智能電網(wǎng)的背景
當(dāng)前，節(jié)能減排、綠色能源、可持續(xù)發(fā)展成為各國關(guān)注的焦點(diǎn)。人們對現(xiàn)有的能源利用體系也提出更高要求，如何通過改造和創(chuàng)新以使電網(wǎng)體系的能源效率得到最大限度的開發(fā)，已成為當(dāng)前急需解決的問題。智能電網(wǎng)采用先進(jìn)的技術(shù)對發(fā)電、輸電、配電、供電等環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)整合，通過智能化控制，以達(dá)到精確供能、對應(yīng)供能、互助供能和互補(bǔ)供能，將能源利用效率和能源供應(yīng)安全提高到全新的水平。智能電網(wǎng)將成為電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。
我國的變電站網(wǎng)站多，分布在較偏遠(yuǎn)的地方，且比較分散。作為保障民生的重要行業(yè)，變電站需要有統(tǒng)一的自動(dòng)化管理，以確保人員安全、設(shè)備時(shí)刻處于正常運(yùn)行。目前，變電站已實(shí)現(xiàn)遙控、遙調(diào)、遙測、遙信技術(shù)，然而，作為無人值守變電站僅具備“四遙”技術(shù)是不夠的，因?yàn)楸O(jiān)控中心無法了解到現(xiàn)場情況，如安全運(yùn)行、防盜保安、火警檢測等。現(xiàn)正處于蓬勃發(fā)展的視覺監(jiān)控技術(shù)為變電站自動(dòng)化提供了有力的技術(shù)支持。通過視覺技術(shù)，監(jiān)控中心不僅能夠直觀了解現(xiàn)場，獲取報(bào)警信息，同時(shí)將視覺分析得到的原數(shù)據(jù)同已有的電氣數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，從而達(dá)到綜合監(jiān)控，集中管理的目的，有效提高變電站的綜合自動(dòng)化水平。
融入視覺功能的變電站綜合自動(dòng)化
近年來，變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)已成為電力行業(yè)中的熱點(diǎn)之一。變電站綜合自動(dòng)化是指將變電站二次設(shè)備經(jīng)過功能的組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對全變電站的主要設(shè)備和輸、配線路的自動(dòng)監(jiān)視、測量、自動(dòng)控制和微機(jī)保護(hù)。傳統(tǒng)的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)借助采集設(shè)備的電氣量數(shù)據(jù)，再利用計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算能力和邏輯判斷能力，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和控制變電站內(nèi)各種設(shè)備的運(yùn)行和操作。
對傳統(tǒng)系統(tǒng)的補(bǔ)充與完善
在傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)源主要依賴所采集的電氣量，如開關(guān)量、電流、電壓等。這些數(shù)據(jù)信息雖然精確的描述了設(shè)備的內(nèi)部功能運(yùn)行狀況，但對于設(shè)備的外部狀態(tài)監(jiān)控卻無能為力。實(shí)際上，設(shè)備的外部狀況也是衡量其是否能夠正常運(yùn)行的一個(gè)重要因素，例如開關(guān)是否閉合；變壓器的周邊是否遺留潛在危害其性能的物品等等。可見，在變電站內(nèi)增加視覺監(jiān)控是十分必要的。
融入視覺監(jiān)控的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)是對傳統(tǒng)系統(tǒng)的一個(gè)有力補(bǔ)充和完善。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控需要工作人員直觀地觀察視頻，并對監(jiān)控場景人為作出判斷。而視覺監(jiān)控則不同，它利用攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)替代工作人員對目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤和測量等，并進(jìn)一步處理成易于工作人員理解的信息，從而推動(dòng)變電站智能化控制和調(diào)度，提高系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化能力。在變電站場所里，按照需求，在不同區(qū)域安裝相應(yīng)的視覺監(jiān)控服務(wù)器，并接入到已有的電力系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)設(shè)備ID下的關(guān)聯(lián)分析，實(shí)現(xiàn)視覺監(jiān)控與傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)的真正融合和統(tǒng)一。現(xiàn)有的變電站的視頻監(jiān)控解決方案，大多將視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)為一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，或只是簡單的響應(yīng)原自動(dòng)化系統(tǒng)傳來的信號(hào)，雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控的效果，但卻不能達(dá)到真正意義的綜合自動(dòng)化。由此，前述的解決方案將會(huì)更具市場競爭力。
IEC61850通信協(xié)議
為使智能視覺終端接入電力系統(tǒng)，就必須在設(shè)備層上遵循變電站通用的通信協(xié)議IEC61850。
IEC61850是國際電工委員會(huì)于2003年正式發(fā)布的變電站自動(dòng)化國際性標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，定義了基于客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型，設(shè)計(jì)了獨(dú)立于所采用網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層協(xié)議的抽象通信服務(wù)接口(ACSI)，客戶通過抽象通信服務(wù)接口，由專用通信服務(wù)映射(SCSM)映射到所采用的具體協(xié)議棧，如制造報(bào)文規(guī)范(MMS)等來完成通信。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)采用基于XML的結(jié)構(gòu)化模型描述語言SCL，具有擴(kuò)展性，支持商家專用工具或其他協(xié)議映射。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的自身特點(diǎn)使智能視覺終端接入變電站自動(dòng)化系統(tǒng)成為可能。
在融入視覺監(jiān)控的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，需要實(shí)現(xiàn)視覺監(jiān)控服務(wù)器與主站級(jí)之間的相互通信。由于現(xiàn)有的視覺監(jiān)控服務(wù)器并不符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，所以需要進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換。按照視覺監(jiān)控服務(wù)器的功能，將其分析處理后的數(shù)據(jù)按IEC61850信息模型標(biāo)準(zhǔn)劃分成一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器，每個(gè)服務(wù)器由邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)對象和數(shù)據(jù)屬性構(gòu)成。為完成與主站端的通信，還需要將通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為制造報(bào)文規(guī)范(MMS)，通信接口采用以太網(wǎng)接口。
另外，在主站層上還需要完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的建立和抽象通信服務(wù)接口的實(shí)現(xiàn)。通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用接口完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)交互。實(shí)現(xiàn)時(shí)，可根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中監(jiān)控模型的不同建立方式不同的轉(zhuǎn)換，使得通信系統(tǒng)成為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，與變電站實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)及其建立的數(shù)據(jù)模型沒有直接的聯(lián)系。抽象通信服務(wù)接口由抽象服務(wù)管理器和特殊服務(wù)映射MMS組成。抽象服務(wù)管理器負(fù)責(zé)接收服務(wù)請求消息，創(chuàng)建服務(wù)實(shí)例，執(zhí)行服務(wù)，維護(hù)服務(wù)清單等。特殊服務(wù)映像MMS實(shí)現(xiàn)IEC61850服務(wù)到協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)的映像和生成。抽象服務(wù)管理器以標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)發(fā)出或接收消息，抽象服務(wù)的實(shí)現(xiàn)過程既不依賴于底層的服務(wù)映射，也不依賴于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫
視覺智能終端的功能
在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，視覺智能終端的監(jiān)控對象主要為人和設(shè)備。。
對人的監(jiān)控
對人的視覺監(jiān)控，一般通過對場景中目標(biāo)的檢測和跟蹤，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)行為的分析和理解。針對于人的視覺監(jiān)控可以分為以下幾方面：
1.人員倒地行為檢測：當(dāng)在應(yīng)用場景中所設(shè)定的警戒區(qū)域內(nèi)，有人出現(xiàn)突發(fā)性事件(如觸電、生病等情況)倒地時(shí)，通過視覺智能終端的分析自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警。該功能應(yīng)用于變電站室外場地和室內(nèi)高壓變電房等區(qū)域，可使工作人員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)異常行為，及時(shí)處理，避免人員傷亡。
2.人員徘徊檢測：在監(jiān)控場景內(nèi)所設(shè)置的警戒區(qū)域內(nèi)，如有人長時(shí)間來回走動(dòng)，則智能視覺終端將產(chǎn)生自動(dòng)報(bào)警。該功能協(xié)助工作人員判斷是否有人踩點(diǎn)，制止可能發(fā)生的偷竊行為。
3.入侵行為檢測：當(dāng)有人闖入監(jiān)控的警戒區(qū)域時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警。該功能可應(yīng)用于變電站院墻、重要電房、監(jiān)控機(jī)房等，協(xié)助工作人員判斷是否有非法人員進(jìn)入變電站，預(yù)防偷竊等事件的發(fā)生。
對設(shè)備的監(jiān)控
智能視覺終端對設(shè)備的監(jiān)控主要針對可視的一次設(shè)備，因?yàn)檫@些設(shè)備都布置在場外，不便于工作人員巡查。
通過智能視覺終端對其外觀的分析，判斷設(shè)備是否正常運(yùn)行，是否存在危害它工作的潛在異常事件發(fā)生的可能。下面列舉具體設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)控情況。
1.對電容器的監(jiān)控：由于電容器通常都是在滿負(fù)荷下較長時(shí)間運(yùn)行的，運(yùn)行溫度受環(huán)境影響較大，當(dāng)電容器長時(shí)間處于高壓高溫環(huán)境下時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其熱擊穿而損壞；通過視覺智能終端的分析，可檢測電容器外殼各部是否有滲漏，外殼是否鼓肚，電容器有無噴油或起火等事件發(fā)生。視覺智能終端會(huì)對以上情況及時(shí)報(bào)警，保證電容器故障率的下降。
2.對隔離開關(guān)和接地刀閘的檢測：針對這類設(shè)備，主要監(jiān)控其開或關(guān)狀態(tài)，以方便工作人員了解設(shè)備運(yùn)行的外觀狀態(tài)，對整個(gè)變電站的監(jiān)控提供了基礎(chǔ)保障。
3.對電抗器的監(jiān)控：當(dāng)電抗器位置發(fā)生傾斜，線圈膨脹或接地，表面有放電現(xiàn)象等外觀的變化時(shí)，視覺智能終端將自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警。
根據(jù)具體設(shè)備的不同，視覺智能終端采用不同的分析方法，它可監(jiān)控的對象還包括電纜接頭、絕緣子、電阻等等。另外，視覺智能終端也可對設(shè)備進(jìn)行物品取走或物品遺留的檢測，判斷是否有偷竊事件發(fā)生或是否有人進(jìn)行蓄謀破壞活動(dòng)。
智能視覺信息的應(yīng)用
增加智能視覺分析的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，將大大提高綜合自動(dòng)化的水平。顯示了融入視覺智能監(jiān)控的變電站級(jí)信息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架。
基于上面框架的智能視覺解決方案，將智能視覺分析模塊通過IEC61850規(guī)約轉(zhuǎn)換連接到主站層，與其他EID設(shè)備集成一個(gè)整體，從而使不同控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能夠匯總在一起，利用數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，增強(qiáng)了變電站的綜合監(jiān)控的能力。
實(shí)際應(yīng)用中，前端的攝像機(jī)置于監(jiān)控點(diǎn)，通過網(wǎng)絡(luò)將采集到的視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芤曈X服務(wù)器中。智能視覺服務(wù)器根據(jù)監(jiān)控對象的類型做具體分析，提取出元數(shù)據(jù)，并將元數(shù)據(jù)、視頻流等信息經(jīng)IEC61850規(guī)約轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。主站層通過ACSIMMS接口與間隔層進(jìn)行信息交互，使視覺分析所得的數(shù)據(jù)與其他EID采集的電氣量關(guān)聯(lián)后存儲(chǔ)至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為本地控制中心提供了豐富的數(shù)據(jù)依賴。
結(jié)論
視覺監(jiān)控是對傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)有力補(bǔ)充和完善。智能視覺終端通過協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)與主站級(jí)的信息交互，同時(shí)與其他的IED設(shè)備無縫連接成一個(gè)整體。這種統(tǒng)一的自動(dòng)化系統(tǒng)改善了現(xiàn)有解決方案中視頻監(jiān)控獨(dú)立運(yùn)行的狀態(tài)，便于做到系統(tǒng)的綜合分析，整體監(jiān)控和集中管理，以至最大程度的節(jié)約成本，提高系統(tǒng)效率。視覺監(jiān)控在變電站自動(dòng)化中將有著廣闊的應(yīng)用前景，也會(huì)在無形中推動(dòng)整個(gè)智能電網(wǎng)的建設(shè)。
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