智能變電站二次設(shè)備可視化監(jiān)測系統(tǒng)研究

劉洪兵，肖永立

(國網(wǎng)北京市電力公司檢修分公司，北京 100068)

0 引言

作為智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐，智能變電站內(nèi)設(shè)備應(yīng)具有信息數(shù)字化、功能集成化、結(jié)構(gòu)緊湊化、狀態(tài)可視化等主要技術(shù)特征，智能變電站系統(tǒng)應(yīng)建立站內(nèi)全景數(shù)據(jù)的統(tǒng)一信息平臺，供各子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化存取訪問以及與智能電網(wǎng)調(diào)度等其他系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化交互。

在智能變電站二次回路、二次設(shè)備可視化方面，目前多停留在二維平面可視化的方向上，對于回路和設(shè)備狀態(tài)的展示不能直觀地與變電站現(xiàn)場進(jìn)行坐標(biāo)位置的對應(yīng)，因此亟需一種三維展示方法，實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)二次設(shè)備的三維展示[1-2]。

文獻(xiàn)[3-4]提出一種基于三維引擎的變電站二次系統(tǒng)三維模型庫設(shè)計(jì)，針對當(dāng)前輸變電工程中變電站二次系統(tǒng)三維建模關(guān)鍵技術(shù)的缺失，廣泛調(diào)研變電站各類二次對象，面向不同電壓等級、不同類型的設(shè)備，在建模的范圍與深度和模型的屬性兩方面進(jìn)行深度研究。采用Unity3D 三維引擎配合3DMax 建模開發(fā)一款模型庫設(shè)計(jì)軟件，建立二次對象三維基本模型庫，對電網(wǎng)建設(shè)、維護(hù)及培訓(xùn)階段產(chǎn)生了積極作用，但其并未將該技術(shù)應(yīng)用到二次設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測和故障預(yù)警中。

文獻(xiàn)[5-6]提出了一種智能變電站二次設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷方法，基于IEC 61950 協(xié)議建立可視化模型，通過SCD 文件將設(shè)備模型中的關(guān)聯(lián)機(jī)制映射到可視化界面，將與信息流有關(guān)的邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)對象、數(shù)據(jù)屬性參數(shù)進(jìn)行對應(yīng)的映射，通過二次保護(hù)測量計(jì)量輔助裝置對二次設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測并在可視化界面展示，然而其對于站內(nèi)變電站巡檢未提出有效方法。

隨著智能變電站的建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，大量巡檢機(jī)器人和高清攝像機(jī)的使用[7]，為改變傳統(tǒng)變電站巡檢模式提供了新的方法。文獻(xiàn)[8-9]提出一種思路，即利用圖像識別技術(shù)，通過識別圖像采集設(shè)備拍攝的可見光照片，獲得屏柜上指示燈、壓板、開關(guān)刀閘等狀態(tài)信息，與基準(zhǔn)狀態(tài)進(jìn)行比較，當(dāng)出現(xiàn)狀態(tài)變化、讀數(shù)越限等異常情況時(shí)及時(shí)發(fā)出告警信息，有效提高了自動化運(yùn)維水平，節(jié)省了人力和時(shí)間，但其對設(shè)備狀態(tài)的展示較為單一，對于工作人員判斷現(xiàn)場狀態(tài)表現(xiàn)出了一定局限性。

對此，提出一種基于3D 全景展示的智能站二次設(shè)備現(xiàn)場可視化方法，基于3D 全景建模技術(shù)，利用圖像采集、聲紋監(jiān)測、溫度監(jiān)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)設(shè)備的物理可視化，通過數(shù)據(jù)處理技術(shù)對MMS 報(bào)文進(jìn)行解析及過濾處理，綜合實(shí)現(xiàn)智能變電站二次設(shè)備狀態(tài)的可視化展示，以此提高智能變電站運(yùn)維效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

智能站二次設(shè)備3D 全景展示及現(xiàn)場可視化監(jiān)測系統(tǒng)主要由智能變電站二次室3D 模型、站內(nèi)二次設(shè)備物理信息可視化、站內(nèi)二次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息三部分組成。通過該系統(tǒng)可直觀了解現(xiàn)場設(shè)備物理位置狀態(tài)，通過圖像、聲紋、溫度采集設(shè)備在線監(jiān)測二次設(shè)備故障告警信息，提升遠(yuǎn)程設(shè)備維護(hù)水平，實(shí)現(xiàn)故障精準(zhǔn)定位，減少現(xiàn)場運(yùn)維工作量。

在3D 全景展示的基礎(chǔ)上，針對西鐵營變電站的實(shí)際需求，實(shí)施方案設(shè)計(jì)如下。

(1) 實(shí)現(xiàn)基于無人機(jī)的10 kV 配電室的自動巡檢、手動巡檢、圖像上傳、自動報(bào)警及自動充電功能。

(2) 實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器人的二次控制室自動巡檢、手動巡檢、自動圖像上傳、自動報(bào)警功能。

(3) 實(shí)現(xiàn)基于聲紋及攝像頭的110 kV GIS 室開關(guān)設(shè)備監(jiān)測功能。

(4) 實(shí)現(xiàn)站內(nèi)溫度監(jiān)測功能。

(5) 實(shí)現(xiàn)基于IEC 61850 的MMS 報(bào)文采集解析功能。

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)架構(gòu)

系統(tǒng)主要流程為：解析IEC 61850 協(xié)議采集數(shù)據(jù)入實(shí)時(shí)庫，機(jī)器人模塊、無人機(jī)模塊、攝像頭模塊輪詢查詢實(shí)時(shí)庫數(shù)據(jù)；當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)異常時(shí)調(diào)用對應(yīng)的機(jī)器人、無人機(jī)、攝像頭進(jìn)行操作，并將對應(yīng)的照片等結(jié)果數(shù)據(jù)存儲到關(guān)系庫；通過智能站平臺查詢各種存儲的異常數(shù)據(jù)并進(jìn)行展示。聲紋模塊有異常數(shù)據(jù)時(shí)把聲紋數(shù)據(jù)存儲到關(guān)系庫，通過智能站平臺同樣可查詢聲紋數(shù)據(jù)并進(jìn)行展示。智能站平臺主要有顯示異常數(shù)據(jù)及嵌入3D 組態(tài)兩種功能。

2 示范方案設(shè)計(jì)

2.1 示范工程概述

西鐵營110 kV 變電站位于北京市豐臺區(qū)菜戶營南路東側(cè)，主變樓為地上兩層，地下一層，建筑面積約為2 877 m2，其中地上建筑面積約為1 687 m2，地下建筑面積約為1 190 m2；地上一層主要包括警衛(wèi)控制室、10 kV 開關(guān)室；地上二層為二次控制室及值班室等；地下一層為電纜夾層。

項(xiàng)目計(jì)劃在北京110 kV 西鐵營變電站實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備3D 全景展示及現(xiàn)場可視化監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能采集并展示電站二次設(shè)備的外觀，協(xié)助運(yùn)維人員分析判別二次設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，減輕運(yùn)維壓力，提高智慧運(yùn)維能力。

2.2 具體實(shí)施內(nèi)容

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案對項(xiàng)目示范應(yīng)用實(shí)施內(nèi)容進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，主要包括以下工作。

2.2.1 安裝現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)柜

二次設(shè)備室21 號屏柜位置新安裝一面“二次設(shè)備3D 全景展示及現(xiàn)場可視化監(jiān)測系統(tǒng)柜”，柜內(nèi)主要安裝鏡像交換機(jī)一臺，正向隔離裝置一臺，網(wǎng)絡(luò)分析儀一臺，通信管理機(jī)一臺，以及就地顯示的3D 主機(jī)一臺。

3D 全景展示及現(xiàn)場可視化監(jiān)測系統(tǒng)通過鏡像網(wǎng)絡(luò)分析儀、交換機(jī)及正向隔離裝置獲取站內(nèi)二次設(shè)備的運(yùn)行報(bào)文信息，并與無人機(jī)、機(jī)器人及攝像頭采集輸送過來的圖片信息進(jìn)行比對和判別，將采集到的實(shí)時(shí)圖像、站內(nèi)渲染效果及對比分析的結(jié)果顯示在3D 主機(jī)上，供運(yùn)維檢修人員監(jiān)視瀏覽。

2.2.2 強(qiáng)化圖像和聲紋采集功能

在二次設(shè)備室增加行走機(jī)器人一部，機(jī)器人具備視頻拍照功能，可將拍到的屏柜高清圖像回傳給3D 全景展示及現(xiàn)場可視化監(jiān)測系統(tǒng)；更換5 扇屏柜(即1 號主變壓器測控柜、1 號主變壓器保護(hù)柜、3 號主變壓器測控柜、3 號主變壓器保護(hù)柜以及110 kV 母線保護(hù)柜)的前柜門，旨在加寬玻璃板，增大拍照取景視野，為圖像采集提供便利條件；在該系統(tǒng)柜內(nèi)部署一套聲紋采集裝置，采集GIS 室內(nèi)裝置的運(yùn)行聲音，并對采集到的聲紋信息進(jìn)行處理，以便開展進(jìn)一步的故障判別。

2.2.3 配備無人機(jī)及通信電源箱

10 kV 開關(guān)室配備視頻拍照無人機(jī)一臺，以及傳輸數(shù)據(jù)和電源的通信電源箱一部。無人機(jī)主要拍攝開關(guān)柜前面板圖像，圖像采集能夠反映開關(guān)地刀的指示燈狀態(tài)，保護(hù)等裝置的運(yùn)行指示情況，以及事故相關(guān)指示燈狀態(tài)；拍攝完成后，能將拍攝圖像回傳至3D 全景展示及現(xiàn)場可視化監(jiān)測系統(tǒng)，供統(tǒng)故障事故分析和用戶監(jiān)視。

2.2.4 110 kV GIS 室內(nèi)部監(jiān)測系統(tǒng)改造

110 kV GIS 室安裝兩只攝像頭、兩套聲紋采集裝置。攝像頭安裝在保護(hù)屏柜對側(cè)墻面上高度約180 cm 的中間位置；兩套聲紋采集裝置用以測量GIS 室內(nèi)裝置異常聲音。開關(guān)柜旁邊安裝一部通信電源箱，內(nèi)部配備電源開關(guān)、8 口網(wǎng)關(guān)交換機(jī)一臺作為攝像頭和聲紋采集裝置通信、電源中轉(zhuǎn)站。

2.3 系統(tǒng)安裝及組網(wǎng)

2.3.1 二次設(shè)備室

將3D 全景展示及現(xiàn)場可視化監(jiān)測系統(tǒng)柜柜體立放于21 號備用位置；拆卸5 面柜子(即1 號主變壓器測控柜和保護(hù)柜、3 號主變壓器測控柜和保護(hù)柜、110 kV 母線保護(hù)柜)的舊前柜門，安裝新的前柜門；將機(jī)器人放置在合適位置等待調(diào)試使用。

敷設(shè)一根直流電纜，兩根交流電纜，一根通信網(wǎng)線，線纜長度約10 m；敷設(shè)一根對時(shí)電纜，長度約20 m；在新安放的系統(tǒng)主機(jī)柜內(nèi)部署一套聲紋采集裝置。

2.3.2 10 kV 開關(guān)室

安放無人機(jī)及通信電源箱。通信電源箱安裝在二次線豎井旁邊空曠位置，采用AC 220 V 交流電源，電源線和通信線通過二次線豎井接至二次設(shè)備室3D 全景展示及現(xiàn)場可視化監(jiān)測系統(tǒng)柜；敷設(shè)一根交流電纜及一根超五類屏蔽以太網(wǎng)通信線纜，線纜長度約60 m。

2.3.3 110 kV GIS 室

安裝兩只攝像頭、兩套聲紋采集裝置。攝像頭分別安裝在線路保護(hù)屏柜對側(cè)墻面上，高度約180 cm 的中間位置。兩套聲紋采集裝置用于測量GIS 開關(guān)柜故障異常聲音。

在開關(guān)柜旁邊安裝一個(gè)通信電源箱，在電源箱內(nèi)安裝電源開關(guān)、1 只8 口網(wǎng)關(guān)交換機(jī)。該電源箱是為攝像頭和聲紋采集裝置提供電源及通信轉(zhuǎn)出。

敷設(shè)一根交流電纜電源線、一根帶屏蔽的以太網(wǎng)通信線，將這兩根線纜接入110 kV GIS 室的小配電箱內(nèi)，電源線和通信線長度為60 m。從通信電源箱到兩只攝像頭每只均敷設(shè)視頻通信線纜，線纜長度均為10 m。從通信電源箱到兩套聲紋采集裝置每套均敷設(shè)一根電源線纜、一根通信線纜，線纜長度均為25 m，通信線纜采用屏蔽以太網(wǎng)線，電源線和通信線沿著墻壁地面安裝線槽走線。

在1 號主變、3 號主變開關(guān)處各放置一套聲紋采集裝置，聲紋采集裝置采用AC 220 V 電源，聲紋傳輸采用屏蔽以太網(wǎng)線，電源、通信線纜接入通信電源箱電源及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。

2.3.4 接線組網(wǎng)

線纜安放完畢后，進(jìn)行接線組網(wǎng)工作，其中包含3D 全景展示及現(xiàn)場可視化監(jiān)測系統(tǒng)柜內(nèi)的交直流電源接線和對時(shí)接線。

10 kV 配電裝置室、110 kV GIS 室內(nèi)的交流電源接線，采用網(wǎng)線水晶頭制作通信線接線。1 號直流饋電柜、不間斷電源柜、1 號站用電柜內(nèi)分別同步接線。接線組網(wǎng)完畢后，進(jìn)行校線核線，確保接線無誤，然后進(jìn)行封堵及制作電纜標(biāo)識。

2.3.5 調(diào)試

3D 全景展示及現(xiàn)場可視化監(jiān)測系統(tǒng)柜內(nèi)各裝置上電，包括3D 主機(jī)、通信交換機(jī)、鏡像交換機(jī)、正向隔離、網(wǎng)絡(luò)分析儀等。

主機(jī)內(nèi)部署3D 模型程序并配置、調(diào)試鏡像交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)分析儀，使3D 主機(jī)內(nèi)能夠接入并監(jiān)視站內(nèi)二次設(shè)備的運(yùn)行報(bào)文信息；配置通信管理機(jī)；10 kV 開關(guān)室裝置上電，包括采集控制器、路由器等。配置路由器、采集控制器，對無人機(jī)安裝控制程序，確保調(diào)試后能平穩(wěn)控制無人機(jī)在屏柜前拍照，并將圖像經(jīng)3D 主機(jī)內(nèi)通信管理機(jī)傳給3D 主機(jī)。

110 kV GIS 室內(nèi)裝置上電，包括網(wǎng)關(guān)交換機(jī)、聲紋采集裝置及視頻攝像頭。配置網(wǎng)關(guān)交換機(jī)及視頻錄像機(jī)，控制聲紋采集裝置采集110 kV GIS室內(nèi)裝置的運(yùn)行聲音，并傳給3D 系統(tǒng)柜內(nèi)的聲紋采集裝置，然后進(jìn)行聲紋判別分析，檢測判斷110 kV GIS 室內(nèi)裝置運(yùn)行狀態(tài)?？刂埔曨l攝像頭拍攝110 kV GIS 室內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行視頻，并通過網(wǎng)關(guān)交換機(jī)和視頻錄像機(jī)回傳給3D 系統(tǒng)主機(jī)。

對3D 系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行多次試驗(yàn)測試，確保每次都能接收到機(jī)器人、無人機(jī)、視頻攝像頭及聲紋采集裝置傳回的圖像、視頻和聲音，應(yīng)保證所采集的圖像視頻清晰，聲音無雜質(zhì)。多次測試確認(rèn)無誤后，進(jìn)行聯(lián)調(diào)工作。通過多方配合模擬故障運(yùn)行信息，使3D 主機(jī)能自動監(jiān)視并獲取故障間隔的運(yùn)行、故障信息，并能接收到無人機(jī)所采集到的故障間隔開關(guān)柜面板的圖像，圖像能明顯顯示開關(guān)指示燈狀態(tài)，并與獲取的跳閘報(bào)文信息結(jié)果一致。多次模擬后，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確率達(dá)到預(yù)定指標(biāo)，至此聯(lián)調(diào)試驗(yàn)完成。

3 示范應(yīng)用效果

目前，已部署開發(fā)智能變電站3D 全景可視化系統(tǒng)一套，并于西鐵營智能變電站試點(diǎn)應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行良好。

經(jīng)過試運(yùn)行，系統(tǒng)可通過3D 全景展示直觀了解現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，通過圖像、聲音、溫度及二次設(shè)備通信數(shù)據(jù)綜合判斷在線監(jiān)測二次設(shè)備故障告警狀態(tài)，使運(yùn)維人員能夠快速精準(zhǔn)定位故障，達(dá)到減小現(xiàn)場運(yùn)維工作量并保障設(shè)備安全運(yùn)行的目標(biāo)。

系統(tǒng)基于故障診斷技術(shù)，利用圖像、聲紋、溫度等物理信息，同時(shí)結(jié)合大量綜自數(shù)據(jù)，對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行更準(zhǔn)確、全面的判斷。通過運(yùn)用3D 全景可視化技術(shù)進(jìn)行動態(tài)仿真和建立擬實(shí)環(huán)境，使工作人員能夠?qū)ψ冸娬径问疫M(jìn)行直觀判斷及可視化管理，能夠大幅減輕運(yùn)維人員工作壓力，提高工作效率。

4 接入系統(tǒng)前后變電站運(yùn)維效果對比

4.1 傳統(tǒng)三維變電站數(shù)字模型展示系統(tǒng)特點(diǎn)

現(xiàn)有智能變電站仿真需構(gòu)建具體的二次設(shè)備邏輯模型、設(shè)備模型、三維模型，其中二次設(shè)備模型構(gòu)建需要通過人工模式實(shí)現(xiàn)，這樣不僅資料采集難度較大，設(shè)備關(guān)聯(lián)性不明確，極易造成模型錯誤，且工作量過大，模型構(gòu)建效率非常低，甚至無法實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備之間信息交互拓?fù)淠Ｐ偷挠行?chuàng)建。

目前國內(nèi)外的三維變電站數(shù)字模型及相應(yīng)的應(yīng)用展示系統(tǒng)，只能展示變電站的空間位置信息和設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)及相關(guān)圖紙、文檔等靜態(tài)信息，不能及時(shí)反映設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有的運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，多是通過平面拓?fù)溥壿嬕晥D來反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)，缺少三維虛擬環(huán)境的表現(xiàn)。在出現(xiàn)運(yùn)行突發(fā)事件時(shí)，無法快速了解現(xiàn)場的環(huán)境狀況，不利于快速準(zhǔn)確地做出應(yīng)急方案。

4.2 新系統(tǒng)特點(diǎn)

(1) 3D 建模完全按照變電站二次屏柜、二次設(shè)備設(shè)計(jì)，可全景展現(xiàn)現(xiàn)場各功能屏柜排列及方位布置。二次設(shè)備故障告警信息可通過3D 建模的屏柜直觀展示，同時(shí)可進(jìn)入故障屏柜檢查柜內(nèi)二次設(shè)備指示燈、壓板、轉(zhuǎn)換開關(guān)狀態(tài)；采用“虛、實(shí)”結(jié)合的動態(tài)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)靜態(tài)3D 模型設(shè)計(jì)思路，完全替代了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)只通過平面數(shù)據(jù)顯示的方式，使運(yùn)維人員更加直觀地判斷、精準(zhǔn)定位故障所在。

(2) 采取圖像、聲紋、溫度多種數(shù)據(jù)源提取特征值進(jìn)行綜合判斷，通過科學(xué)計(jì)算作出設(shè)備故障分析，此技術(shù)路線取代了傳統(tǒng)只依靠綜自信息單一來源進(jìn)行故障診斷的模式，可對設(shè)備狀態(tài)判斷進(jìn)行補(bǔ)充，同時(shí)可將解析結(jié)果通過3D 可視化方式進(jìn)行展示，使展示效果更加直觀。

(3) 基于故障診斷技術(shù)，利用圖像、聲紋、溫度等物理信息，結(jié)合大量綜自數(shù)據(jù)，可對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行更準(zhǔn)確、全面的判斷；運(yùn)用3D 全景可視化技術(shù)以及建立動態(tài)仿真和擬實(shí)環(huán)境，更加有助于工作人員對變電站二次室進(jìn)行直觀判斷和可視化管理，同時(shí)大幅減輕運(yùn)維工作量，提高工作效率。

5 結(jié)論及建議

(1) 該研究成果可直接應(yīng)用于變電站二次設(shè)備的運(yùn)行、檢修階段，幫助相關(guān)人員熟悉變電站端屏柜位置、設(shè)備屬性，發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障時(shí)可快速觀察現(xiàn)場狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)變電站端故障設(shè)備，提前制定應(yīng)對策略，降低運(yùn)行時(shí)故障發(fā)生概率，提高設(shè)備故障處理能力，為電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行管理提供優(yōu)化和決策依據(jù)，有效保證智能變電站二次設(shè)備全景監(jiān)視與可靠運(yùn)行。

(2) 針對無人機(jī)及機(jī)器人圖像采集、上傳、識別功能，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)圖像識別技術(shù)的理論水平以及配套設(shè)施水平還不是很高，對圖像的處理和識別偶爾會出現(xiàn)識別錯誤導(dǎo)致誤報(bào)警，需對相應(yīng)圖像識別算法及無人機(jī)/機(jī)器人穩(wěn)定性算法進(jìn)行改進(jìn)，以保證圖像識別的準(zhǔn)確性。

(3) 采用三維全景快速建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)變電站可視化監(jiān)控管理，開展變電站巡檢、運(yùn)維等工作，利用三維模型能夠真實(shí)反映變電站設(shè)備設(shè)施空間關(guān)系及狀態(tài)特征，確保人員直觀掌握設(shè)備設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)，但現(xiàn)有變電站數(shù)字化更新進(jìn)程越來越快，變電站數(shù)量和規(guī)模以及站內(nèi)設(shè)備種類不斷增加，而本次項(xiàng)目建模方法僅針對特定變電站，后續(xù)可考慮研究一種具有復(fù)制性和適用性的變電站快速建模方法。