变电站智能辅助设施监控系统设计

　　工控摘要：本文对变电站需要在线监控的辅助系统特性及测量、控制方式进行研究，建立了变电站辅助系统智能接入平台，完成对变电站辅助系统的全面监控，实现了辅助系统故障实时在线告警，大幅度提高了变电站的自动化水平。
　　
　　1引言
　　
　　数字化变电站是智能电网的物理基础，是供配电自动化的信息采集和命令执行单元。当前，无人值守变电站的建设主要集中在电力一、二次设备参数采集和自动化控制，但要*实现一个变电站的数字化、智能化、无人值守，还应包括辅助设备、环境参数、各种辅助运行参数的采集。如门禁系统、保护室、开关室等各种环境控制设备、各种设备温湿度、接地电流状况等。这些参数对电力设备的安全可靠运行影响是一个累积效应，因此很有必要实现变电站辅助设备的参数联网采集和集中控制。这些设备分布广，更新快，布线困难，若采用传统的铺放线缆或光纤方式，存在成本高、施工难度大的问题，尤其对已有旧变电站的改造十分困难[1-4]。
　　
　　本课题立足于的无线传感器网络技术，研制成本低廉、实施方便的变电站辅助系统数字化接入平台，实现变电站辅助设备的智能化和数字化。同时,在变电站内的关键位置安装可见光视频摄像头及红外热像仪。视频摄像头用于对环境状况进行可视化监测，实现对远程操作结果（比如规程要求的可视断点）的“遥视”，及时应对异常情况;红外热像仪实现对场景中的温度分布状况进行监控，检测发热点，发现安全隐患，保障重要设备的安全运行。
　　
　　2系统整体设计
　　
　　2.1系统框架
　　
　　变电站辅助设施监控系统由前端监测模块、无线传感器网络、监控主机、后台软件系统四大部分组成，
　　
　　2.2系统运行原理
　　
　　系统前端控制器通过RS-485总线或无线传感器网络与被控设备及环境参数采集器、摄像机相连接。空调、除湿机在其内部加装远程控制板，风机在外边供电电路上加装远程控制器。环境参数采集器将现场的环境参数如温度、湿度等参数传输到前端控制器。火灾烟雾报警器、人体感应报警器将报警数据传输到前端控制器。前端控制器将采集到的环境参数、报警数据以及空调、除湿机、风机的运行状态数据通过电力SCADA通信网络或以太网传输到调度中心的中心服务器进行存储和处理。操作队工作人员可以通过安装在计算机上的客户端软件通过内部局域网连接到中心服务器对各个变电站的环境调节设备的运行情况及环境参数进行查看，并可以通过中心服务器对变电站的设备进行远程控制。
　　
　　2.3系统功能
　　
　　本系统能够接入变电站环境控制的大部分装置，并配备多种传感器用于监测多种环境参数，根据各种策略优化运行各种设备。系统在对变电站环境参数准确测量的基础上，通过在每个变电站内部建立的通讯网络对环境调节设备实施远程人工控制，或根据现场工况及设定的参数自动调节环境调节设备的运行。本系统可以做到对变电站环境实时监控，对变电站环境调节设备的分级集中控制，zui大限度的为变电站变电设备正常运行提供一个安全、的环境。同时，也延长了各种环境控制设备的使用寿命，减少了能源损耗。以下是各功能模块的介绍：
　　
　　（1）实现各种站内“小气候”调节设备的接入，使其具备遥测、遥控的功能。变电站内的保护室、载波室、开关室、电容器、蓄电池室、安全工器具室中的各种空调、除湿机和风机能够方便接入本系统。通过本系统能够控制设备合理的运行和暂停，避免发生设备超负荷损坏。通过合理的调配环境冗余备份，延长设备的使用寿命，降低电力的损耗。
　　
　　（2）实现各种监控设备的接入。本系统当前能够实现机房浸水、烟雾感应、人体感应、门禁系统的接入。系统可对分布的各个独立的监控单元进行遥测和遥信等数据采集，并根据需要输出简单的开关量，完成预定的遥控操作。
　　
　　（3）多种通信接入手段。为了满足不同变电站和设备室的要求，本系统可以采用RS-485总线、Zigbee（780M频段）和WiFi无线传感器网络等实现各种设备的快捷接入。能够极大的降低施工难度和维护成本，同时，各通信手段满足各种通信标准，不会对现有的保护设备、通讯设备产生不良影响。
　　
　　操作规程要求在控制室内不能安装无线设备，因此在控制室内本系统采用RS-485总线控制;而视频监控内容数据量大，不适合Zigbee无线传输，本系统采用WiFi传输;众多的辅助环境监控设备采用相对低廉的Zigbee无线传输网络。
　　
　　（4）丰富的系统扩展功能。本系统提供多种输入接口，并提供多种协议转换能力，具备一个变电站离散信号通信平台的能力。系统能够提供低功耗信号采集前端和无线传感器网络的通用接入接口，能够方便接入主变风扇运行状态、各种电力接头温度、避雷器状态等现在没有接入变电自动化系统的信号，可根据信号的接入需要进行扩展。
　　
　　（5）集中管理和数据存储功能。系统管理中心实时监视各设备的运行状态，记录和处理相关信息，及时侦测故障，并优化并下达各种操作，适时通知值班人员处理;并能按要求提供相应的数据和报表。
　　
　　（6）多种报警和显示手段。系统不但能够在管理中心进行集中管理。还能提供接口，在本地通过LED显示屏，声音报警等，及时通知本地安全人员，还能根据需要添加手机短信报警、彩信报警等功能。
　　
　　3监控系统模块
　　
　　3.1空调、除湿机远程控制板
　　
　　空调、除湿机远程控制板为用户提供一个RS-485监控通讯接口。通过该接口可获取空调机、除湿机的运行数据和控制空调机、除湿机运行参数，从而实现对空调机、除湿机进行遥信、遥测、遥控和遥调，实现远程监控与远程维护。加装该控制板后不会影响空调机、除湿机本身的操作，用户既可以通过空调机、除湿机遥控器的按键操作控制空调机，又可以通过向空调机、除湿机监控接口下达命令来控制空调机、除湿机，即本地操作与远程操作并行。
　　
　　3.2风机远程控制器
　　
　　风机远程控制器为用户提供一个RS-485监控通讯接口。通过该接口可获取现场每台风机的运行状态和控制每台风机的启停，从而实现对风机的遥测、遥控，实现远程监控与远程维护。加装该控制板后不会影响风机本身控制电路的操作，用户既可以通过原来的控制电路操作风机启停，又可以通过向风机远程控制器下达命令来控制。
　　
　　3.3环境参数采集器
　　
　　环境参数采集器采用高质量高精度数字温湿度传感器，具有优良的长期稳定性、低延滞性、强抗化学污染能力和极优的可重复性。温湿度测量范围宽、高低温湿度测量。采集器带有RS-485通讯接口。
　　
　　3.4视频采集和压缩终端模块
　　
　　视频采集与压缩终端模块以DAVINCIDM6446处理器为控制核心，运行嵌入式linux系统，完成通信、控制及用户交互功能。电路板包括视频解码接口、以太网接口、WIFI通信模块、存储模块、电源模块。
　　
　　其中，音视频编解码接口，由DAVINCIDM6446处理器的视频接口通过TW2835控制芯片扩展得到，用于对检测环境中特定目标的视频信息采集，采用H.264编码标准实现视频的压缩、存储和传输。
　　
　　以太网接口，通过DAVINCIDM6446处理器的GPIO接口和以太网物理层芯片XLT971ALE扩展，得到标准的RJ45网络接口，应用于具有上网条件的检测环境中，作为WLAN通信方式的补充，实现与互联网的连接。
　　
　　WIFI通信模块，由WG7210无线模块通过SPI总线与DAVINCIDM6446处理器连接，由该处理器的ARM内核运行控制程序实现通信连接，组成无线局域网，实现检测终端的数据集中、信息提取和帧结构定制;
　　
　　存储模块，由FLASH存储器与DAVINCIDM6446处理器的GPIO接口连接构成,根据远端用户发送的命令信息和任务需求,完成对本地和远程信息的存储服务,增强远程信息交互的灵活性。
　　
　　电源模块，由输入的5V直流电源经过多路DC-DC变换器，得到3.3V和1.8V的直流电压，分别为电路板的各功能部件提供电源。
　　
　　3.5前端控制器
　　
　　前端控制器如图3所示，前端控制器采用高速ARM嵌入式平台，具有RS-485数据接口，用于连接变电站内空调除湿机远程控制板、风机远程控制器、环境参数采集器等设备。具有以太网、光纤接口，可以方便的接入电力SCADA系统。前端控制器内置自动控制、手动控制、计划执行等多种操作模式，支持远程设置。
　　
　　3.6其他模块除了上述模块，监控模块系统还包括火灾烟雾报警器、人体红外感应器、中心服务器模块。火灾烟雾报警器和人体红外感应器采用RS-485总线数据传输，而中心服务器标准接口为2×RJ-45千兆以太网端口（后置）。
　　
　　4智能辅助设施监控系统特点
　　
　　4.1设备控制的可靠性
　　
　　变电站环境控制设备对变电站的正常运行有着非常重大的影响，因此本系统必须要求稳定可靠。首先所有硬件设备使用的元器件均采用工业级或*级产品，制造工艺采用高精密无尘机器焊接，并喷涂三防漆。所有产品均需通过严格的振动实验、高低温试验、盐雾试验、抗静电试验。其次在设备的控制方式上均采用旁路接入的方式，不改变空调机、除湿机、风机等设备原来的手动控制方式，做到远程操作控制与现场手动控制并行。
　　
　　4.2数据传输的可靠性
　　
　　为了达到系统数据传输的稳定可靠，现场设备之间可采用RS-485总线连接或无线传感器网络连接。前端控制器与其控制的空调、除湿机、风机的控制器之间采用数据传输协议，实现错误重传机制。在变电站与控制中心服务器之间采用电力SCADA系统数据传输网络，实现数据的稳定远传。
　　
　　5总结
　　
　　变电站辅助设施和监控系统的建设和投运将大幅度提高电网的自动化水平，本课题设计的监控系统结合变电站现场设备的状态信息，开发了变电站在线监测管理系统，该系统具有下列功能：1）远程手动控制空调机、除湿机、风机的启停，可以远程设定各个变电站内设备的工作时间计划，减少了设备损耗及电能损耗。2）能够进行变电站环境参数超标报警、设备损坏报警、火灾烟雾报警、人体意外闯入报警等功能。3）支持历史数据查询功能。可按照时间段、环境参数范围、设备状态灯多种条件进行查询，查询历史数据以曲线图、柱状图方式显示，支持不同时段对比分析;支持报表打印输出功能。