基于数据集成的电网全渠道一体化监控系统设计

谢 枫，岳 虎，王 莉，刘晓伟，李雪梅

（1.国网冀北电力有限公司营销服务中心（计量中心），北京 100045；2.国网冀北电力有限公司，北京 100045）

由于变电所设备陈旧、仪器老化、无人值班，使得监控数据难以远程传输到监控中心，监控中心的工作人员不能正确判断前端变电站发生的具体情况和事件[1]。极大地降低了整个控制系统的稳定性和安全性，无法及时有效地控制事故的发生[2]。

各种变电所事故频发，设备陈旧，火灾时有发生，给国家财产造成巨大损失，对人民生命构成极大威胁。加之一些变电站使用昂贵的电力设备，偷窃事件屡见不鲜，增加了犯罪事件的发生率。这一切从根本上对电网造成了不良影响，威胁到系统设备的安全运行[3]。

在现有的电力监控系统中，通过独立的VQC装置和网络VQC系统，可以对已发生的异常、故障和事故进行报警和显示，但不能有效地监控电力系统的安全隐患。基于数据集成的电网综合监控系统的设计与开发已迫在眉睫，能够及时发现电力系统的安全隐患和薄弱环节，及时消除安全隐患。电网综合监控系统大大提高了电力系统运行的安全性和可靠性，为实现用户高质量用电提供技术保障。

1 监控系统组成

视频信号经H.264协议压缩后，可以同时传输多个信号。此协议能有效降低对数据通信的占用，采用TCP/positive或UDP协议进行网络传输[4-6]。按照监测系统的类型和特点，将整个系统划分为配电站、计算机网络数据传输和用户监测中心三大部分。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

1.1 现场变电站

采用稳定性高、处理能力强的工控机进行信号的采集、处理和存储。并配备高频率CPU用户大容量硬盘，便于大量的数据传输和计算，可长时间连续运行。每个监控点均安装摄像机来采集视频信号（由解码器控制镜头聚焦和PTZ控制）[7-8]。变电站的现场监控结构如图2所示。

图2 变电站现场监控结构

计算机与报警器通过RS485端口相连，并在控制中心对摄像机和PTZ采集信号进行存储管理[9-10]。PTZ的摄像机和遥控器由计算机控制，报警装置连接到控制中心。采用视频采集卡对摄像机采集的视频信号进行采集与组织，以高性能视频采集卡代替原有的视频采集卡，Video将视频信号压缩为H.264视频数据，并将其存储在监控中心的计算机中，使得Video更适用于网络传输[11]。

1.2 站端系统

主机房配有监控图形终端，实现变电站现场监控与视频联动[12]。设置环境监控主机，实现网站视频、语音、环境信息的实时处理、传输、存储等功能。并将所采集的流媒体信息及辅助通信信息同时转发，作为通信网关。这些视频使用本地视频录制，并存储于网络存储设备或网络高清视频服务器(NVR)。影像资料之分辨率不得少于720P(1 280*720)，储存时间不得少于30天。具备本地手动记录、定时记录、报警触发记录、屏幕切换检测记录等功能，以BMP/JPG格式保存任意播放图像，能播放任意摄像机的历史图像和报警视频[13-14]。回放方式支持慢动作、正常速度、快速等等。控制楼屋顶安装风速传感器，实时监测楼顶风速。当风速过大时，报警装置将启动，将报警信息上传并下达到当地操作站和监控中心的图形终端，工作站有语音报警提示[15-16]。

1.3 视频联动系统

为了达到防错、监控、视频的互补与协调的目的，并实现远程控制操作、现场切换操作、报警视频联动等功能，需与监控器生产厂家合作，向防误系统和遥控视频监控器发送全部开合状态，在此过程中，防误系统必须阻止监控系统的远程操作。视频联动结构如图3所示。

图3 视频联动结构

1.4 运维站

运维站包括以太网交换机、流式服务器、通信服务器、报警服务器、监控工作站等。为了确保系统的可靠性，服务器同时使用活动和备用冗余配置。流服务器实现音视频的实时转发和分发功能，把每个分站的流视频转发到多个客户端。如果需要多个客户同时访问视频数据，服务器就会接收并复制这些数据信息，然后在局域网中重放，使多个客户同时接收这些数据信息。通信服务端与各变电站的信息处理机进行通信，采集电力环境数据、SCADA数据等，并转发到监控工作站和控制中心。

报警器处理各种报警信息，分为一般报警、重要报警和紧急报警。应急警报先于重要警报，重要警报先于一般警报。基于用户的需要，可以设定报警等级。

2 系统功能设计

为了给系统提供更加精准的数据，需采用数据集成方法对电网数据进行归一化处理，以处理结果为基础，设计监测报警功能。

2.1 基于数据集成的电网数据归一化处理

确定电网数据处理对象待评价物元为：

式（1）中：Fj表示评价等级；a1,a2,…,an表示评价等级的n个不同特征；h1j,h2j,…,hnj表示评价等级对应的取值范围；anj和bnj分别为hnj的取值边界。

当评价指标实际测试电网数据超过边界范围时，为此无法预测其他关联数据，需要进一步完善评价和规划目标。根据待评估的事项说明，可得到：

对待评价物元进行规格化处理，可得：

通过归一化处理后，可将全部数据集成到统一数据传输信道内，避免出现监控过程延迟现象。

2.2 监测报警功能

监控系统检测到火灾或非法入侵时，自动发出报警信息，并自动调整摄像机位置，自动记录故障位置图像。监控中心工作人员可通过监控系统屏幕，同时发出相应的报警信号，查看相应的报警信息。

2.2.1 报警联动功能

发生联机报警信号时，可以执行下列操作：1）自动插入报警点图像；2）有关区域自动开启照明系统；3）自开警报，延时关闭；4）自动显示弹出报警文本对话框，生成并保存报警记录；5）音效自动提示，经服务生确认后自动静音；6）自开机相关镜头开始录音报警，延迟关机；7）在同时收到多个警报时，警报弹出框将重叠。

2.2.2 消防报警系统功能

烟气检测器实现对室内烟气的采集，检测到烟气时向监控者发出报警信号。

2.2.3 周界围墙红外对射报警功能

围墙上安装了一个主动红外线警报，如果这段时间有物体经过，光源就会被阻断，从而提供一个监控主机的报警信号。周边警报系统的警报范围为：1）有人或物体侵入；2）警报装置损坏。

2.2.4 灯光联动控制系统功能

监控器必须能实现变电站室内外灯光自动控制和手动控制，前一种采用监控系统的联动功能，实现照明系统的自动开关和延迟时间；后一种采用手动方式实施。

3 系统运行调试研究

根据系统研发流程，构建的基于数据集成的电网全渠道一体化监控系统需要进行调试研究。

3.1 电网全渠道数据统计

选择某电力企业2019年电网全渠道运行数据，并以电网监控下一周内的变化情况为基础，如表1所示。

表1 电网全渠道数据统计

由表1可知：在时间为20:00时，电网渠道数据流通量最大，用户可通过查看电网全渠道数据来分析电网实际运行情况。

3.2 监控效果对比分析

根据上述统计的全部数据，分析20:00的数据，分别使用独立VQC装置、网络VQC系统和基于数据集成系统分析电网全渠道中数据传输情况，结果如图4所示。

图4 不同系统在电网全渠道数据传输情况对比分析

由图4可知：在独立VQC装置中，电网全渠道的电压、电流和功率数据不规则排列，十分散乱，且部分数据离开渠道；在网络VQC系统中，电网全渠道的数据在横向方向呈不规则排列，但纵向排列十分规整；使用基于数据集成系统横纵方向数据排列规整。

在上述分析内容下，将3种系统数据监控精准度进行对比分析，结果如表2所示。

表2 3种系统数据监控精准度对比分析

由表2可知：使用基于数据集成系统监控精准度较高，而使用其他两种系统监控精准度较低。

4 结束语

依据基于数据集成的电网综合监控系统的设计思想，可以根据各地电网的实际情况灵活地设定监测参数。监管机构对电网进行实时监控，能及时发现电网运行中的安全隐患，并进行关键环节的监控和处理，以最大限度地降低电网事故发生率，确保电网运行的可靠性和稳定性。但是，由于时间的关系，还有很多后续的问题需要研究。在系统开发的前期规划管理过程中，任务的划分比较粗糙，需要进一步细分；在后续评估过程中，指标体系还不够完善，评估指标体系还有待进一步完善。