基于变电站可视化监控系统的研究

王勇 1 孙美丽 2 孙斌 2 刘文铸 1 孙牧歌 1

1.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075； 2.国网陕西省电力公司西安市阎良区供电分公司，陕西 西安 710089

摘要: 近年来，随着变电站建设规模不断增加，运维专人数量少且技术水平参差不齐，对变电站的维护造成了一定的困难，且运维人员的失当性操作带来了灾难性后果。针对这些情况，本文提出了一种可视化监控系统，用于实时监测变电站实况，并对运维人员的操作情况进行监控，降低了变电站运维的人力投入，提高了变电站的智能化水平，一定程度上减少了事故发生的概率。本系统在新疆地区进行了实用，取得了良好的效果。

关键词: 可视化监控; 安全接入; 智能化管理

中图分类号： TM73 文献标识码：A

0 引言^

随着用电量的激增，变电站建设规模不断增加，而站址选择一般位于郊区，这是从安全性和经济性角度考虑^[1]。但这也造成了电力生产、运维和管理的不便。在高温及雷雨等极端天气下，运维人员往往要奔赴于多站之间，不能及时了解现场情况^[2]。而一些运维人员因操作失当导致灾难性后果的情况也时有发生^[3]。此时，迫切需要一种覆盖全站区的技术来实时监控现场情况，宏观监控站区情况，并实时追踪操作人员在站区的运动轨迹，及时叫停操作人员可能带来风险的行为。操作人员在现场遇到不能解决的难题时，还可以全面准确呈现难题，快速解决现场困难，为电力高质量发展提供保障。此时，生产作业可视化监控技术应运而生。可视化监控是覆盖全站区的实时监控，是在遥测、遥信、遥调和遥控四遥功能基础上新增的遥视功能。

Hansheng X ^[4]等人为加强电力监控系统中网络安全预警的实时监控和快速响应，从方案选取、功能特性和典型物理访问三个方面开展了网络安全风险动态感知和主动响应的控制机制； Gavrilov D ^[5]等人提出了一种大规模的配电网监控系统，通过在导体分支点安装分布式传感器，用传感器定期监测导体中的均方根电流，以及电流和电压之间的相移，达到对电网中行为不一致的监测，实现了电网拓扑估计和电网运行监控的功能；Junfeng H^[6]等人提出了一种基于嵌入式工控机的电能质量监测装置的设计方案，介绍了该装置的算法和结构，针对存在的谐波干扰，采用加窗和插值算法相结合的方式提高了检测精度，并在实验中证明了其可靠性和实用性。

可视化监控技术是为促进规范作业流程，杜绝违章行为，强化作业过程管控，实现人身安全在控、能控和可控的目标，通过“远程实时稽查+历史录像工作指导”的标准化作业新模式，实现检修作业、运维操作、带电作业等现场可视化全覆盖，结合计划任务和两条工单，在专网实时进行“1对N”作业现场质量和进度督察，对作业关键点进行管控，在内网调阅历史作业录像进行违章查纠，通过云网融合以及业务与视频数据的融通共享，实现作业的全程 “身临现场”可视感知，达到“现场行为工作票”的目的。通过自查、互查、督察进一步提高了现场安全管控效率及质量，形成基于视频稽查的多层级作业安全质量管理机制。

1 系统组成及特点

可视化监控技术以需求为导向，通过灵活的技术手段，将友好的人机界面和丰富多样的功能有机结合，支撑业务发展。并具备安全实用、技术先进、便于扩展的特点。

1.1 系统平台架构

从各个子系统不同功能角度出发，可视化监控系统分为终端层、网络层、平台层和应用层四层体系架构。各层功能如下：

终端层：现场作业的音视频数据采集和PMS工作票、操作票任务数据的处理。由布控球和工作记录仪等采集设备构成。根据站区规模灵活布置布控球，依据进入现场人员配置工作记录仪。布控球选择应根据站区规模选用覆盖范围广、高分辨率、存储容量大和续航时间长的设备。工作记录仪应具备在恶劣天气环境下使用，并具备超长续航、高分辨率和语音记录高清晰度的特点。

网络层：主要为系统数据的交互与存储提供通道及安全防护。网络通道采用类VPN技术和数据隔离技术构建5G/4G无线专网，实现数据的安全接入。

平台层：主要负责数据搜集与交互，是系统的基础。为整个系统提供数据支撑，并为系统数据存储提供模型规则及关联关系，定义了数据结构与存储方式，实现系统功能的业务逻辑、数据计算、流程控制等后台处理功能。

应用层：为用户提供应用操作、功能模块菜单等系统功能展示，是用户直接进行业务处理的基础。系统平台架构图如图1所示。

图1 可视化监控系统平台架构图

1.2业务安全接入

业务安全接入是信息准确可靠传输的保障。业务安全接入是渗透系统平台各层级，防止数据在传输过程中被窃听、篡改和破坏。业务安全接入由接入终端安全防护、网络安全防护、边界安全防护和应用安全防护四大体系构成。安全接入防护体系如图2所示。

（1）接入终端安全防护

接入终端安全防护的目的是确保接入终端自身的安全性，确保业务数据在进入、离开或驻留接入终端时保持可用性、完整性和保密性。接入终端通过数字证书、组建安全通信和加密芯片等软硬件结合的方式进行安全加固，确保接入终端的安全。

（2）网络环境安全防护

网络环境安全防护通过虚拟无线专网和内网来确保信息流在网络中传输的安全性。一方面承载网络采用逻辑专线方式，另一方面，采用虚拟专网技术在逻辑专线上建立安全通道，对通信双方进行身份认证，对传输数据进行加密，实现端到端安全传输的要求。同时，当接入终端访问内网应用时，断开其它网络，只保留通过安全协议建立的安全通道，确保数据传输的安全性。

（3）边界安全防护

边界安全防护通过禁止非法终端、不安全终端和非法用户等接入信息内网，来确保内网不受来自外部的攻击。采取身份认证、访问控制以及终端安全检查等安全措施，安全接入网关将外部接入终端和内部应用系统隔离开，实现在细颗粒度的访问控制策略下，合法接入终端以及合法用户对网络和应用系统的合法访问，有效控制每个接入终端均能访问所需应用资源。

（4）应用安全防护

应用安全防护包含对应用系统本身的防护和对接入终端数据访问的防护。采取身份认证、访问控制、制定用户口令策略和安全审计等防护措施，来实现应用系统本身的防护；对于接入终端数据访问的防护，则是采取用户认证、数据加密传输、数据完整性校验等策略来实现。

图2 安全接入防护体系图

2.可视化监控系统的应用

通过搭建可视化监控系统，实现变电站作业现场的可视化感知、计划任务管理、违章纠错标记和数据综合等服务。

作业现场可视化感知包括语音对讲、人员和设备管理及远端指挥。通过配置声音采集和输出设备，实现监控点与平台之间的双向语音，同时支持双向语音的录制，实现全过程的音视频记录；通过操作人员配备的工作记录仪可实时接收定位数据，并在地图上呈现，信息控制中心可实时掌握操作人员的位置信息；工作记录仪的电池电量、存储信息、录像状态等信息，信息中心的人员也可以远程查看，同时可以远程控制所有安全生产人员工作记录仪的开启和录像等操作，实现远程拍照，以及根据现场情况对5G/4G移动安全生产前端远程锁定；信息中心工作人员通过工作记录仪实时查看现场人员的操作过程，及时叫停不当行为，避免不良后果的发生。

计划任务管理包括日计划管控、到岗到位管控和视频管理。通过定时抽取的方式，从PMS2.0同步工作票、操作票、巡视任务等信息到内网生产作业可视化监控平台，进行日计划管控。根据不同任务的类型形成相应的工作任务单，并下发到班组。对于PMS2.0中未涉及的工作任务，提供手动建立功能。通过工作任务管理，可对任务数据进行增删查改。

将视频与工作任务信息进行关联，包括各阶段、各角色所属的视频数据，通过权限控制可手动添加视频数据、修改任务与视频的关联关系和对已关联的任务的视频进行删除，实现作业现场情况可追溯。工作任务的基本信息，包括票号、工作类型、工作地点、任务类型、计划开始结束时间和任务内容等。针对任务的视频拍摄情况和任务执行情况进行评价，记录评价人单位、评价人、评价时间和评价内容。利用视频分析工具，实现作业现场视频快速变倍播放，提供视频的违章违规标记编辑服务，并在播放时间轴标签打点，可通过标记点快速定位违章位置。

数据综合包括数据统计、视频文件管理和基础信息管理。对各单位部门的应用整体情况进行汇总和统计，包括任务总数、关联任务数、归档任务数、违章总数、自查违章数、被互查违章数、查他违章数、督察违章数、任务关联视频率以及任务归档率，按月度、季度来分析不规范或者违规操作，并且以柱状图形式展示。通过分析，可以在下次作业时提前采取相应措施，降低作业过程中不规范操作的发生率。同时，不规范或违规操作率也可作为员工绩效考核的参考数据。视频文件管理是将采集终端编码、人员名称、人员编号、单位名称、单位编号、时间、日期等信息进行分类保存，并提供至少10T容量的数据保存。

基础信息管理按照PMS2.0的数据结构梳理现有基础数据。组织机构、变电站管理、班组管理、作业过程管理、班组角色管理以及专业管理等基础数据的维护，是实现任务与视频数据关联的关键。

3.结论

可视化监控系统的研究与运用使变电站智能化程度更高，真正实现了变电站高效、可靠和安全的运行管理。本文提出的可视化监控系统采用模块化思维构建，层次体系明晰，人机界面优良，能根据变电站建设规模和实际业务需要，进行灵活扩展。此系统在新疆检修公司进行了运用，有效降低了事故发生的可能性，收到了良好的使用效果。总之，可视化监控系统是实现无人值守变电站智能化的发展方向。

参考文献：

1. 钱平,李长宇,王笑棠,葛青青,黄建林.基于变电站的微机防误系统的可视化监控技术研究[J].现代电子技术,2016,39(24):176-178.

2. 徐颖秦, 沈艳霞, 纪志成. 基于网络通信的变电站数字视频远程监控系统研究[J]. 电力设备, 2005, 6(5):77-79.

3. 于浩,王伟,戚银城,赵凝.基于RFID事件处理的电力通信机房精细化管理系统[J].电力信息与通信技术,2018,16(07):69-74.

4. Hansheng X , Guiling Z , Yulong L I . Construction and Application of Network Security Management Platform of Power Monitoring System[J]. Electric Engineering, 2019.

5. Gavrilov D , Gouzman M , Luryi S . Monitoring large-scale power distribution grids[J]. Solid State Electronics, 2019.

6. Junfeng H , Hao S , Xiaolin W . Design of Power Quality Monitor Based on Embedded Industrial Computer[J]. Physics Procedia, 2012, 24:63-69.

Research on Visualization Monitoring System Based on Substation

WANG Yong①¹, SUN Mmeili②²,Sun Bin②²,LIU Wenzhu①¹,Sun muge①¹,

1. Northwest Electric Power Design Institute Co., Ltd. of China Power Engineering Consulting Group, Xi’an 710075,China;

2. Xi'an Yanliang District power supply branch of State Grid Shaanxi Electric Power Company, Xi’an 710089,China)

Abstract: In recent years, the construction scale of substations has been increasing, the number of operation and maintenance personnel is small and the technical level is uneven, which has caused certain difficulties in the maintenance of substations, and the improper operation of operation and maintenance personnel has brought catastrophic consequences. In response to these situations, this paper proposes a visual monitoring system for real-time monitoring of the actual conditions of the substation, and monitoring the operation of the operation and maintenance personnel, reducing the manpower investment in the operation and maintenance of the substation, and improving the intelligent level of the substation to a certain extent. This reduces the probability of accidents. This system has been put into practice in Xinjiang area and has received good results.

Key words: Visual Monitoring ; Safe Access; Intelligent Management

作者简介 ：王勇(1970年—)，男，高级工程师，主要从事工作或研究方向为电力系统通信。E-mail：wangyong@nwepdi.com。

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