陳 可，趙 艷，施柳宇，徐文扣，徐宇飛，李正杰

（南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京211167）

隨著能源革命和數(shù)字革命的融合發(fā)展，國家電網(wǎng)總公司提出了“三型兩網(wǎng)，世界一流”的戰(zhàn)略目標(biāo)，打造泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，進一步推進智能電網(wǎng)的建設(shè)，智能變電站是其中重要的一環(huán)。為了保證變電站安全穩(wěn)定的運行，基本都安裝了環(huán)境監(jiān)測、視頻監(jiān)控等輔助系統(tǒng)，但是，如今的智能電網(wǎng)的發(fā)展在全世界還處于起步階段，有些技術(shù)尚未完全成熟，作為智能電網(wǎng)不可或缺的一部分，變電站輔助控制系統(tǒng)正是實現(xiàn)電網(wǎng)智能化和電網(wǎng)監(jiān)控的重要手段之一。

傳統(tǒng)的變電站通常以人工巡檢的方式為主，這種方式不確定性大，耗時耗力。如今，變電站數(shù)量以及電網(wǎng)業(yè)務(wù)迅速增加，傳統(tǒng)的人工巡檢的工作效率愈發(fā)低下，并且經(jīng)濟效益較低。為保障電網(wǎng)的正常運行及變電站正常的工作，變電站如今配備了大量的監(jiān)控設(shè)備，但是這些系統(tǒng)大多數(shù)為模塊化的小型單元，獨立并且分散，難以以少量的人工來關(guān)注、維護、理解系統(tǒng)內(nèi)的信息。因此，變電站輔助控制系統(tǒng)應(yīng)運而生，由此實現(xiàn)了無人值守及電網(wǎng)監(jiān)控的智能化，大大減少了人員的配置，提高電網(wǎng)的經(jīng)濟效益及運行的穩(wěn)定性。

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及通信技術(shù)的快速發(fā)展，如今的變電站輔助控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是高可靠的智能設(shè)備，對變電站視頻監(jiān)控、照明、消防報警、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、空調(diào)控制、集中排水控制、周界防范和采暖控制等功能的實現(xiàn)提供在線監(jiān)測和可靠控制，并遠(yuǎn)程傳到監(jiān)控中心或調(diào)度中心。這為變電站的可靠穩(wěn)定運行提供了技術(shù)保障，從而解決了變電站安全運營的“在控”“可控”的問題，進而滿足了變電站無人值守的要求。

1 變電站輔助控制系統(tǒng)的特點及現(xiàn)狀

1.1 變電站輔助控制系統(tǒng)的特點

1．1．1 高可靠性

變電站輔助控制系統(tǒng)的設(shè)計正是為了給整個電力系統(tǒng)的安全運行提供基礎(chǔ)的保障，所以無論從功能的設(shè)計上還是運行維護上，都具有較高的可靠性。系統(tǒng)具有承擔(dān)高負(fù)荷運行的壓力，在容錯上能較好地保證讀數(shù)的準(zhǔn)確，冗余控制機制也保證了系統(tǒng)準(zhǔn)確的控制。此外，系統(tǒng)還擁有較好的抗干擾能力，對于一些電磁信號和偶發(fā)的干擾，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動屏蔽、降噪和適應(yīng)，以此減少外界干擾對系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的影響。

1．1．2 高智能化

變電站輔助控制系統(tǒng)采用智能采集、智能分析和智能控制等智能手段，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的高智能化。同時智能排查和修復(fù)在系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性上也起著至關(guān)重要的作用。因此，系統(tǒng)的高智能化可以說是整個系統(tǒng)的核心，目前在設(shè)計和研究上也在朝進一步的智能化方向努力。

1．1．3 高效性

系統(tǒng)的高效性主要體現(xiàn)在兩個方面：①人員的高效性。變電站輔助控制系統(tǒng)智能化的特性可實現(xiàn)“無人值守”，大大減少了人員的參與，因此節(jié)省了人力物力，實現(xiàn)了較高的經(jīng)濟效益。②性能的高效性。由于系統(tǒng)采用自動處理數(shù)據(jù)，少了許多人為因素的干擾，執(zhí)行效率大大提高，系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集、處理與集中控制的一體化，使得系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)也具有高效性。

1.2 變電站輔助控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

變電站輔助控制系統(tǒng)在設(shè)計上為變電站穩(wěn)定性提供了比較有效的保障，但是就目前而言，變電站輔助控制系統(tǒng)還存在著一些不足的地方。

1．2．1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

在現(xiàn)有的變電站輔助控制系統(tǒng)中，由于生產(chǎn)的設(shè)備來自不同廠家，存在型號和標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的現(xiàn)象，因此設(shè)備可能出現(xiàn)軟硬件不兼容的情況，以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和功能規(guī)范上的誤差。這樣就難以以一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)作出整體的管理，因此給變電站輔助控制系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性帶來極大的影響。

1．2．2 功能單一且相互獨立

目前，變電站輔助控制系統(tǒng)的功能還比較單一，僅能實現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制之類的簡單功能。對系統(tǒng)運行的安全性檢測和異常情況報錯之類的功能尚未成熟，容易出現(xiàn)誤報、漏報的情況。與此同時，功能之間相對還比較獨立，難以實現(xiàn)信息共享，實現(xiàn)統(tǒng)一的管理和處理。這導(dǎo)致了安全性的降低以及管理成本的提高。

1．2．3 自動化程度不高

盡管變電站輔助控制系統(tǒng)實現(xiàn)了無人值守，大大減少了人工的參與，但是系統(tǒng)仍然需要人員的管理，這就存在自動化程度不高的現(xiàn)象。尤其是數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間的脫節(jié)，導(dǎo)致無法實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)和自動控制的功能。部分功能需要人工手動控制，這樣使得管理以及協(xié)調(diào)遠(yuǎn)不能滿足變電站自動化系統(tǒng)的要求。

2 變電站輔助控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能及應(yīng)用

2.1 變電站輔助控制系統(tǒng)的大體結(jié)構(gòu)與主要功能

輔助控制系統(tǒng)主要由視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、照明子系統(tǒng)、消防報警子系統(tǒng)及其他輔助控制系統(tǒng)組成。

2．1．1 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)

視頻監(jiān)控子系統(tǒng)主要由視頻采集、傳輸以及處理構(gòu)成。視頻信號采集系統(tǒng)包括變電站內(nèi)的攝像設(shè)備，能夠?qū)φ緝?nèi)圖像進行采集。采集到的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮后，通過線纜與光纖，傳輸至視頻信號處理系統(tǒng)。

系統(tǒng)主要可以實現(xiàn)以下功能：①圖像監(jiān)視及錄像。能夠完整地觀看變電站主要區(qū)域設(shè)備的情況并存儲視頻，以便未來調(diào)用。②與其他系統(tǒng)進行聯(lián)動。系統(tǒng)自動記錄每條報警事件，并彈出視頻窗口，提示調(diào)度人員觀察。③智能分析。當(dāng)安全警戒被闖入時，相應(yīng)攝像跟蹤拍攝目標(biāo)。

2．1．2 照明子系統(tǒng)

照明系統(tǒng)可以與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動，并在近程、遠(yuǎn)程兩方面進行控制。這樣能節(jié)約電能，降低變電站運行使用的費用，提高燈具使用壽命。

系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下功能：①照明系統(tǒng)可以進行故障報警。當(dāng)變電站中的設(shè)備發(fā)生故障，指示燈會亮起或熄滅，并且照明系統(tǒng)進行工作有助于監(jiān)控人員快速排查故障。②夜間自動照明。與視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動，為視頻系統(tǒng)能更好地捕捉對象進行光線補償。③節(jié)約電能。在正常情況下，燈處于關(guān)閉狀態(tài)，能降低變電站運行成本。

2．1．3 消防報警子系統(tǒng)

變電站的正常運行是極為重要的，一旦發(fā)生火災(zāi)損失較為嚴(yán)重。因此，消防報警系統(tǒng)通過監(jiān)控系統(tǒng)與照明系統(tǒng)的聯(lián)動，使消防人員了解火情，并迅速控制火情。

主要可實現(xiàn)以下功能：①遠(yuǎn)程控制監(jiān)測。當(dāng)變電站設(shè)備溫度超過警戒或煙塵顆粒超過警戒時，系統(tǒng)自動彈跳出報警界面，使監(jiān)控人員及時作出反應(yīng)。②火災(zāi)報警聯(lián)動跟蹤。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，通過與視頻監(jiān)控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)的聯(lián)動，迅速發(fā)出報警信號并跟蹤火情。

2．1．4 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)應(yīng)具有數(shù)據(jù)采集和處理的功能，與視頻監(jiān)控系統(tǒng)相配合，檢測設(shè)備狀態(tài)。

系統(tǒng)主要可以采集以下數(shù)據(jù)與狀態(tài)信息：①模擬量采集：I、U、P、Q、F、cosφ等。②狀態(tài)量采集：斷路器位置狀態(tài)、隔離開關(guān)位置狀態(tài)、繼電保護動作狀態(tài)、同期檢測狀態(tài)等。③脈沖量采集：脈沖量是電能表輸出的一種反映電能流量的脈沖信號。

同時，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重故障時，視頻監(jiān)控子系統(tǒng)可將攝像機直接調(diào)向故障位置，實施全紀(jì)錄監(jiān)控，從而保障系統(tǒng)信息的完整保存，并且自動提醒操作人員設(shè)備已發(fā)生故障，同時系統(tǒng)平臺顯示發(fā)生故障的具體設(shè)備和地點。

2．1．5 空調(diào)控制子系統(tǒng)

空調(diào)子系統(tǒng)為工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程或工業(yè)工藝設(shè)備的可靠運行提供環(huán)境溫度、濕度、潔凈度保障。同時可依據(jù)現(xiàn)場環(huán)境狀態(tài)信息，對空調(diào)系統(tǒng)實施遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，具體如下：①設(shè)定時間點與溫度點自動開啟或關(guān)閉空調(diào)；②當(dāng)故障發(fā)生時，采取故障聯(lián)動控制，并發(fā)出警告；③系統(tǒng)可遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)空調(diào)的制冷、制熱、送風(fēng)控制、溫度調(diào)節(jié)、除濕等各項功能。

2．1．6 集中排水控制子系統(tǒng)

運行人員通過該控制系統(tǒng)對工業(yè)廢水凈化和排放進行監(jiān)控管理，減少了各子系統(tǒng)常規(guī)控制室的設(shè)置，達到了減員增效和降低發(fā)電成本的目的。

系統(tǒng)主要可以實現(xiàn)以下功能：①監(jiān)測功能。實現(xiàn)對水倉水位、水泵軸溫、電機軸溫、電機定子溫度、壓力、負(fù)壓、流量、電機電壓、電流、功率、水泵運行效率等參數(shù)的實時監(jiān)測。②控制功能。第一，現(xiàn)場控制：調(diào)度員在現(xiàn)場直接通過現(xiàn)場設(shè)備上的指示燈及數(shù)據(jù)對機組進行直接控制，實現(xiàn)檢修維護設(shè)備。第二，遠(yuǎn)程集控：調(diào)度員在遠(yuǎn)程終端控制，通過計算機上的控制軟件，遠(yuǎn)程實現(xiàn)對于水泵機組的控制。第三，全自動控制：由集中排水控制系統(tǒng)直接全自動控制調(diào)度水泵機組，通過水位等參數(shù)完成排水控制功能。③保護功能。在設(shè)備出現(xiàn)故障時，能自動停止系統(tǒng)的運行，并能檢測出系統(tǒng)故障的類型。④報警功能。發(fā)生故障時能向總系統(tǒng)發(fā)出警報，由調(diào)度員進行統(tǒng)一處理。

2．1．7 周界防范子系統(tǒng)

周界防范系統(tǒng)主要通過設(shè)置在變電站的邊界或圍墻上，通過視頻監(jiān)控、紅外線探測等技術(shù)實現(xiàn)對周圍區(qū)域的掃描。一旦有非法用戶進入?yún)^(qū)域，就能實現(xiàn)對變電站的保護。周界防范系統(tǒng)主要由兩個部分組成：①探測器。探測器工作在變電站區(qū)域邊界，對進入或靠近邊界人員的一種檢測，形成變電站的一道警戒線。②防盜報警系統(tǒng)。防盜報警系統(tǒng)是從探測器探測到異常情況，統(tǒng)一傳輸給防盜警報系統(tǒng)，提醒工作人員進行進一步的應(yīng)對和處理。

2．1．8 采暖控制子系統(tǒng)

采暖系統(tǒng)可以采集發(fā)電產(chǎn)生的余溫，向用戶室內(nèi)供給相應(yīng)的熱量，運用智能系統(tǒng)對采暖系統(tǒng)進行控制，可以產(chǎn)生很大的節(jié)能效果，取得較大的經(jīng)濟效益與社會效益。同時，智能系統(tǒng)控制還可對電暖氣進行遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障告警聯(lián)動的優(yōu)化控制。

2.2 輔助系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接

圖1 為變電站控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖2 為變電站控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)。

圖1 變電站通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 IEC 61850 協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)

變電站控制系統(tǒng)的通信通過有線與無線兩種方式進行信息傳輸，遵循電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)動無縫通信傳輸協(xié)議（IEC61850 協(xié)議），現(xiàn)行協(xié)議大多基于TCP/IP 協(xié)議，采用套接字SOCKET 等技術(shù)實現(xiàn)。

3 前景展望和技術(shù)創(chuàng)新

3.1 技術(shù)的優(yōu)越化

在信息技術(shù)不斷發(fā)展情況下，有望通過遠(yuǎn)程控制實現(xiàn)與調(diào)度主站的數(shù)據(jù)模型一致，從而實現(xiàn)調(diào)度主站端在線遠(yuǎn)程維護，減少主站端的工作量，提高變電站運行的工作效率。

3.2 系統(tǒng)的安全化

各種模塊間通過建模的方式可以使傳輸更加安全可靠及穩(wěn)定。未來通信技術(shù)與其他技術(shù)不斷發(fā)展，變電站主站端所獲得的信息將會越來越準(zhǔn)確及快速。

3.3 實現(xiàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的智能檢測、統(tǒng)籌處理

在新興技術(shù)的發(fā)展下，變電站輔助控制系統(tǒng)有望通過智能化、準(zhǔn)確化分析設(shè)備的型號、種類，合理分配系統(tǒng)性的處理方案，實現(xiàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的智能檢測與統(tǒng)籌處理相結(jié)合，來解決設(shè)備出現(xiàn)軟件、硬件不兼容的問題，使設(shè)備更好地與變電站輔助控制系統(tǒng)融合，使得變電站更加可靠、智能、高效，從而提高整個電網(wǎng)的高度自動化管理，保證電力系統(tǒng)的安全運行。

3.4 實現(xiàn)以AI 智能化為主、人為監(jiān)控為輔的綜合應(yīng)用

變電站輔助控制系統(tǒng)通過AI 智能化技術(shù)的運用和推廣，能夠使傳統(tǒng)意義上的單一檢測控制得到大幅轉(zhuǎn)變，進而提升輔助控制技術(shù)的整體進步，實現(xiàn)以AI 智能化輔助控制為主、人為監(jiān)控為輔的跨越式發(fā)展。

4 結(jié)束語

近年來，新型專業(yè)智能電網(wǎng)正跨越式發(fā)展著，而變電站輔助控制系統(tǒng)的應(yīng)用，便于電網(wǎng)調(diào)度人員遠(yuǎn)程監(jiān)控變電站內(nèi)的一次、二次設(shè)備，從而提高了電力系統(tǒng)的經(jīng)濟運行和安全管理，保障了變電站的穩(wěn)定運行，是電力行業(yè)提高勞動生產(chǎn)率、增加效益的有效途徑。

變電站輔助控制系統(tǒng)，利用其主要的數(shù)據(jù)采集及集中控制，正逐漸實現(xiàn)測控一體化。我們不難看出，輔助控制系統(tǒng)歷經(jīng)多個時代的發(fā)展正在走向成熟。雖然在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的智能檢測、統(tǒng)籌處理以及AI 智能化應(yīng)用等方面仍存在許多技術(shù)難題，但毫無疑問的是，變電站輔助控制系統(tǒng)具有相當(dāng)廣闊的發(fā)展空間，將會成為電力系統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用中的重要組成部分。