第 3 章 220kV 无人值班变电站综自系统的硬件设计
3.1 变电站信息采集系统设计
通过对220kV无人值班变电站综自系统实现的可行性分析发现其满足220kV变电站的无人值班需要。在总结综自系统的基础上，接下来将要讨论 220kV 变电站综合自动化系统的设计与实现，给出了 220kV 变电站无人值班综自系统的硬件设计，提出了 220kV 变电站综合自动化系统实现无人值班的辅助决策系统的构成。
变电站信息采集系统为了满足变电站无人值班的需求，完成数据采集的功能，通过对该数据采集系统采用完全分层、分布式模式进而完成对变电站设备的保护、测量、监视和控制。本系统具有下列特点：
（1）分布式系统将保护与测控功能融为一体进行设计，使得保护与测控技能相互独立运作又能融为一体，通过对计算机与网络系统对信息数据进行交换，大大减少了系统的二次接线，不但节省了企业资金投入，在提高设备性能的同时提升了系统的稳定性与可靠性。
（2）采用先进的网络结构站层提供双以太网结构，可选用光纤网络，通过网关实现间隔层与变电站层联系，具有比较好的可靠性和灵活性。
（3）支持硬件对时网络以往设备进行硬件对时时，需要对每个设备提供相对应的接点和连线，不但工作量巨大，而且容易在接线过程中发生失误。而 GPS 硬件对时只需要一个接点便可通过网络对所有设备进行对时，提高了工作效率。
（4）系统内信息资源共享，为维护使用提供便利开放式的设计能够对站内保护信息功能等做出完整的分析并进行资源共享。不但可靠安全而且便于工作人员对其进行维护与使用。
间隔层主要由保护单元、测控单元组成。测控装置能够解决装置在恶劣环境下（高温、强电磁场干扰、潮湿）长期可靠运行的问题，并在整体设计上，通过保护、测控装置有机结合，信息交换，减少重复设备，简化了设计，减少了电缆。
通信层支持单网或双网结构，支持全以太网，也提供其它网络；双网采用均衡流量管理，有效地保证了网络传输的实时性和可靠性；通信协议采用电力行业标准规约，可方便地实现不同厂家的设备互连；可选用光纤组网，增强通信抗电磁干扰能力；提供远动通信功能，可以不同的规约向不同的调度所或集控站转发不同的信息报文；利用 GPS,支持硬件对时网落，减少了 GPS 与设备之间的连线，方便可靠，对时准确。在通信层，要采用网关代替某些自动化系统中常用的通信控制器，其最大好处是，其一，安全性。网关起着类似服务器的作用，连接网络各个节点，可将安全措施与通信功能集一体，可有效地隔离网络外部的影响；其二，网络开放性：这便于连接不同制造厂家的设备，避免被拴于给定时间的特殊开发或受控于极少数供货厂商；其三，网络可扩充。允许人们改变和修改部分系统而无需较大的费用。
变电站层采用单机或多机系统的多种形式，利用分布式系统结构设计，是的系统能够更加便捷的进行扩展，并且具有可靠性高、灵活性好的特点。变电站层为维操队值班人员、调控中心的调度与监控运行人员提供对变电站内设备的监视与控制管理，并且界面简单明了，易于工作人员的使用，能够很好的满足综合自动化系统的需要。
分层分布式变电站综合自动化系统是的变电站内保护和测控功能在相对独立工作的同时又是相互融合的，在保障保护装置安全性的同时又实现了信息共享，通过领先的科学技术与进准的设计为变电站综合自动化提供了完整的解决方案。借助于先进的计算机网络通信技术，实现变电站内外各子系统、装置的信息交换，变电站综合自动化系统不仅支持各种电压等级变电站所需的保护、监视、控制功能，还提供变电站自动化所需的各种高级应用功能，如：变电站中所需的故障信息、录波信息分析和处理功能，为变电站安全、稳定、经济运行提供了坚实的基础。
变电站数据采集系统的主要功能有：对数据的采集和处理、电压无功的自动控制调节、数据统计与分析处理、电压合格率以及主变负荷的智能化计算、事故异常报警及处理以及保护故障信息的采集于处理等，通过这些功能，能够足够满足 220kV 变电站数据信息采集的需要。
3.2 输变电设备在线监测系统的设计
一直以来变电站采用的是停电预防性试验方法对电力设备进行定期的维护与检修，但随着科技的进步，技术智能化水平的不断提高，停电预防性试验已逐渐无法满足电网发展需要。
首先，停电预防性试验测试出来的结果有时候不能反映设备的实际情况，经常有预防实验合格的设备在投运后不久就发生故障。所以常规的预防性实验正确性能还有待提高；其次，该试验是定期按计划进行，而计划外的日子里设备可能出现各种各样的情况，却没有办法及时反映被工作人员发现。最后，随着城市的发展，电网范围的不断扩大，变电站增多的同时站内设备数量也逐倍递增，定期对这些设备进行计划内停电实验的工作也大大加大，不但增加了工作人员的操作量，而且频繁的倒闸操作也增加了安全隐患等不确定因素。甚至因为某些设备由于总总原因停电困难，甚至无法按期进行试验，这样对电网的安全运行构成了极大的隐患。
综上所述可以发现停电预防性实验的方法需要得到升级才能适应电网发展的脚步。而输变电的在线监测系统的出现就是为了减少因为计划内试验而产生的停电时间，从而提高供电的可靠性与稳定性。
相对于 110kV 变电站而言，220kV 变电站由于电压等级更高联络网络更加复杂，由于部分设备因为运方的缘故无法按计划进行停电检修 ,但为了电网运行安全使工作人员能够及时准确的了解变电设备的实时运行情况，保证缺陷的及时发现与处理，保障设备的正常运行，输变电设备的在线监测系统的使用是220kV 无人值班变电站安全运行的保证，是它的重要组成部分。
输变电设备在线监测系统能够对设备的绝缘性等各种特性进行实时监测及诊断，通过带电测量和在线监测技术结合现有的技术手段，使得变电站内设备在不停电的情况下，利用该系统对设备重要组成部分数据进行监测，并对监测数据进行统筹分析系统进行智能化分析判断设备是否需要进行停电检修。且可以根据变电设备缺陷的发展情况来确定停电检修的必要性，减少了停电的时间，提高供电可靠性能的同时也为公司节省人力财力物力的损失。
具体内容为：
1、通过自动化智能在线监测技术，改变了以往通过人工对设备监测的工作模式，智能化工作的同时大大减少了通过人工监测时可能造成的人为失误，减少了误差情况的发生，提高了准确性能。
2、输变电在线监测系统中的红外测温、避雷器带电监测、SF6 气体水分测量以及绝缘油在线检测的结果完全取代了传统停电试验的监测，并能够在系统内部对数据进行交叉比对，查询历史数据进行分析打印。
3、通过输变电在线检测系统，可以通过检测数据自动判断运行中的电器设备是否有停电进行检修的必要，更加便捷准确。
根据在线监测的具体内容我们确定的研究方法和技术路线为：
1、完善避雷器在线监测设备、变压器油在线监测设备，增加断路器运行状态在线监测设备等。
2、对以监测设备的数据通过信号的传输实现网络内共享，便于各相关专业部门的工作需要。
3、在输变电在线监测系统中对设备缺陷的判定是否准确，实时对系统的数据库进行更新，并按实际情况与需求对系统程序进程重新编写。
3.3 变电站动力环境检测系统的设计
为了配合无人值班变电站工作的开展，公司新增动力环境监测系统，以远程视频监控技术为主体，加入了环境情况分析以及安防系统的联动运作。其中远程视频监控系统主要通过值班员在远方对摄像头方位进行调整，监视站内设备运行情况，并记录站内安全。对于无人值班变电站而言远程视频监控系统的投入使用是十分必要的。有助于在夏季高温天气的情况下通过夜间巡视对设备接头触电发热情况及时发现，提高了电力系统自动化与智能化的可靠性与安全性。发生事故后作为辅助工作帮助快速处理事故，并能够提供相关影响资料为日后的事故分析提供直观依据。而安防系统则具有防火防盗等功能，通过视频与音频的相结合对无人值班变电站进行有效监控与管理，为无人值班变电站的顺利实现奠定了坚实的基础。
3.3.1 需求分析
1、远程视频监控系统的实现目标
通过对无人值班变电站内所有区域内的生产设备运行情况进行监视 ,对设备外观状态以及有无着火、冒烟、漏油等明显异常迹象判断设备运行情况，及时发现隐患并快速处理。特别是对于无人值班变电站由于没有安保人员在站内守卫，极易招到不法人员进入站内进行盗窃行为，利用视频监控系统可以对大门及周边围墙进行监视，及时发现可疑人员。并能够实现对变电站内空调以及换气扇等设备进行运行状态的远方检测，当监控值班员对站内设备进行操作的时候，视频监控系统可以起到辅助作用，监视开关位置变化情况。
2、事故反演
变电设备运行的过程中难免会发生异常，每一次事故的发生都存在突然性，虽然无法预料却又可以在前期人为介入进行预防以杜绝，远程视频监控系统具有事故反演的功能，帮助值班员准确了解事故发生时站内设备运行情况，从而尽快找出事故发生原因，应以此为戒采取预防性措施，防止同类事故的再次发生。
3、现场操作指示
（1）变电站内的操作需要严格按照相关操作规程进行，必须要有相应的保证措施采用“五防”闭锁系统和实行双人操作现场监护。利用远程视频监视技术，通过对站内设备情况的实时监视功能，可以由监控班的值班人员进行远方操作指导。利用可移动式无线或有线耳机确保操作的安全和准确。
（2）也可以通过固定在高架构上的视频系统发现工作现场的遗留物品，或运行设备周围的漂浮物等，从而及时消除安全隐患。
4、安防系统主要作用是防火和防盗。通过在站内安装各种传感器，当发生火灾或站外人员进入偷盗时，可以及时发出报警信号，并将信号传送至监控班，监控值班员发现信号后立即安排相关人员进行处理，保障了无人值班变电站的站内安全。
3.3.2 设计原则
在对站内远程视频监控系统进行设计的时候需要考虑相应的原则：
1、通过采用 B/S 结构，利用标准的 TCP/IP 协议模式，使其兼容性能提高，在使用过程中能融入进南昌电网的现存网络系统中，并能够自动对网络带宽加以控制，不仅视频图像画面的质量得到应有的保证，而且还能在网络中进行其它的应用程序，不致于造成网络的拥堵现象，有效地利用带宽资源。
2、设计功能强大的系统程序，不能能够实现常贵德视频监控功能，而且能够对异常情况进行报警等功能。
3、整个系统的操作界面简单并美观，采用全中文的模式，值班人员运用起来便捷简单。
4、该系统能够对站内的设备进行监视与监听的操作功能，值班员身在远方监控班控制台上就能通过画面的调取实时调取对变电站内画面情况，通过鼠标的移动对现场云台和镜头加以控制，实现多角度监控。
5、灯光的控制功能
6、系统具有自动录影并重演备份等功能，当发生火灾与非法入侵时视频系统自动开启联动功能。能够自动切换到相对应的摄像机，并开启数字录像，对整个过程进行录像备份。
7、环境信息监测功能：环境信息检测主要包括温度与湿度两部分。系统利用加装在视频监控摄像头上的红外测温感应装置，通过远方监控员的鼠标遥控操作，自动对指定设备部位进行温度感应，遇到温度过高的情况自动发出报警 .
8、系统能够通过一个电脑显示终端同时监视多个变电站的图像画面，也可以通过多个监控终端对同一个或不同的变电站进行图像监视，并能进行自动轮巡功能的设置。
3.3.3 系统组成
1、按模块划分，如图 3.2.
2、按层次划分。
由无人值班变电站的数据采集端、运维操作队、调控中心监控班三部分组成。南昌电网内变电站、运维操作队以及调控中心三者间联络紧密，需要进行数据的交换与共享，其传输介质主要以光缆为主体，变电站端网络接入应采用E1接口： 4E1（8M）网桥。由于当前站端视频图像已达到16路，因此建议采用4E1链。
（1）变电站数据采集端。
主要组成部分为变电站内视频采集终端，以及计算机网络连接设备等组成，通过选择不同功能的探头或云台控制器等实现画面显示。变电站数据采集端通过计算机网络功能将站内采集到的视频以及报警信号数字化传输到调控中心，并转化为图像显示和语音文字报警的方式，为监控班实现无人值班变电站远程监控工作提供便利，使得站内及远方均能通过网络实现监控操作的全部功能。当发生异常时，系统自动发出报警本地系统自动开启录制功能，并快速将实时站内图像及相关信息上传至监控班，快速准确的联动相关设备启动。
（2）运维操作队端。
运维操作队的终端主要由视频和监控服务器，以及各种其它网络设备共同组成。维操队所在站内的视频服务器主要包括各种摄像设备以及报警装置等设备，不仅可以为整个系统进行管理和服务，而且还能为分布在其他区域网内的计算机提供视频显示功能，只需要在网页上登录指定的地址便能进行图像的浏览功能。
（3）调控中心监控班端。
监控班使用的视频监控系统主要通过远程站内的视频管理服务器进行授权，从而使监控值班员能够调取相应制定画面，实现数据采集功能，实现对站内设备的远程监控。监控班通过智能化信息网络实现对南昌电网所有电压等级的无人值班变电站管理与监控，通过对各个站点的图像控制了解变电站内的实时情况，并能依据站内情况对摄像头进行控制，必要时自动开启录像功能，为日后的查询提供留存记录。
监控班值班人员通过鼠标和键盘的控制，能够灵活对站内摄像头或者云台进行移动操作，控制镜头的方位、速度、以及远近等功能。并能同时于其它电脑同时进行监控操作，且不影响操作速度与画面质量，使监控系统的安全性与便捷性得到了很大的提高。
3.4 220kV 变电站无人值班综自系统自动化调控的实现
3.4.1 SCADA 子系统 OPEN3000 系统功能
通过对变电站内数据信息的采集，通过信息传输至调控中心自动化班主站系统内部加以转换，最终实现监控对无人值班变电站的实时监控。目前南昌电网使用的是 SCADA 系统子系统 OPEN3000 系统对南昌电网所辖无人值班变电站进行监视操作。其主要功能是通过光纤通道的利用，将站内反馈的实时数据进行收集、整合、处理，并最终实现监控，能够通过画面显示站内实时信息数据，并自动生成数据库对实时及历史数据进行查询，在站内通道及工况正常的情况下，能够将无人值班变电站内的一次主接线图实时反映出来，并根据搜集到的实时数据，系统自动计算出相应的负荷及电量情况。当电网发生异常的情况下，能够自动发出语音报警，推送出事故画面以及相应的保护动作信息。对各类报表与事项也能进行打印。在操作功能方面，则能实现对变电站内所有开关的远方遥控分合操作、主变有载调压开关的档位升降或急停操作、电容器及站用变的投退操作、站内信号的复归以及对相关设备进行置牌操作等功能。
3.4.2 OPEN3000 系统的监控功能要求
（1）安全操作功能：监控班的操作工作有着严格的规定，必须实行双人双机监控操作。而此套系统在设计最初也制定了严格的操作权限，遥控命令的执行必须经过预置操作、校验、执行三道程序，通过信号的返送校对其命令的正确性才能继续进行操作。当值班员在同一台电脑上进行单机操作时，系统将自行闭锁而无法继续完成操作任务，必须在不同的电脑主机上完成监护作业。值班员还可以通过对设备进行置牌而禁止操作控制，并且所有的操作都需要在生产管理系统中做出相应的记录，以备日后工作的查询。
（2）责任区管理与信息分层：OPEN3000 系统对监控班所辖的无人值班变电站进行了区域的划分，按照地理大致方位将南昌电网划分为桃花坞片区、昌东片区、董家窑片区、盘龙山片区、西郊片区、斗门片区这六大片区。值班员可以在授权后对相应的责任区域及报警信息分层进行设置，从而大批量的数据信号可以按照设置进行相应显示，工作更加便捷。
（3）实时信息的智能化分类：由于变电站内运行信息众多，要从繁多量大的信号当中有序筛选出重要内容就需要工作人员对信号进行相应的分类，这样就能更加一目了然。所以根据值班人员的需求与变电站的实际情况，将信息分为实时信息、事故信息、越限信息、操作信息、一般信息、为复归信息等，对于已复归信号监控值班员具有确认权限，在确认后将其关闭，但当需要时能够从历史数据库调取查询。
（4）光字牌处理：当变电站内线路或设备出现异常情况时，光字牌会自动亮起以提醒监控值班员，而光字牌在 OPEN3000 内的又分为已复归和为复归两种。值班员通过操作界面可以自行设置，为监控工作提供便利。
（5）微机保护远方操作功能：目前 OPEN3000 系统支持对无人值班变电站内的微机保护进行远方保护信号复归工作。
3.4.3 调度自动化系统实现
南昌电网的调度自动化系统主要分为主站和厂站两部分。调控中心显示的设备实时信息数据均来自于所辖范围内的无人值班变电站。厂站部分的自动化系统主要利用信息的输入输出设备，对信息进行采集并执行命令的子系统；而主站作为另一个子系统通过对厂站系统传输的采集好的信息进行处理和控制，最后传入人及联系子系统为调控值班人员服务。电网监控与调度自动化系统示意图如图 3.3 所示。
l、厂站通信网络的设计
无人值班变电站利用信号的输入输出设备，通过用于信息采集和命令执行的计算机实现最终的监控，每一个变电站内通过各自配置的终端服务器，将汇集而成的太网接口接入站内网桥；并通过该网桥（10M 转 2M）与光端机的 2M 接口相连，与主站网络的光端机 2M 接口一一对应，从而实现厂站与主站的网络通信联络功能。变电站层网络构成示意图如图 3.4 所示。
2、主站通信网络的设计
通过信息传输子系统将厂站信息传入主站，需要保障其数据的准确性、安全性与可靠性。因此调度自动化系统采用通道专用的模式，设立两条数据通道并互为备用通道。调度班与监控班可以通过互联网络实现数据的交换，并且调度和监控互为备调，平时系统正常情况下，两个班组各自独立运行，调度班负责向监控班下令，监控班负责远方遥控执行操作指令。而当系统发生故障时，调度可以完全替代监控，监控也可以接替调度，实现互为备用调度的作用。提升电网的稳定性与安全性。
调度监控互为备调典型模式示意图，如图 3.5 所示。
3.5 辅助决策系统在变电站中的构成
综自系统在 220kV 无人值班变电站的应用过程中还需要辅助决策系统的技术支持。通过辅助决策系统的加入，使得综合自动化系统功能变得更加完善，无人值班变电站的智能化、精准化水平显著提高。
3.5.1 气象信息监视
气象信息的监视包括对风速信息、雨量信息、气温、强风暴雨等恶劣天气情况的检测，并对中长期天气情况进行预报。当遇到恶劣天气时提前向各部门发送邮件对天气变化情况进行预警，适时安排工作人员对设备进行特殊巡视，并根据天气状况安排和调整计划检修工作，从而在保障电网安全运行的同时也为电网工作人员提供了人身安全保障。
3.5.2 变电站 GIS 设备
变电站 GIS 设备为金属全封闭式组合电器，它与传统的变压器不同，将断路器、隔离开关、接地刀闸、电压互感器、避雷器等设备全部组合封闭在一个金属箱体内，并在其内部充满一定量的 SF6 气体，利用 SF6 气体对操作时可能引起的电弧起到灭弧的作用。使用 GIS 设备能够减少维护工作，并体现了小型化与综自一体化的要求，为无人值班变电站的开展提供了便利。
3.5.3 车辆 GPS 定位指挥系统
通过对车辆加装 GPS 定位指挥系统，能够对车辆实现实时定位监视，了解车辆所处的位置便于调度。当站内发生事故或异常时，可以对车辆进行调度，安排距离最近车辆快速到达，保证检修人员及时快速赶到事故现场进行事故处理工作，为排除故障恢复供电提供了宝贵的时间。
