0 引言

近年来，随着无人值守变电站的推广，调控一体化运行管理模式逐步得到应用^[1]。为进一步提高变电站运行维护的安全性及可靠性，实现对变电站设备的可视化操作和运行环境状态的同步集中监控，变电站智能环境监控系统（以下简称智能监控系统）作为变电站内统一监控调度的一项辅助控制手段逐步得到应用。

传统的变电站安防智能化系统各子系统都是孤立的，出现了一种监控“孤岛”现象^[2]，无形中降低了系统的实用性、稳定性和安全性，而且增加了投资成本。目前传统的变电站安防智能化系统主要存在的问题包括：监控“孤岛”；无法联动及事故预防；消防事件无法远程监控及预防；缺乏环境监控手段；不能做到远程干预或制止电气设备偷盗行为；站内房间机械门锁安全性较低；无法做到对变电站进行实时监控和管理。因此，采用远程、实时、多维、自动的智能化综合监控系统^[3]是变电站安全运行的必备条件。

根据《智能变电站技术导则》《智能变电站设计规范》，结合杭锦旗供电分局实际情况，设计的变电站智能监控系统具有三级中心、十一大业务子系统，系统总体架构如图 1所示^[4]，业务子系统情况如图 2所示。

图 1

图 1 系统总体架构

图 2

图 2 变电站智能环境监控系统平台结构

智能监控系统为分层、分区的分布式结构，按监控地区级监控调度主站系统（以下简称监控主站）、区域级运维站（集控站）系统（以下简称运维站）和站端监控系统（以下简称站端系统）三级构建。

监控主站主要运行整个系统的后台服务体系，属于整个系统的运营调度中心，部署了流媒体服务器、系统管理服务器、数据通信服务器、数据库服务器、存储服务器以及客户端系统，通过网络统一采集信号，监控下级站端同步传送的各种环境量数字信号以及视频信号，实现集中监控，日常运维、故障预警，即时响应、指挥调度管理^[5]。

运维站作为地区监控主站，安装部署运维站客户端，通过调度中心用户鉴权管理，分配可管控的变电站监控资源。监控分布按照各电压等级变电站—监控区域—监测点树形目录结构、一次接线图和多级电子地图方式，逐层调阅本地辖区变电站视频信息^[6]。报警时，使报警地点以醒目的标记在电子地图或目录标志上闪烁，准确判断报警类型和地点。

站端系统以站端智能环境监控处理单元（HT500）为核心，将视频监控、环境监测、安全防范、火灾消防报警、门禁控制、语音对讲、智能控制、SF6泄漏报警等子系统接入处理单元，进行集中管控。

门禁控制子系统应根据建筑物的构造布局和安全防范的管理要求，对需要控制的各类出入口，按照不同的准入对象划分权限级别，进行进出控制和管理。门禁控制子系统应与电子地图子系统、视频监控子系统、报警子系统实现联动；门口可设置声光报警器，非正常操作或门未锁好时，应能发出声光报警，相关技术要求应满足《GA/T 394—2002出入口控制系统技术要求》。对人员逃生疏散口的出入口控制应符合《GB 50396—2007出入口控制系统工程设计规范》第9.0.1条第2款的相关规定。对于已建的门禁系统，应改造为与本系统兼容的门禁系统。

环境监测子系统主机安装在监控室内，通过采集和传输技术的应用，利用智能环境监控主机，可以实时监测某些重要场所和设备的工作环境（如电压、电流、温度、湿度、漏水、水位、有害气体、含氧量、风速风向、烟雾、明火等）。当工作环境出现异常时，可及时显示、报警，并可通过通信IP网络将数据上传至监控主站和调度中心。

该子系统由设备终端和系统平台两大部分组成，设备终端主要包含智能环境监控主机和各种传感器。系统平台主要是在电脑上直观地显示被监测量的大小或状态，以及被监测量的实时值或各种故障发生的情况。

变电站智能图像监控及可视对讲系统基于数字硬盘录像机硬件设备，并以网络视频集中监控系统管理软件为核心，实现系统功能，主要包括视频监控、录像管理、数据转发、语音对讲、远程控制、告警管理、视频识别及移动侦测、视频分析与互动等功能。

消防报警子系统主要具有以下功能：对烟雾、明火、主变消防等火灾状态的实时监控；报警联动，即本地声光报警，监控中心计算机报警以及手机短信告警，并且可设置联动视频、门禁、灯光等子系统；可以直接接入烟雾探测器，也可通过智能接口集成主流消防厂家设备。

安全防范子系统的各探测器通过报警线缆与环境监测主机连接，报警时，报警信息能够及时上传至环境监测主机，并且能联动相关设备，例如声光报警器。

（1） 在变电站围墙上铺设电子围栏，基本每面墙设1个防区。如果出现翻墙等入侵行为，电子围栏采用高压脉冲的方式进行打击，既不伤害人体又保障了安全。

（2） 具有完整、明确的分界和强大的阻挡、威慑作用。

（3） 每个防区接入智能主机，并且可以和视频监控系统、灯光系统联动。如出现入侵现象，首先切换到图像监控界面。晚上可及时打开探照灯进行威慑，并可以通过对讲系统进行远程喊话警告。

（4） 系统可以连接振动、红外探测等各类报警探测器，出现警情时及时传送到管理中心（值班维护人员），实时掌握变电站状况。

（5） 所有报警输入都可以和视频监控系统、门禁系统以及消防系统联动。

设备控制子系统提供空调、风机、灯光以及水泵、除湿器、加热器等设备的控制功能。

通过CDT（循环式远动规约）或IEC 61850实现与SCADA、监控系统等系统之间的集成和联动^[7]，目前已经和国电南京自动化股份有限公司（以下简称南自）、国电南瑞科技股份有限公司（以下简称南瑞）、南京南瑞继保电气有限公司生产的系统成功接口。主要功能如下。

（1） 接受变电站自动化系统的指令，实现刀闸、断路器等设备动作与视频、报警等系统的联动。采用RS485方式进行单向通信。

（2） 当SCADA系统控制刀闸进行不同工作状态切换时，辅助系统自动将摄像机对准执行此次动作的相关设备，并显示对应的视频信息，便于操作人员对操作结果进行确认，节省了工作人员去现场确认的环节，大大提高状态切换效率并保证刀闸切换质量。

（3） SCADA系统与辅助系统通过正向隔离装置（网闸）单向通信，辅助系统的数据不会进入变电站内部网络，保证电网内部数据的安全。

（4） 将辅助系统的温湿度、门禁、报警、消防等数据实时传送给变电站信息监控平台。系统采用TCP/IP方式进行通信。

智能监控系统分为终端监测设备和软件平台系统2部分，网络拓扑图如图 3所示。

图 3

图 3 环境监控系统网络拓扑图

2.2.1 以物联网技术为核心的平台式架构实现功

能的全覆盖（1） 满足国家电网对变电站统一监控、统一调度、统一配置、统一报表的“四统一”要求，以及信息数字化、功能集成化、结构紧凑化和状态可视化的智能变电站“四化”要求。

（2） 分层、模块化、框架化设计，同时支持多种硬件终端，实现融合优化和高可靠代码复用。

（1） 监控主机的多功能标准接口（NO/NC可配置开关量、4~20 mA模拟量、Modbus、RJ45）能够接入不同厂家的各种探测器、传感器以及安防、消防设备，具有良好的兼容性，并能够在此基础上，扩展解析不同的厂家设备协议。

（2） 标准CDT和IEC 61850通信规约，不但能够实现系统内视频、门禁、环境、安防、消防、采暖通风、排水等多种功能和设备的智能联动控制，还能实现与南瑞、南自等厂家SCADA、综自等系统的联动和集成。

（3） 监控主机集成了环境监控单元、灯光控制单元、串口服务器以及门禁控制单元，1台设备即实现变电站综合监控的全功能，在小站配置1台，大站配置多台，互不影响，保证整个系统架构具有极高的可扩展性。

（1） 智能环境监控主机具有不需要其他设备配合就可独立工作的属性，能够满足从小开闭所到35~1000 kV变电站、从改造站到新建站、从单站式到大规模集中联网等各种类型的需求，使系统具备较大的灵活性和成本可控性。

（2） 监控主机的全方位多功能接口，集成度与归一化程度较高，能够兼容并利用现有绝大部分设备，有效保护客户的已有投资。

（3） 监控主机可以根据变电站的实际需要进行配置，小站1台、大站多台，完全不需要另外配置服务器，能够最大限度地降低成本。

“通信级”集成：采用底层通信级集成方式，能够对各子系统设备和数据进行统一管理，不但拥有诸如硬件集成、数据库集成以及平台集成等各种集成方式不具备的优势，而且避免了这几种集成方式的缺点。

（1） 统一界面下对视频、门禁、环境、SF6、火灾消防、安全防范所有状态的监控；

（2） 统一的设备配置管理、故障调度；

（3） 统一的报表日志管理。

（1） 全部设备可脱机运行，在网络断线、服务器故障等情况下不影响任何报警、定时控制、设备联动等功能。

（2） 核心设备全部采用嵌入式技术，避免普通的工控机、PC机的不可靠性，从根本上解决因网络安全而带来的一系列问题。

（3） 主要核心硬件辅助控制主机、门禁控制器为自主研发生产，经过大规模应用的考验，稳定可靠。

（1） 实现多功能的联动配置管理，定时或智能联动；

（2） 消防、视频、门禁、环境、安防、采暖通风、排水等多种功能和设备的智能联动控制。

（3） 所有操作、报警、联动等全部记录。

3.1.1 变电站运维管理呈现监控“孤岛”现象

视频监控、环境监控、入侵检测、消防等各系统独立运行，无法实现系统之间的联动。

目前分局管辖下的大多数变电站都是通过温度计测量环境温度，没有实现对温湿度、漏水等环境的实时监测，无法做到对危险事件的监控和预防，更无法做到根据温湿度调节空调温度，实现节能增效。

无法远程监视及实时掌握站内重要一次设备情况，如主变压器、断路器、主变压器中性点接地刀闸等的外观情况，断路器分合状态、主变压器中性点接地刀闸分合状态等，变电站操作防护存在安全隐患。

在35 kV伊和乌素地区级主站部署了重点场所（主控室、开关室、工具室等）的温、湿度环境实时监测系统，门禁控制系统，2个防区的电子围栏入侵探测（4路高清球机联动）、多路红外对射探测、室内外灯光照明系统、重点场所烟感消防在线监测子系统，多路的电缆沟水浸监测，见图 4所示。同时接入16路高清数字球机视频信号自动巡视（站内场所全覆盖）、主控室开关柜轨道机视频实时监控、100多路刀闸闭合信号联动视频信号、200多路无线电缆测温在线监测系统。

图 4

图 4 35 kV伊和乌素地区级主站部署设备

站端系统的实时监控画面见图 5，实时环境量数据在线预警监测数据界面见图 6。

图 5

图 5 35 kV伊和乌素地区级主站站端系统的实时监控画面

图 6

图 6 实时环境量数据在线预警监测数据界面

3.2.2 应用效果分析

（1） 实现了主要场所的环境量（温、湿度，电缆沟水浸等）数据的实时采集与预警联动；

（2） 实现了多路断路器（刀闸）信号与室内外视频信号实时联动监控的功能；

（3） 实现了站内烟感火灾消防实时在线监测与预警上传联动功能；

（4） 实现了站内室内、外灯光照明系统与红外探测、视频联动的功能；

（5） 实现了门禁、安全防盗、入侵监测、火灾消防、环境量同步在线监测与控制，并能互相联动响应的一体化集中监控与调度的功能体系^{[8, 9]}。

110 kV工业园区地区级主站下设3个站端（35 kV古城梁变、35 kV阿门其变、35 kV白音乌素变），针对每个站端系统部署了重点场所（主控室、开关室、工具室等）的温、湿度环境实时监测系统，门禁控制系统，2个防区的电子围栏入侵探测（4路高清球机联动）、多路红外对射探测、室内外灯光照明系统、重点场所烟感消防在线监测子系统，多路的电缆沟水浸监测，同时接入了多路高清数字球机视频信号自动巡视（站内场所全覆盖）、主控室开关柜轨道机视频实时监控、100多路刀闸闭合信号联动视频信号、200多路无线电缆测温在线监测系统。

站端系统的视频多画面轮巡监控画面如图 7所示，实时保护开关（断路器）状态在线预警监测数据见图 8。

图 7

图 7 110 kV工业园区地区级主站站端系统的视频多画面轮巡监控画面

图 8

图 8 实时保护开关（断路器）状态在线预警监测数据

3.3.2 应用效果

（1） 实现站内主要场所的环境量（温、湿度，电缆沟水浸等）数据的实时采集与预警联动；

（2） 实现了多路断路器（刀闸）信号与室内外视频信号实时联动监控的功能；

（3） 实现了站内烟感火灾消防实时在线监测与预警上传联动功能；

（4） 实现站内室内、外灯光照明系统与红外探测、视频联动的功能；

（5） 实现了门禁、安全防盗、入侵监测、火灾消防、环境量同步在线监测与控制，并互相联动响应的一体化集中监控与调度的功能体系^{[8, 9]}。

35 kV古城梁变、35 kV阿门其变、35 kV白音乌素变3个子站分别部署了智能监控系统的站端系统，通过智能环境监控主机将每个站内的动力环境数据（电子围栏、红外对射、水浸，消防报警、门禁控制、风速、温湿度、灯光照明、空调控制以及断路器、电缆测温等）集中上传到上级运维站，并与视频监控系统实现联动，各个子系统通过联动方案配置预警联动，实现了集中监控、统一调度的高效率运维管理的新模式。

通过对以上2座不同电压等级的变电站进行智能监控系统改造后，杭锦旗供电分局建立了1套适应电力系统需求的现代化综合智能环境监控系统，可对公司调度中心的电网日常运行管理、业务处理、设备维护等进行统一、集中管控，实现了以下目标：集中、统一管理2个监控主站系统的视频监控系统，环境监测系统，安全防范、火灾报警系统以及断路器（刀闸）信号状态的视频画面实时联动；通过站端处理单元（智能环境监控主机）及系统平台软件，可设置各子系统之间相关的联动；通过平台软件可远程控制视频、门禁、灯光照明、给排水和空调通风等系统。

变电站智能环境监控系统平台的建设促进了变电站信息的融合和利用，不仅强化站内的各种功能，同时有利于电网的安全运行、优化调度、经济运营和优质服务。本文提出的环境系统的设计方案为智能变电站的数据及信息资源的处理、应用提供了新思路，该设计方案的实际应用效果还有待于在更多的实际工程中验证。而对于大规模的数据处理和集中管控的其他更有效的方法和更新的模式，也必将随着智能变电站建设的发展而不断完善。