段以及调度验收阶段三个步骤。通过自动验收可大大提升调试对点效率，节省调试、验收时间。

2.2 辅控系统新技术应用

辅助设备按照“一体设计、精简层级、数字传输、标准接口、远方控制、智能联动、方便运维”等要求进行设计，全面提升辅助设备管控能力。变电站统一部署一套辅助设备监控系统，集成变电站内安防、环境监测、照明控制、SF6监测、智能锁控、在线监测、消防、视频监控、巡检机器人等子系统[12-15]。

2.2.1 辅控系统子系统

1)视频监控系统。视频监控系统是对变电站主要设备外观状态、各设备室、变电站大门、周界、出入口和辅助设施进行图像监视并实现实时视频预览回放、分析监测、告警管理和用户权限管理等功能的系统，具备与安防、消防、在线监测、智能锁控、照明系统、主设备监视联动及远方智能巡检功能，主要由视频监控主机、硬盘录像机和摄像机等构成。视频信息除可在站内视频监控主机监控外，还通过视频接口B协议上送至电网统一视频平台(变电综合信息处理系统)。

2)在线监测系统。在线监测系统实现在线监测数据采集、传输、后台分析处理、存储及转发至省级在线监测主站的功能，由设备在线监测装置专用在线监测就地模块、设备在线监测IED和站端在线监测主机(CAC)组成。

3)环境监测系统。变电站环境监控系统通过各类传感器、控制箱、就地模块等设备对变电站内温湿度、微气象、溢水、SF6气体浓度等环境信息的实时采集监测，联动控制空调、风机等设备，达到改善站内设备运行环境的效果，保障变电站设备安全可靠运行。

4)智能灯光控制系统。变电站智能灯光控制系统是根据变电站现场照明实际需求，按区域控制灯具开启/关闭、实时监控灯具状态的系统。灯光智能控制系统由主机、控制模块和照明灯具构成，能够实现照明远程控制、灯具状态信息查询和统计等功能。通过就地模块接入辅助设备监控系统，具备与视频监控、在线监测系统、主设备监视联动功能。

5)消防系统。变电站消防系统由火灾探测器、报警装置、灭火装置和消防主机构成，通过感温、感烟等火灾探测器将燃烧产生的烟雾、热量等物理量转变为电信号，实现对不同类型火灾的探测、报警以及灭火功能。各类消防信息通过消防专用传输单元接入辅助设备监控主机、运检网关机，具备与视频监控、照明、在线监测、主设备监视联动功能。

6)安全防护系统。安全防护系统是以维护变电站安全为目的，综合运用安全防范技术和其他科学技术，具有防入侵、防盗窃、防抢劫、防破坏等功能的系统，通常也称为变电站技防工程。由安装在变电站各种出入口的门禁设备、电子围栏、红外对射探测器、双鉴探测器以及相关就地模块构成。并通过就地模块接入辅助设备监控系统，实现门禁系统、防入侵系统数据采集、运行监视、操作控制等功能，具备与视频监控、照明系统联动功能。

7)智能锁控系统。智能锁控制系统由锁控控制器、电子钥匙、变电站锁具组成，实现变电站各类锁具的“一匙”开启，替代各类传统机械锁具和钥匙的同时，具有开锁权限远程化控制、开锁记录数据化存储、开锁流程信息化管理等功能。

8)智能机器人巡检系统。智能巡检机器人系统是利用磁导航、激光导航等方式，搭载可见光相机、红外热像仪等传感检测设备，利用图像识别、红外带电检测、自动充电等自动化、智能化技术，通过自主或遥控模式实现对变电站设备、环境进行智能巡检的系统，具备与在线监测、消防、站用交直流系统、主设备监视联动功能。变电站智能巡检机器人系统主要有智能巡检机器人、本地监控后台、无线基站、充电房等设备。

2.2.2 就地模块

各辅控系统子系统配置就地模块，分为通用就地模块、RS485就地模块、门禁专用就地模块、在线监测专用就地模块四类，实现变电站辅助设备就地化数据采集，实现数据的上传、信令的下发，数量按需配置。就地模块采用DL/T 860规约与辅助设备监控主机、辅助网关机通信。

2.2.3 智慧高级应用

1)智能联动。计算机通讯技术及在线监视手段的不断丰富为智能联动提供了实现的硬件条件。智慧变电站内智能联动总体可分为主设备监控系统与辅控子系统/视频监控系统联动、辅控子系统间及辅控子系统/视频监控系统间联动两大类。通过主辅设备以及辅助设备监控子系统间的智能联动，可极大提高操作效率和提高应急响应速度。如在一次设备操作过程中，联动视频预览，可大大缩短设备位置人工确认时间，提高操作效率；通过各辅助设备监控子系统间数据共享、协同控制，在事故跳闸、一次设备异常、火灾报警、环境监测越限告警等异常发生时，可缩短异常处置时间，提高应急响应速度。

2)联合巡检。在站端配置1台联合巡检主机，可实现站端机器人、摄像机巡检任务的调配、巡检结果图片的分析等功能，同时将巡检结果转发至地市公司层级的变电信息综合处理系统。该功能在智慧变电站中的应用，将实现巡检模式由人工巡检向无人自主巡检的转变，有效减轻现场运维人员工作量。

3)现场智能管控。利用视频监控的分析主机，开展图像识别与智能分析，可实现人员分析(人员违规进入非工作范围、人员不正确着装以及车辆出入等的检测)、设备分析(设备外观异常诊断、视频类故障类型诊断等)、环境分析(异物入侵告警、烟火识别主动告警等)，实现人员、设备、环境状态的全面感知，即时发现违规及异常，实现现场智能管控，有效提升现场安全管理。

3 二次及辅控系统厂内联调

二次及辅控系统厂内联调主要目的是为了验证站内主、辅控系统及其相关设备各项技术指标、基本功能、通讯接口、逻辑策略以及优先级是否满足相关技术规定以及现场实际应用需求，提前发现二次及辅控设备问题，有效节约现场调试时间。

厂内联调宜搭建与现场实际一致的二次及辅控系统测试平台，如图4所示。如无法实现所有二次及辅控设备到厂联调时，应按典型间隔搭建最小系统。参调设备应至少包括主、辅助设备监控系统主机、工作站、网关机、保护装置、测控装置、时钟系统、巡检机器人主机、视频监控主机、辅助设备就地模块、一次设备就地模块以及在线监测、巡检机器人、视频监控、消防、安全防范、环境监测、SF6监测、照明控制、智能锁控子系统传感器等主要设备。具备条件时，宜同步开展站端主、辅系统与调控主站、辅助设备集中监控系统以及变电信息综合处理系统的接口及功能试验。

图4 厂内联调系统结构图

测试项目应涵盖保护、测控装置及相关就地模块的基本配置、基本功能以及逻辑性能检测；在线监测、巡检机器人、视频监控、消防、安全防范、环境监测、SF6监测、照明控制、智能锁控子系统等各辅控子系统基础功能及性能测试；主、辅监控系统功能测试；智能联动策略验证；站端主、辅系统与调控主站、辅助设备集中监控系统以及变电信息综合处理系统接口及功能试验等。

以智能联动测试为例，首先应制定站端主、辅设备间联动关系策略表，见表1。再根据站内传感器配置，细化联动策略并开展相关验证。如安全防护系统与视频监控系统、智能灯光系统联动测试应能满足场景功能:

1)当变电站大门人脸识别或车辆识别通过时，联动打开大门、开启大门周边灯光，并联动大门的实时视频弹窗提示。

2)当变电站发生红外对射或电子围栏告警时，联动打开对应告警地点的灯光，并联动摄像头查看告警地点的实时视频弹窗提示。

3)当变电站门禁动作时，联动对应门禁小室的灯光，并联动摄像头查看对应门禁的实时视频弹窗。

表1 智慧变电站站端主、辅设备间联动关系策略表

4 结论

智慧变电站是变电站专业设备状态管控从单一量检测到多源融合的全息感知转变、巡检模式从人工巡检向无人自主巡检转变、主辅设备由站端向远端监控转变、运行工况由人工推送向主动预警转变、设备异常由经验判断向智能AI决策转变的有益尝试。但智慧变电站作为一个新生事物，没有先例可循，需要在理论体系、技术路线等方面不断创新探索，二次及辅控系统等新技术的应用应坚持实用实效，在推动企业数字化转型的同时，以能够解决现场问题、创造价值为目标，实现高质量、有效益、可持续发展；同时，应坚持管理变革，在二次及辅控系统新技术应用的同时，管理制度上要同步变革，要持续优化业务流程、规章制度，不让不合理的制度及机制成为新技术应用的“拦路虎”、“绊脚石”。