張慶霞 楊超 王同強

1中國石油集團電能有限公司供電公司

2新疆石油工程建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司

3大慶油田設(shè)計院有限公司

自2010 年以來，電網(wǎng)行業(yè)發(fā)展逐步進(jìn)入智能時代，依托于雙向高速通信網(wǎng)絡(luò)，基于先進(jìn)的智能設(shè)備、傳感測量技術(shù)及控制方法，實現(xiàn)了電網(wǎng)的安全可靠、經(jīng)濟高效的運行，國家電力已步入智慧化發(fā)展階段。為進(jìn)一步踐行大慶油田“當(dāng)好標(biāo)桿旗幟，建設(shè)百年油田”和保障我國油氣安全穩(wěn)定供應(yīng)的責(zé)任使命[1]，結(jié)合油田電網(wǎng)實際，研究建設(shè)典型智能化變電所示范工程，最終將變電所從傳統(tǒng)的管理模式[2]，向“設(shè)備狀況一目了然、風(fēng)險管控一線貫穿、生產(chǎn)操作一鍵可達(dá)、決策指揮一體作戰(zhàn)”的模式轉(zhuǎn)變。以站端設(shè)備層的智能化實用技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ)，構(gòu)建典型智能化變電所。

1 需求目標(biāo)

以實現(xiàn)變電所一鍵順控為目標(biāo)，進(jìn)行具備“五遙”功能的變電綜合自動化、電動刀閘和智能開關(guān)柜改造；以實現(xiàn)智能巡檢為目標(biāo)，進(jìn)行在線監(jiān)測技術(shù)和遠(yuǎn)程沉浸式巡檢技術(shù)應(yīng)用；以實現(xiàn)變電所智能聯(lián)動為目標(biāo)[3]，建立變電所在線輔控物聯(lián)系統(tǒng)平臺。

2 一鍵順控技術(shù)

2.1 系統(tǒng)建設(shè)

變電站一鍵順控綜合應(yīng)用自動控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、圖像智能分析技術(shù)，將繁瑣、重復(fù)、易漏、易誤的傳統(tǒng)人工單步操作轉(zhuǎn)變成計算機自動化批量操作，可大量縮短操作時間，提高操作效率，降低誤操作、漏操作風(fēng)險，是變電運維技術(shù)的一項重大創(chuàng)新[4]。

如圖1 所示，考慮變電站升級改造，提出增加獨立順控主機的方案[5]，即在保留原有監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過增加順控主機實現(xiàn)站端和遠(yuǎn)端的順控操作。除了必要的順控主機、智能防誤主機和測控裝置外，還可配置正向隔離裝置、遠(yuǎn)動網(wǎng)關(guān)機、位置傳感器、智能地線、空開控制裝置、壓板狀態(tài)采集裝置等設(shè)備。

圖1 一鍵順控技術(shù)原理Fig.1 Principle of one-key sequence control technology

（1）開發(fā)一鍵順控功能模塊。在現(xiàn)有后臺監(jiān)控系統(tǒng)平臺上增加一鍵順控功能子系統(tǒng)，其功能包括一鍵順控操作票預(yù)制、任務(wù)生成、模擬預(yù)演、指令執(zhí)行、防誤校核、操作記錄、上送執(zhí)行結(jié)果、手動/自動暫停等功能。將滿足《變電運行規(guī)程》和《油田電網(wǎng)作業(yè)操作票、工作票實施規(guī)程》的變電所典型操作票錄入順控子系統(tǒng)，形成典型操作任務(wù)。通過SCADA 功能子系統(tǒng)獲取變電所實時遙信、遙測數(shù)據(jù)，下發(fā)控制指令。變電站一鍵順控功能結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 變電站一鍵順控功能結(jié)構(gòu)Fig.2 One-key sequence control function structure of the substation

（2）智能防誤子系統(tǒng)。從監(jiān)控主機獲取全站設(shè)備狀態(tài)，參與一鍵順控操作過程中模擬預(yù)演及指令執(zhí)行兩個環(huán)節(jié)的防誤校核功能[6]，約束遙控、現(xiàn)場操作行為，避免誤操作的風(fēng)險。

（3）一鍵順控流程。一鍵順控操作指令由順控子系統(tǒng)發(fā)起順控操作指令，在一次接線圖上選擇相應(yīng)設(shè)備，生成一鍵順控操作票，并通過網(wǎng)絡(luò)將一鍵順控操作票指令傳遞至防誤主機。經(jīng)防誤校驗完成后，根據(jù)操作票內(nèi)容，系統(tǒng)順序遙控變電站端待操作設(shè)備，根據(jù)實時返回的設(shè)備狀態(tài)完成對設(shè)備的一鍵順控操作指令。一鍵順控主機與智能防誤主機交互流程見圖3。

圖3 一鍵順控主機與智能防誤主機交互流程Fig.3 Interaction process between the one-key sequence control host and the intelligent error prevention host

2.2 設(shè)備層智能化改造

2.2.1 一次設(shè)備升級

（1）雙確認(rèn)技術(shù)應(yīng)用。根據(jù)國家電網(wǎng)有限公司《變電站一鍵順控改造技術(shù)規(guī)范》（試行）要求，設(shè)備遠(yuǎn)方操作時，至少應(yīng)有兩個非同源指示發(fā)生對應(yīng)變化，且所有這些指示均已發(fā)生對應(yīng)變化，才能確認(rèn)該設(shè)備已操作到位。目前，刀閘遙控采用姿態(tài)傳感器、微動開關(guān)和視頻三種雙確認(rèn)方式，立足油田電網(wǎng)實際情況，變電所110、35 kV 刀閘建議采用微動開關(guān)或姿態(tài)傳感器確認(rèn)方式，高壓開關(guān)柜采用視頻傳感技術(shù)確認(rèn)方式。

微動開關(guān)傳感器安裝在隔離開關(guān)機構(gòu)箱內(nèi)傳動機構(gòu)的運動部分和固定部位之間，當(dāng)傳動機構(gòu)運動部分到位后，作用于動作簧片上，快速接通動、靜觸點并上傳位置信號。微動開關(guān)位置信號通過硬節(jié)點輸出，直接接入測控裝置（智能終端）。傳感器配置原則建議在隔離開關(guān)機構(gòu)箱內(nèi)傳動機構(gòu)的分閘、合閘位置各安裝一個微動開關(guān)，無需配置信號接收裝置。

姿態(tài)傳感器是應(yīng)用陀螺儀原理，安裝在隔離開關(guān)運動拐臂，隨機構(gòu)動作測量隔離開關(guān)分合旋轉(zhuǎn)角度及距離來判斷隔離開關(guān)是否操作到位。姿態(tài)傳感器采用微電池供電，需配置信號接收裝置，通過射頻通信、CRC 校驗等技術(shù)，將采集到的角度變化傳輸?shù)叫盘柦邮昭b置，該裝置輸出位置狀態(tài)硬節(jié)點信號，接入測控裝置（智能終端）。傳感器配置原則建議在隔離開關(guān)每相應(yīng)安裝l 只傳感器，每2 個間隔配置1 臺信號接收裝置。

雙確認(rèn)視頻傳感系統(tǒng)應(yīng)用封閉式高壓開關(guān)柜，是通過視頻傳感技術(shù)識別、分析獲得小車工作、試驗位置，同時與小車原有位置遙信量作雙重判據(jù)，發(fā)送至順控主機。當(dāng)一鍵順控啟動時，允許視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過每臺唯一IP 地址直接登錄獲取視頻，視頻監(jiān)控斷路器及一次觸頭所處位置。該系統(tǒng)包含一個雙確認(rèn)圖像處理主機，安裝于高壓開關(guān)柜最上層的儀表室，依據(jù)來自雙確認(rèn)測量攝像機的視頻判斷小車到位情況，并將小車實時位置和到位情況發(fā)送智慧視覺識別系統(tǒng)；一個雙確認(rèn)測量攝像機，安裝于小車（斷路器）室，用于分析處理小車移動位移及位置判斷；一個隔離斷口監(jiān)控攝像機，安裝于小車室，用于實時傳輸斷路器的監(jiān)控情況。

（2）電動刀閘改造。將變電所GW5 型刀閘改造成具有電動機構(gòu)的GW4 型刀閘，同步完成隔離開關(guān)雙確認(rèn)改造工作。完成電動刀閘改造后，將其信號通過測控裝置接入監(jiān)控系統(tǒng)。

（3）高壓開關(guān)柜智能化改造。對現(xiàn)有KYN28柜型進(jìn)行電動化、視頻雙確認(rèn)改造。

2.2.2 二次設(shè)備改造

對變電所綜合自動化設(shè)備進(jìn)行升級改造，涉及一鍵順控操作條件判斷的二次空氣開關(guān)和二次壓板，應(yīng)具備實時狀態(tài)信息上傳功能，可考慮應(yīng)用電動壓板和電動空開，實現(xiàn)硬壓板、空開的遙控操作與狀態(tài)雙確認(rèn)檢測，以能夠達(dá)成一次、二次設(shè)備“一鍵順控全覆蓋”，真正實現(xiàn)操作的無人化與全自動化。

3 智能巡檢技術(shù)

3.1 沉浸式視頻巡檢技術(shù)

以實現(xiàn)對作業(yè)現(xiàn)場的全過程安全監(jiān)督和遠(yuǎn)程視頻巡檢功能為目的，通過在室內(nèi)外布控吊軌式移動攝像頭搭配紅外測溫攝像頭、固定卡片機攝像頭建立沉浸式視頻巡檢系統(tǒng)，實現(xiàn)變電所內(nèi)環(huán)境、設(shè)備、人員的全覆蓋監(jiān)控，支持人員行為、環(huán)境狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)的分析，通過識別視頻中的對象屬性，建立變電所三維模型站，并與全站視頻信息進(jìn)行融合，實現(xiàn)在三維模型中遠(yuǎn)程實時查看變電所真實場景，實現(xiàn)變電所遠(yuǎn)程沉浸式VR 智能巡檢。

戶外110 kV、主變、35 kV 設(shè)備區(qū)，在現(xiàn)有安防視頻基礎(chǔ)上，同時采用具備雙光（紅外、可見光）攝像頭的戶外輪式機器人，實現(xiàn)戶外設(shè)備區(qū)的視頻全覆蓋，并通過機器人采集SF6 表指針讀數(shù)、開關(guān)狀態(tài)、設(shè)備溫度、設(shè)備的外觀、主變的油位等巡檢信息。在戶內(nèi)6（10）kV 高壓室建設(shè)吊軌式移動攝像頭，實時監(jiān)控開關(guān)狀態(tài)、盤面保護(hù)信息、高壓室溫濕度、設(shè)備外觀等巡檢信息。在戶內(nèi)主控室建設(shè)吊軌式移動攝像頭，實時監(jiān)測查看變電所保護(hù)設(shè)備的交流采樣值、保護(hù)動作事件、異常報文、壓板投退狀態(tài)等。

3.2 變電所在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

在線監(jiān)測能夠及時反映設(shè)備運行狀態(tài)[7]，采用開關(guān)柜測溫、套管在線監(jiān)測、局部放電檢測、變壓器油色譜分析、SF6 微水和泄漏、避雷器動作次數(shù)和泄漏電流、直流蓄電池等在線監(jiān)測技術(shù)，建立變電設(shè)備運行狀態(tài)和故障征兆的巡檢客戶端，能夠?qū)\行中設(shè)備故障、壽命逐步開展分析、判斷、決策研究，從而達(dá)到狀態(tài)監(jiān)測與診斷，建立預(yù)測性維修體制的目的。

（1）實時溫度監(jiān)測系統(tǒng)。無線測溫系統(tǒng)由無線溫度模塊、中繼器、測溫通信終端等元件組成，實現(xiàn)對設(shè)備一次接點溫度的在線監(jiān)測功能。適用于戶內(nèi)外環(huán)境以及各種高壓設(shè)備，與后臺兼容性較高。在高壓開關(guān)柜內(nèi)采用無線測溫模塊方式，對開關(guān)柜內(nèi)的動觸頭和母線連接處的運行溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，分別監(jiān)測開關(guān)三相上、下觸頭和電纜頭的溫度；戶外開關(guān)場可采用紅外測溫攝像頭或無線測溫方式，全面監(jiān)測110 kV 開關(guān)場、主變開關(guān)場、35 kV開關(guān)場各設(shè)備接點的溫度，并將結(jié)果實時傳輸?shù)綔y溫監(jiān)測裝置，實現(xiàn)溫度異常報文告警。

（2）SF6 氣體微水及密度在線監(jiān)測。在SF6 斷路器、GIS 氣室補氣口或預(yù)留檢測接口上安裝壓力、溫度、濕度傳感器，連續(xù)、實時或周期性采集SF6 氣體的壓力、溫度、濕度等信息，并通過不同氣室報警閾值設(shè)置，分析斷路器氣體情況。

（3）變壓器油色譜在線監(jiān)測。變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)可定量、自動、快速地在線監(jiān)測油浸式電力高壓設(shè)備的油中溶解氣體含量，通過故障診斷專家系統(tǒng)及時獲取設(shè)備故障隱患信息。系統(tǒng)工作時，將變壓器油采集到油樣采集單元中，通過油泵進(jìn)行油樣循環(huán)，采用中空纖維萃取式油氣分離技術(shù)，油氣分離單元快速分離油中溶解氣體至氣室，內(nèi)置的微型氣體采樣泵把分離出來的氣樣輸送到六通閥的定量管內(nèi)并自動進(jìn)樣；在載氣推動下，樣氣經(jīng)過色譜柱分離，順序進(jìn)入氣體檢測器；數(shù)據(jù)采集單元完成A/D 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和采集，嵌入式處理單元對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、計算和分析，并通過以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，最后由狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和故障分析[8]。

（4）避雷器在線監(jiān)測。采用無源無線雷擊泄漏電流傳感器技術(shù)，從泄漏電流取得能量作為傳感器的工作電源（大于30 μA），對避雷器的泄漏電流和動作次數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測。根據(jù)變電所設(shè)備實際情況，隨著電動刀閘和綜合自動化設(shè)備改造，同步推進(jìn)避雷器在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用。

3.3 在線輔控物聯(lián)系統(tǒng)

3.3.1 系統(tǒng)搭建

建立變電所在線輔控物聯(lián)系統(tǒng)平臺[9]，通過信息網(wǎng)絡(luò)，將視頻巡檢、安防、消防、高壓室環(huán)境監(jiān)測、照明系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制、電力設(shè)備在線監(jiān)測等集成為一個系統(tǒng)平臺，基于視頻監(jiān)控、熱成像、室內(nèi)外機器人等智能終端設(shè)備，搭建多場景智能巡檢控制體系。實現(xiàn)對變電所環(huán)境信息監(jiān)測、安全防范、火災(zāi)報警、動力照明控制、設(shè)備巡檢等功能的高度集成和智能聯(lián)動（圖4）。

圖4 變電所在線輔控物聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of the online auxiliary control IoT system of the substation

3.3.2 智能聯(lián)動

應(yīng)用先進(jìn)的自動控制技術(shù)、智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)、自動識別和智能判斷技術(shù)，通過軟件預(yù)制等方式，實現(xiàn)主輔設(shè)備之間聯(lián)動和輔控子系統(tǒng)之間的聯(lián)動，聯(lián)動內(nèi)容支持人工配置。

主輔設(shè)備間聯(lián)動包括：①支持主設(shè)備操作聯(lián)動展示功能，應(yīng)根據(jù)操作命令支持對應(yīng)視頻預(yù)覽、錄像等功能；②支持主設(shè)備運行狀態(tài)聯(lián)動展示功能，主設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備投切，保護(hù)動作，開關(guān)、刀閘變位等狀態(tài)變化信息應(yīng)聯(lián)動展示對應(yīng)實時視頻；③支持主設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)異常告警聯(lián)動展示功能，主設(shè)備接地短路、突發(fā)事故等異常告警信號，應(yīng)聯(lián)動對應(yīng)視頻預(yù)置位，召喚在線監(jiān)測數(shù)據(jù)等功能。

輔控子系統(tǒng)之間的聯(lián)動包括：①安全防范系統(tǒng)入侵報警聯(lián)動：打開報警防區(qū)的燈光照明；聯(lián)動防區(qū)視頻預(yù)置位，彈出現(xiàn)場視頻監(jiān)控預(yù)覽窗口，開啟錄像。②消防系統(tǒng)火災(zāi)報警聯(lián)動：支持門禁緊急開門，聯(lián)動開啟現(xiàn)場燈光照明，啟動現(xiàn)場聲光報警；聯(lián)動報警區(qū)域視頻預(yù)置位，彈出現(xiàn)場視頻監(jiān)控預(yù)覽窗口；支持現(xiàn)場空調(diào)、風(fēng)機的開啟/關(guān)閉聯(lián)動。③環(huán)境監(jiān)測越限告警聯(lián)動：主控室和高壓室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)越限告警，SF6 濃度越限告警，支持空調(diào)、排風(fēng)機啟動，聯(lián)動現(xiàn)場視頻監(jiān)控預(yù)覽窗口。④支持主設(shè)備遙控預(yù)置信號、變位信號、告警信號聯(lián)動視頻功能。

4 結(jié)語

經(jīng)過電網(wǎng)智能化改造后[10]，將無人值班變電所的倒閘操作權(quán)限上移至集控中心，可有效提高倒閘操作、事故處理的準(zhǔn)確性和時效性；徹底實現(xiàn)人與設(shè)備的完全隔離，可靠保證操作人員的人身安全，真正達(dá)到本質(zhì)安全。

在目前運維管理模式下，一座110 kV 變電所半段停電檢修操作，運行人員提前一天用時2 h 編寫滿足調(diào)度預(yù)令需求的倒閘操作票，操作當(dāng)天，從驅(qū)車前往被控站、現(xiàn)場模擬預(yù)演、進(jìn)行全所半段200 余項的停電操作完成要3 h，由此可見，從前期準(zhǔn)備到完成半段由運行轉(zhuǎn)冷備用操作需要5 h 左右。而實現(xiàn)一鍵順控技術(shù)以后，集控中心將在遠(yuǎn)方監(jiān)控主機中提取操作模板自動進(jìn)行順序操作，省去操作票編寫、車輛行駛、模擬預(yù)演、操作復(fù)誦、人工驗位等時間，所有操作全部依靠“雙確認(rèn)”技術(shù)進(jìn)行位置認(rèn)證，效率更高、準(zhǔn)確性更強，預(yù)計一鍵順控技術(shù)的應(yīng)用，變電所半段停電操作時間將控制在1 h 以內(nèi)，節(jié)約就地操作時間達(dá)4 h。同時在應(yīng)對突發(fā)停電跳閘事故和計劃性單一線路停送電操作時，一鍵順控技術(shù)的時效性將會越發(fā)明顯和突出，極大提升倒閘操作工作效率。