馬馳弈,吳 杰,常政威,熊興中,劉 駿

(1.四川輕化工大學(xué),四川 自貢 643000;2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院,四川 成都 610041)

0 引 言

為解決電網(wǎng)二次設(shè)備核心芯片“卡脖子”問題,中國正加快推進自主可控新一代變電站二次系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)和試點建設(shè)。面對基于國產(chǎn)化設(shè)備的新一代變電站二次系統(tǒng)新架構(gòu)、新功能和新通信協(xié)議的變電站輔助設(shè)備檢測平臺,聯(lián)動控制有著重要的作用,同時聯(lián)動控制策略也是“無人值守+集中監(jiān)控”業(yè)務(wù)需求的重要支撐。下面收集整理了各變電站輔助系統(tǒng)的聯(lián)動控制策略,分為主輔聯(lián)控、子系統(tǒng)間聯(lián)控和子系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)動,可為自主可控新一代變電站的建設(shè)提供參考內(nèi)容。

1 新一代變電站輔助系統(tǒng)聯(lián)動策略相關(guān)技術(shù)

1.1 傳感器采集技術(shù)

1.1.1 圖像采集技術(shù)

高質(zhì)量的圖片是圖像檢測技術(shù)的基礎(chǔ),在圖像采集的過程中會使用到多種攝像機,確保獲取高清圖像。其中高動態(tài)范圍成像(high dynamic range imaging,HDRI)技術(shù)拓展了圖像的曝光范圍,改進了圖像曝光不足或過大的問題,使圖片能呈現(xiàn)更多信息。在聯(lián)動控制策略中,圖像采集技術(shù)是整個聯(lián)動過程的起始操作,為聯(lián)動控制策略提供基礎(chǔ)技術(shù)支持。

1.1.2 紅外測溫采集技術(shù)

利用紅外測溫原理設(shè)計的紅外測量電子設(shè)備獲取設(shè)備表面發(fā)出的紅外輻射,進而獲取設(shè)備溫度用于設(shè)備狀況檢測。變電站中的設(shè)備,如變壓器、隔離開關(guān)、線夾等,在運行過程中需要有效的檢測,才能發(fā)現(xiàn)安全隱患。在聯(lián)動控制策略中,設(shè)備的有效檢測對聯(lián)動措施起著重要作用。

1.2 圖像技術(shù)

圖像檢測技術(shù)在聯(lián)動策略中起著重要作用,在收集完成圖像后,圖像技術(shù)對圖片進行處理使圖片中的信息更明顯。圖1為目標(biāo)檢測示例[1]。

圖1 圖像檢測示例

在傳統(tǒng)的圖像檢測中,基于滑動窗口和人工提取特征的方法是主流的檢測手段,但是傳統(tǒng)方法計算量巨大且魯棒性低[1]。隨著深度學(xué)習(xí)的發(fā)展,基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像檢測技術(shù)日趨成熟,相比于傳統(tǒng)檢測方法,能夠提供基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的特征表示,在特征提取和分割識別等方面表現(xiàn)良好[2]。目標(biāo)檢測算法按照是否有區(qū)域生成網(wǎng)絡(luò)(region proposal network,RPN)可劃分為二階段檢測算法和一階段檢測算法。在二階段檢測算法中會使用RPN用于檢測,其中R-CNN[3]、Fast R-CNN[4]、Faster R-CNN[5]等是該類算法的代表算法。一階段檢測算法不使用RPN,就不生成感興趣區(qū)域,而是將整幅圖像用回歸方法來實現(xiàn)檢測任務(wù),其中YOLO[6-11]系列、SSD[12-16]系列等代表性算法比較優(yōu)秀。圖2描述了兩類算法的框架。

圖2 目標(biāo)檢測算法結(jié)構(gòu)

1.3 聯(lián)動技術(shù)

電力二次系統(tǒng)分為生產(chǎn)控制大區(qū)和管理信息大區(qū),其中Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)為控制區(qū)和非控制器,都在生產(chǎn)控制大區(qū);而Ⅲ區(qū)生產(chǎn)管理區(qū)和Ⅳ區(qū)管理信息區(qū)在管理信息大區(qū)。在獲?、駞^(qū)的檢測數(shù)據(jù)后,Ⅱ區(qū)輔助設(shè)備和Ⅳ區(qū)巡視主機會接收到綜合應(yīng)用主機傳送的主輔設(shè)備聯(lián)動信號,根據(jù)聯(lián)動策略,對Ⅲ區(qū)輔助設(shè)備傳感器或Ⅳ區(qū)視頻攝像頭設(shè)備進行控制操作;最后,對Ⅳ區(qū)視頻攝像頭聯(lián)動的操作需要返回操作結(jié)果,如對變電站設(shè)備操作的自動獲取、隔離開關(guān)開合變化時系統(tǒng)自動反饋圖像信息,保證操作的安全性和準(zhǔn)確性。

2 新一代變電站輔助系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 輔助系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)常見的有單體架構(gòu)、分布式應(yīng)用、微服務(wù)架構(gòu)、Serverless架構(gòu)。自主可控新一代變電站輔助系統(tǒng)架構(gòu)采用分層、分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),單網(wǎng)組網(wǎng)方式,由站控層、匯聚層和傳感層構(gòu)成,部署在安全Ⅱ區(qū)和安全Ⅳ區(qū)。該架構(gòu)為整個二次系統(tǒng)的總體架構(gòu),能處理電力二次系統(tǒng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?？傮w架構(gòu)如圖3所示。安全Ⅱ區(qū)由一次設(shè)備在線監(jiān)測、火災(zāi)消防、安全防衛(wèi)、智能鎖控、動環(huán)系統(tǒng)組成;安全Ⅳ區(qū)由在線智能巡視系統(tǒng)組成。

圖3 總體架構(gòu)

安全Ⅱ區(qū)與安全Ⅳ區(qū)之間通過正、反向隔離裝置互聯(lián)。站控層設(shè)備主要包括主輔一體化監(jiān)控主機、綜合應(yīng)用主機、服務(wù)網(wǎng)關(guān)機和在線智能巡視主機,完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)視、設(shè)備控制、智能應(yīng)用、運行管理和主站支撐等功能。匯聚層設(shè)備主要包括消防信息傳輸控制單元、安全接入網(wǎng)關(guān)等設(shè)備,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制和網(wǎng)關(guān)等功能。傳感層設(shè)備主要包括一次設(shè)備在線監(jiān)測裝置、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、固定式滅火系統(tǒng)、其他受控消防設(shè)備及火災(zāi)消防變送器、安全防衛(wèi)探測器及其監(jiān)控終端、變電站鎖具及其監(jiān)控終端、動環(huán)系統(tǒng)傳感器及其監(jiān)控終端、無線傳感器及匯聚節(jié)點等,實現(xiàn)信息感知、采集、控制及管理功能。

一次設(shè)備在線監(jiān)測、火災(zāi)消防、安全防衛(wèi)、智能鎖控、動環(huán)等子系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲至安全Ⅱ區(qū)的綜合應(yīng)用主機,各子系統(tǒng)與后臺之間應(yīng)采用DL/T 860通信報文進行互聯(lián)。在線智能巡視子系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲至安全Ⅳ區(qū)的在線智能巡視主機,在線智能巡視主機與上級系統(tǒng)之間采用TCP/UDP協(xié)議互聯(lián)。

2.2 輔助系統(tǒng)功能

主輔一體化監(jiān)控系統(tǒng)主要對站內(nèi)一次設(shè)備的在線監(jiān)測、火災(zāi)消防、安全防衛(wèi)、智能鎖控、動環(huán)以及在線智能巡視等子系統(tǒng)信息進行分類存儲、智能聯(lián)動及綜合展示。系統(tǒng)能接收來自集控站的控制指令,實現(xiàn)對受控設(shè)備進行遠(yuǎn)程控制的功能。各子系統(tǒng)能夠脫網(wǎng)運行,在系統(tǒng)后臺故障的情況下各子系統(tǒng)能夠繼續(xù)正常工作并實現(xiàn)報警、記錄及存儲等功能。

1)一次設(shè)備在線監(jiān)測子系統(tǒng)

系統(tǒng)如圖4所示,主要對油中溶解氣體、鐵芯夾件接地電流、套管絕緣狀態(tài)、變壓器特高頻的局部放電及高頻電流的局部放電等狀態(tài)參量進行在線監(jiān)測,實現(xiàn)變壓器類設(shè)備運行狀態(tài)的在線采集、分析和上傳。具備對SF6氣體壓力、機械特性、組合電器局部放電等狀態(tài)參量在線監(jiān)測的功能,實現(xiàn)開關(guān)類設(shè)備運行狀態(tài)的在線采集、分析和上傳;具備容性設(shè)備及避雷器設(shè)備全電流、母線電壓等狀態(tài)參量在線監(jiān)測的功能,實現(xiàn)容性設(shè)備及避雷器設(shè)備運行狀態(tài)的在線采集、分析和上傳。

圖4 一次設(shè)備在線監(jiān)測子系統(tǒng)

2)火災(zāi)消防子系統(tǒng)

火災(zāi)消防系統(tǒng)如圖5所示。該系統(tǒng)具備接入火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、固定式滅火系統(tǒng)、其他受控消防設(shè)備以及模擬量變送器等設(shè)備的功能,實現(xiàn)站內(nèi)火災(zāi)報警信息的采集、傳輸和滅火控制;具備聲光報警功能,當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時,及時發(fā)出聲光報警信號;具備消防聯(lián)動控制功能,當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時,能自動停止送、排風(fēng)系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的運行,并聯(lián)動啟動消防水泵和其他自動消防設(shè)備。

圖5 火災(zāi)消防架構(gòu)

3)安全防衛(wèi)子系統(tǒng)

安全防衛(wèi)系統(tǒng)如圖6所示。該系統(tǒng)具備接入紅外雙鑒探測器、紅外對射探測器、門禁控制器以及脈沖電子圍欄等設(shè)備的功能,實現(xiàn)站內(nèi)周界入侵告警信息的采集和傳輸;具備布防和撤防功能,滿足現(xiàn)場多種運行方式,并對讀卡器、開門按鈕、電磁鎖等門禁設(shè)備有控制和管理功能,實現(xiàn)站內(nèi)人員出入信息的采集、存儲和上送;能夠采用多種開門方式,滿足人臉識別開門等多種需求。

圖6 安全防衛(wèi)子系統(tǒng)

4)智能鎖控子系統(tǒng)

智能鎖控系統(tǒng)如圖7所示。該系統(tǒng)具備對變電站內(nèi)各類鎖具(不含防止電氣誤操作的鎖具)和電子鑰匙的控制和管理功能,實現(xiàn)開鎖權(quán)限、開鎖記錄和開鎖流程的智能化管控;具備身份認(rèn)證功能,包括刷卡、密碼等多種認(rèn)證方式;具備上送開鎖任務(wù)、人員、鎖具配置信息以及下發(fā)開鎖任務(wù)到電子鑰匙等功能;具備網(wǎng)絡(luò)故障情況下,可通過鎖控監(jiān)控終端直接對鑰匙進行授權(quán)操作功能,并對授權(quán)信息和開鎖信息進行記錄。

圖7 智能鎖控子系統(tǒng)

5)動環(huán)子系統(tǒng)

動環(huán)子系統(tǒng)如圖8所示。該系統(tǒng)具有微氣象、溫濕度、水位、SF6(O2含量)、水浸、漏水、水位等傳感器接入功能,實現(xiàn)站內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集、處理和上送;具有對空調(diào)、除濕機、采暖、風(fēng)機、水泵以及照明等設(shè)備的控制功能,能對環(huán)境異常及時告警,可對各種環(huán)境信息告警值進行設(shè)定。環(huán)境監(jiān)測傳感器具有正常工作指示功能及異常告警功能。

圖8 動環(huán)子系統(tǒng)

6)無線接入設(shè)備

無線接入設(shè)備如圖9所示。無線匯聚節(jié)點具備計算、自組網(wǎng)功能,能與無線傳感器實現(xiàn)雙向通信,將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為E語言文件格式并實現(xiàn)上送等功能。動環(huán)系統(tǒng)無線傳感器具備分別采集室外風(fēng)速、風(fēng)向、水浸、水位以及溫濕度等信息的功能。無線姿態(tài)傳感器具備準(zhǔn)確檢測隔離開關(guān)的分合閘位置變化,可靠、有效地判斷隔離開關(guān)本體所處的分合閘位置狀態(tài)功能。開關(guān)柜無線溫度傳感器具備在線監(jiān)測開關(guān)柜帶電觸點及母排溫度功能。

圖9 無線接入設(shè)備

7)在線智能巡視子系統(tǒng)

在線智能巡視子系統(tǒng)如圖10所示。該系統(tǒng)具備接入巡檢機器人、高清視頻、紅外熱成像攝像機以及聲紋監(jiān)測裝置等設(shè)備的功能,實現(xiàn)變電站巡視數(shù)據(jù)的集中采集和智能分析。巡檢機器人配備可見光攝像機、熱紅外成像儀以及音頻采集設(shè)備,具備可見光檢測、紅外檢測和噪聲監(jiān)測功能。攝像機布置滿足變電站安全防范、設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)視以及設(shè)備在線智能巡視的要求。紅外熱成像攝像機支持多種測溫方法,并具備測溫校正功能。該系統(tǒng)還具備采集主變壓器、高壓并聯(lián)電抗器等重要一次設(shè)備聲音數(shù)據(jù)的聲紋采集功能,實現(xiàn)聲紋數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測,并對設(shè)備運行狀態(tài)進行分析判斷。

圖10 在線智能巡視子系統(tǒng)

3 新一代變電站聯(lián)動控制功能

聯(lián)動控制功能是指,當(dāng)聯(lián)動控制觸發(fā)信號觸發(fā),如主設(shè)備警告信號、SF6濃度超標(biāo)信號、水浸報警信號,系統(tǒng)相應(yīng)地做出自動反應(yīng),如視頻預(yù)置位、巡檢機器人對相應(yīng)區(qū)域進行采集、一次設(shè)備在線系統(tǒng)的記錄?？蓪⑿乱淮冸娬韭?lián)動控制分為主輔系統(tǒng)之間聯(lián)動、輔助子系統(tǒng)間聯(lián)動和輔助子系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)動。

3.1 主輔聯(lián)動

3.1.1 主設(shè)備與巡視系統(tǒng)聯(lián)動

1)一鍵順控“雙確認(rèn)”聯(lián)動

一鍵順控操作的倒閘順序會因為變電站不同作業(yè)要求而改變,通過序列控制減輕人員操作,提高變電站倒閘效率[17]。在變電站一鍵順控操作中可采取多種方式來確認(rèn)隔離開關(guān)分合閘情況,文獻[18]將倒閘任務(wù)“雙確定”的技術(shù)路線分為基于微動開關(guān)、壓力傳感器、姿態(tài)傳感器、敏態(tài)傳感器和圖像視頻聯(lián)動這幾類。文獻[19]以某500 kV智能變電站為例,設(shè)置了一套以視頻聯(lián)動的順控操作系統(tǒng)實現(xiàn)順控“雙確認(rèn)”,該方法融入人工智能中目標(biāo)檢測技術(shù),有效提高“雙確認(rèn)”效率。

2)主變壓器告警聯(lián)動

主變壓器是變電站的心臟,其正常運行對變電站起著至關(guān)重要的作用,因此對于主變壓器各項物理信號的檢測顯得格外重要。文獻[20]提出主變壓器信號聯(lián)動策略,當(dāng)主變壓器物理數(shù)值異常時,聯(lián)動巡視系統(tǒng)對變壓器表計進行識別檢測,幫助運維人員研判。

3.1.2 監(jiān)控主機與巡視系統(tǒng)聯(lián)動

根據(jù)新一代變電站設(shè)計,主輔一體化監(jiān)控主機(監(jiān)控主機)是按照統(tǒng)一模型、統(tǒng)一平臺的基本要求,通過主輔設(shè)備信息在功能、界面等方面深度融合,實現(xiàn)全站主輔設(shè)備運行監(jiān)視、操作與控制、智能應(yīng)用、主站支撐服務(wù)等四大類12項功能。

在巡視主機進行巡視期間,向綜合應(yīng)用主機發(fā)送聯(lián)動任務(wù)功能。文獻[21]設(shè)計的一套巡檢系統(tǒng)結(jié)合機器視覺、云臺一體化控制和YOLOv3目標(biāo)檢測算法,有效地提升了變電站“無人值守”巡檢任務(wù)的效率。文獻[22]將新一代自主可控變電在線智能巡視系統(tǒng)做了詳細(xì)介紹,其中對監(jiān)控主機的聯(lián)動方式也進行了分析,包括監(jiān)控主機向巡視主機發(fā)送聯(lián)動信號和巡視主機向監(jiān)控主機發(fā)送復(fù)核反饋信號功能。

3.2 子系統(tǒng)間聯(lián)動

3.2.1 火災(zāi)消防系統(tǒng)與其他輔助系統(tǒng)間聯(lián)動

發(fā)生火災(zāi)時,火災(zāi)消防系統(tǒng)與各輔助系統(tǒng)之間的聯(lián)動能有效阻止火災(zāi)蔓延。文獻[23]提出一種基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的變電站消防系統(tǒng),將火災(zāi)預(yù)警功能分為3級:當(dāng)火災(zāi)探測器檢測到火災(zāi)信息,火災(zāi)消防系統(tǒng)將聯(lián)動監(jiān)控主機發(fā)出報警信息;進一步向內(nèi)部管理人員發(fā)送預(yù)警定位;最后,聯(lián)動巡視系統(tǒng)調(diào)用巡視機器人進行視頻檢測。文獻[20]提出聯(lián)動安全防衛(wèi)系統(tǒng)開啟相關(guān)逃生門禁,并且聯(lián)動動環(huán)系統(tǒng)開啟照明,關(guān)閉風(fēng)機、電暖氣、空調(diào)和除濕機防止火勢蔓延。并且為更好了解火情狀況,聯(lián)動巡視系統(tǒng)調(diào)用火災(zāi)區(qū)域攝像機對火災(zāi)進行跟蹤拍攝。

3.2.2 智能巡視系統(tǒng)與其他輔助系統(tǒng)聯(lián)動

1)與動環(huán)系統(tǒng)聯(lián)動

智能巡檢機器人巡檢過程中所檢測的局部區(qū)域亮度不足時,可聯(lián)動動環(huán)系統(tǒng)照明控制器。文獻[24]提到動環(huán)系統(tǒng)中的照明控制器能對燈進行遠(yuǎn)程操控,與其他系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)動能夠有效改善其他輔助系統(tǒng)存在的照明不足問題。

2)與安全防衛(wèi)聯(lián)動

智能巡視系統(tǒng)利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)控視頻進行行為識別檢測。當(dāng)檢測到工作站內(nèi)員工安全帽佩戴不規(guī)范、有非法闖入和有工作人員遺留物品在工作區(qū)時,將聯(lián)動安全防衛(wèi)系統(tǒng)進行聲光報警,提醒站內(nèi)人員進行相應(yīng)的處理[20]。

3.3 子系統(tǒng)內(nèi)聯(lián)動

3.3.1 火災(zāi)消防系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)動

火災(zāi)消防系統(tǒng)具備火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、固定式滅火系統(tǒng)、其他受控消防設(shè)備以及模擬量變送器等設(shè)備,能實現(xiàn)站內(nèi)火災(zāi)報警信息的采集、傳輸和滅火控制。文獻[25]提出火災(zāi)發(fā)生時,火災(zāi)消防系統(tǒng)發(fā)出報警并聯(lián)動該系統(tǒng)的相關(guān)消防功能,對火源進行自動滅火。

3.3.2 動環(huán)子系統(tǒng)內(nèi)聯(lián)動

動環(huán)子系統(tǒng)中的各項傳感器感應(yīng)到相應(yīng)檢測數(shù)值超出警告閾值時,將聯(lián)動系統(tǒng)內(nèi)的風(fēng)機、空調(diào)、水泵等設(shè)備進行及時調(diào)整。

1)水浸聯(lián)動

當(dāng)發(fā)生水浸時,動環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的傳感器將及時檢測到數(shù)據(jù)值,并按設(shè)置好的聯(lián)動策略聯(lián)動相應(yīng)的水泵進行排水。

2)溫濕度控制聯(lián)動

通過動環(huán)系統(tǒng)中的溫濕度傳感器收集環(huán)境中的溫濕度信息后,聯(lián)動系統(tǒng)內(nèi)的風(fēng)機、空調(diào)等設(shè)備進行調(diào)整。

3)SF6濃度超標(biāo)聯(lián)動

SF6氣體在GIS室的含量根據(jù)DL/T 5035—2016《發(fā)電廠供暖通網(wǎng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》不能超過6000 mg/m3,因此對SF6氣體濃度的管控很重要。文獻[26]提出了一套變電站動環(huán)系統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計原則,并提出了當(dāng)檢測到SF6氣體濃度超標(biāo)時,會自動聯(lián)動動環(huán)系統(tǒng)中的風(fēng)機控制箱,實現(xiàn)節(jié)能安全運行。

3.3.3 智能巡檢系統(tǒng)內(nèi)聯(lián)動

在線智能巡檢系統(tǒng)中的巡檢機器人收到巡檢任務(wù)后按預(yù)定路線進行巡檢,當(dāng)巡檢到相應(yīng)點位時聯(lián)動系統(tǒng)內(nèi)的攝像頭進行確認(rèn),實現(xiàn)對巡檢機器人的有效檢測,并將所有巡檢的內(nèi)容上傳到系統(tǒng)的后臺進行保存、分析、研判,為在線智能巡檢系統(tǒng)的正常運行提供充分的數(shù)據(jù)支撐。

3.4 應(yīng)用成效

聯(lián)動控制策略在電力二次系統(tǒng)中的運用能有效地提高輔助系統(tǒng)的工作效率。聯(lián)動策略的運用能讓變電站的管理更為高效、智能,并且減少了人力成本,對變電站的運維管理有著積極的作用[27]。聯(lián)動功能分類也有助于聯(lián)動控制策略的研發(fā),為新一代變電的建設(shè)提供有效的幫助。

4 結(jié) 論

自主可控新一代變電站的建設(shè)離不開聯(lián)動技術(shù)。上面梳理了聯(lián)動策略會使用到的相關(guān)技術(shù),介紹了自主可控新一代變電站輔助系統(tǒng)的總體架構(gòu)及其包含的子系統(tǒng)。根據(jù)聯(lián)動策略方式將聯(lián)動功能分為主輔聯(lián)動、子系統(tǒng)間聯(lián)動和子系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)動,并且根據(jù)分類給出了具體的聯(lián)動形式:主輔聯(lián)動中“雙確認(rèn)”操作、子系統(tǒng)間聯(lián)動的火災(zāi)消防聯(lián)動、安全穿戴檢測聯(lián)動以及子系統(tǒng)間的動環(huán)聯(lián)動。為自主可控新一代變電站的建設(shè)提供了聯(lián)動控制方面的研究內(nèi)容。