变电站在现代电网输配电中起着举足轻重的作用，其安全运行问题尤为重要。在变电站实行少人值守或无人值守后，必需解决变电站设备运行的可靠性、变电站安全管理及远程监视问题。变电站目前虽已安装具有“四遥”功能（遥测、遥信、遥控和遥调）的监测系统，但对于设备的运行环境，变电站的安全状况，尚无较完善的监视手段，仅靠集控中心值班人员定期定时地对设备巡视，是远远不够的。值班人员不可能全天候对所有的设备及环境进行监护，既使装有图像监控（即遥视）系统，受观察死角的影响，对于突发事件，也很难及时准确地发现和处理，从而造成各类事故的发生。因此，必须建立一个安全稳定的运行环境，对变电站各种设备的运行状态及影响变电站安全运行的因素如：设备异常、火灾、水灾、烟雾、非正常进入、电缆沟进水、小动物侵入等实现在线检测，使故障信息能够早期发现并及时处理，避免事故的发生及蔓延。

      目前运行的图像监控（即遥视）系统，只能对少数事件如烟雾和非法进入进行监控，但对环境的温、湿度，明火，电缆沟里的小动物侵入、浸水，现场空调的工作状态等方面无法解决。况且，当烟雾弥漫时，摄像头已经无法看清现场的情况，给判定事故状况带来困难。鉴于以上背景，开发研制保障变电站安全运行的新型智能预警系统极为必要。《无人值守变电站防盗及环境检测报警系统》中利用最新的计算机技术、网络通信技术、红外线、紫外线、离子感烟等技术，研究开发变电站的智能型事故预警系统。

 

      本文设计的智能预警系统采用分层、分布式结构，由分站、通信网络和系统主站三大部分组成，其整体结构如图1所示。

      分站由安装在变电站的智能终端装置构成，负责实时监测变电站的运行环境和设备状态。终端共有五类：变电站环境监测预警终端、电缆温度监测预警终端、图像监控预警终端、sf6气体泄露监测预警终端和电网谐波监测预警终端。能实现对以下对象的实时监测：烟雾、明火、环境温度、湿度、电缆温度、电缆沟进水、小动物侵入、非法入院、非法入室、设备异常、绝缘放电、sf6气体泄露、电网谐波等。图像监视终端则对变电站室内外环境进行图像监视。终端装置将实时监测信息经处理后可实现当地报警并经通信网络上传至系统主站。

      主站安装在变电站监控中心，由服务器、功能工作站、显示系统及打印机组成。主站软件平台以信息化技术为基础，将变电站运行的各种在线数据和离线数据进行信息集成，对各种危及变电站及电网安全运行的隐患以声、光、图象、文字等形式进行预警、分类和定位，从而构成完整的变电站安全预警系统。系统除可以接入其他厂家的自动化终端装置以外，还可以方便的与通用应用软件和用户应用程序相结合，通过多种应用接口，与监控scada、mis、ecs等系统相互传递实时或历史数据，实现不同系统的无缝接入。

      通信网络是连接终端装置和系统主站的媒介，由现场情况来确定。所开发的监测终端与主站服务器的信息交换方式能适应光缆、电话线等不同通道方式，通信规约采用cdt标准。

      系统从整体上可分为三个层次，即：数据采集层（对应监测终端）、数据通信层（对应通信网络）和数据分析层（对应系统主站）。系统实施时，分站安装在变电站内需要监视的重要场所，如保护室、通信室、主控室、蓄电池室等；主站安装在变电站主控室或监控中心；因而从安装位置上体现出系统的分布式结构的特点。

 

      该终端利用单片机技术、紫外线、红外线、离子感烟等技术，对变电站现场的烟雾、明火、绝缘放电、环境温度、环境湿度、非法入室、小动物侵入、电缆沟进水等情况进行实时监测，并通过通讯网络传输到预警系统主站。它由探测器、模拟量和开关量采集器、can总线及监测终端主机组成。基于环境监测终端的预警系统如图2所示。

       图中cep261为基于单片机和总线技术的智能型监测终端主机，它通过can总线与采集器连接，通过rs-232串口与主站实现通信。开关量采集器采集来自不同类型探测器的开关状态信号，如烟雾、明火、绝缘放电、非法入室等；模拟量采集器采集连续变化的信号如温度、湿度等。开关量采集器路数最大为224， 模拟量采集器路数最大为120，采集器到测量终端的最 大距离为800米。

      该终端采用新式传感器，采用接触式测量原理，对电缆沟内出线电缆或设备柜内温度进行采集与处理并实时上传系统主站，实现对电缆运行温度的实时监测。主站可以通过数值、曲线、棒图、模拟图等形式显示温度的测量值和变化趋势，并通过设定三个温度门限进行不同级别的预警。

以点式探测器为测量器件的系统适合于对某点温度的测量；以线式探测器为测量器件的系统适合于对区域温度的测量。基于电缆温度监测终端的预警系统与图2类似，只是探测器不同。

      图像监测预警终端采用计算机多媒体技术和先进的摄像设备，利用通讯网络对变电站的环境及设备实现远程视频监控。该系统不仅具备常规视频监视功能，而且可以和环境监测终端相结合，在有环境隐患出现时实现图像联动。具有联动功能的预警系统如图3所示。

      sf6开关的气体压力值，直接关联着设备的安全状况，一旦低于工作压力，可能造成开关闭锁跳闸事故。有两种气体泄漏检测方法，一是通过加装在sf6开关上的气体压力传感器，实时采集压力数据，通过压力变化曲线及时监测气体泄露情况；二是通过实时监测sf6气体和o₂的含量比是否超过规定限度来检查室内gis设备有无气体泄露情况。

      电力谐波是一种严重的电力污染，对电网和客户会造成很大的危害。为此，在变电站母线及部分重要工业负荷线路上安装谐波检测终端，用于实时监测系统中出现的谐波，并将信息传至主站。主站可按一定周期统计电网中的谐波变化情况，提供给有关部门，以便制定抑制谐波的措施，保证供电质量。

以上所述为系统最大终端配置情况。在具体应用时，要根据不同电压等级变电站的具体情况进行终端选取和组合。

      采用客户/服务器（client/server）和浏览器/服务器（browser/server）模式相结合的体系结构，具有数据处理服务器、值班员工作站和系统维护工作站等功能分布节点。数据库服务器采用sql server大型商用关系型数据库，以保存系统配置信息数据、scada、通信系统历史数据和告警/事件历史数据等。系统遵循开放系统标准（osf- open system fundation），其应用软件能够运行在几乎所有的主流硬件平台上，能满足不同用户的需求。主站主要功能如下：

      实时接收终端装置上传的各种模拟量、开关量及视频图像信号，分类存储各类信息并进行分析、计算、判断、统计和其它处理。

      通过对监测对象设置不同的门槛值和智能分析，对变电站环境参数、设备状态等进行实时监测，实现越限报警、事故预警及隐患定位。

      当变电站发生事故、故障、越限等事件时，在配备图像监视系统的条件下,能主动推出报警画面，画面闪烁，进行语音告警、文字告警等。

      对于各种模拟量能以棒图、曲线、表格、仪表盘等不同形式进行显示。运行人员可方便的调出画面，修改和编辑画面；趋势图可由用户在线定义所要显示的模拟量以及测量段的起始时间。

历史数据存储两年以上，可方便的形成各种历史数据点并进行历史数据的查询和显示。

系统本身具有对软、硬件的自诊断功能；发生局部故障时可告警显示；具有自恢复功能。

系统通过web服务器向mis网发送数据(功能可选)。mis网中任一客户端通过浏览器可以查看实时画面，查询历史数据。

 

      （1）室内火灾的预防。室内火灾的发生过程一般为：设备因故打火—设备频繁打火并引起烟雾—明火伴随烟雾及室温上升。第一阶段为火灾的最初征兆，及时发现并处理能够避免事故的进一步发生；第二阶段为火灾即将发生，及时发现并采取果断措施后可减小事故带来的危害；第三阶段是火灾已经发生，情况处在危机之中。本系统采用明火、烟雾和室温三者探测相结合的方式进行三级预警。当只有明火发生时进行一级预警；当有明火和烟雾时进行二级预警；当有明火、烟雾及室温陡升时进行三级报警。在工程实践中已经证明了该方法的有效性。

      （2）电缆事故预防。对于电缆温度，设定42℃、60℃、80℃ 三级语音报警线，同时根据温度变化趋势（变化率）和通过电缆的电流值的大小发出预警信号，及早发现电缆的不正常状态。另一方面，对电缆沟内小动物侵入及进水的监测和预警，可有效预防外部因数对电缆的破坏。

      （3）通过实时监测sf6气体和氧气的含量比是否超过规定限度来检查室内gis设备有无气体泄露情况，可早期发现gis设备的隐患。

      （4）隐患发生时，图象监视联动功能启动录象存储并在主站主动推出画面，能使值班人员及时观察到隐患场所的真实场景和发展过程，便于对事故的分析和判断。

       在有人值班变电站，安全检查依靠人力定期进行，该种方式与本文系统有着明显的差异：

      值班人员一天几次定期对变电站的环境（各控制室、高压室、室外周边环境等）进行依靠人体视觉、听觉及触觉的安全巡视。但对各种高压设备跳火，夜间非法进入高压区，电缆沟进水，小动物入侵等隐患，凭一天几次的肉眼巡视很难发现。

      预警系统利用不同原理的探测器和计算机技术，对变电站现场环境因素进行24小时自动、连续监测，在有隐患发生时，能主动地通过声、光和语音进行事故预警，并能进行隐患定位。

      值班人员一天几次利用红外测温枪对易发热的电缆接头或其他部位温度进行测量。这样带来的结果是测量不连续，误差较大。

      预警系统利用广域分布的接触式探测器对电缆温度进行24小时连续、准确测量，测量数据实时传送至主站，进行温度曲线描绘，越限报警；还可以通过与环境温度以及流过电缆的电流大小进行比较，对电缆的事故隐患进行提前判断，提前预警，防患于未然。

      采用巡视时观看sf6开关压力表、检查压力值的方式，不具备连续性和实时性。

      预警系统采用的两种方法都具有对气体压力数据监测的连续性和实时性。

      在配有图像监视系统的有人值班变电站，可以对有限事件，如烟雾和非法进入等进行监视，但对环境的温、湿度、明火、电缆沟里的小动物侵入和浸水、现场空调的工作状态等方面无法解决。它是被动地将事故信号提供给运行监控人员，实时性较差，往往使运行监控人员不能及时地发现事故隐患。

      预警系统配置的图像监视系统和其他监测终端联合工作，实现报警联动。当有场所发生报警时，主动将画面切换至隐患场所，并启动实时报警录象，具有很好的主动性和实时性。

 

      基于以上设计思想和方案，在生产单位、高校和企业三方配合下开发完成本系统所需要的重要装置和软件，如zraq-fw1型小动物探测器，zraq-mn1型模拟量采集器、zraq-kg1型开关量采集器，cp261型预警终端主机和yj-3000型主站预警软件。本文研究开发的智能预警系统已应用于多个不同电压等级变电站，新近又成功投运于山东鲁中500kv变电站，运行情况满足设计要求。图4和图5为现场运行主站界面截图。

 

      基于目前的网络通信技术、计算机技术和智能探测技术，本文设计开发一套分层、分布式变电站安全运行智能预警系统。对该系统的组成、设计方案、各部分的功能、预警特色等有关方面进行了阐述。该智能预警系统的应用不仅能大大提高无人值守变电站的安全运行水平，而且对有人值班变电站的安全维护也能起到良好的作用。

(本文为山东电力集团科技项目“500kv变电站安全运行智能预警系统”资助课题)

 

作者简介

刘洪正，高工，主要从事变电站安全运行与管理工作。

袁广宏，高工，主要从事变电站安全生产与管理工作。

高厚磊，教授，主要从事电力系统及自动化方面的教学、研究与开发工作。