智能电网的背景
当前，节能减排、绿色能源、可持续发展成为各国关注的焦点。人们对现有的能源利用体系也提出更高要求，如何通过改造和创新以使电网体系的能源效率得到最大限度的开发，已成为当前急需解决的问题。智能电网采用先进的技术对发电、输电、配电、供电等环节进行实时监控和数据整合，通过智能化控制，以达到精确供能、对应供能、互助供能和互补供能，将能源利用效率和能源供应安全提高到全新的水平。智能电网将成为电网发展的必然趋势。
我国的变电站网站多，分布在较偏远的地方，且比较分散。作为保障民生的重要行业，变电站需要有统一的自动化管理，以确保人员安全、设备时刻处于正常运行。目前，变电站已实现遥控、遥调、遥测、遥信技术，然而，作为无人值守变电站仅具备“四遥”技术是不够的，因为监控中心无法了解到现场情况，如安全运行、防盗保安、火警检测等。现正处于蓬勃发展的视觉监控技术为变电站自动化提供了有力的技术支持。通过视觉技术，监控中心不仅能够直观了解现场，获取报警信息，同时将视觉分析得到的原数据同已有的电气数据关联，从而达到综合监控，集中管理的目的，有效提高变电站的综合自动化水平。
融入视觉功能的变电站综合自动化
近年来，变电站综合自动化系统已成为电力行业中的热点之一。变电站综合自动化是指将变电站二次设备经过功能的组合和优化设计，利用先进技术，实现对全变电站的主要设备和输、配线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护。传统的变电站综合自动化系统借助采集设备的电气量数据，再利用计算机的高速计算能力和逻辑判断能力，实现监视和控制变电站内各种设备的运行和操作。
对传统系统的补充与完善
在传统的自动化系统中，数据源主要依赖所采集的电气量，如开关量、电流、电压等。这些数据信息虽然精确的描述了设备的内部功能运行状况，但对于设备的外部状态监控却无能为力。实际上，设备的外部状况也是衡量其是否能够正常运行的一个重要因素，例如开关是否闭合;变压器的周边是否遗留潜在危害其性能的物品等等。可见，在变电站内增加视觉监控是十分必要的。
融入视觉监控的变电站自动化系统是对传统系统的一个有力补充和完善。传统的视频监控需要工作人员直观地观察视频，并对监控场景人为作出判断。而视觉监控则不同，它利用摄像机和计算机替代工作人员对目标进行识别、跟踪和测量等，并进一步处理成易于工作人员理解的信息，从而推动变电站智能化控制和调度，提高系统的综合自动化能力。在变电站场所里，按照需求，在不同区域安装相应的视觉监控服务器，并接入到已有的电力系统中，从而实现在同一个设备ID下的关联分析，实现视觉监控与传统自动化系统的真正融合和统一。现有的变电站的视频监控解决方案，大多将视频监控设计为一个独立运行的系统，或只是简单的响应原自动化系统传来的信号，虽然在一定程度上实现了远程监控的效果，但却不能达到真正意义的综合自动化。由此，前述的解决方案将会更具市场竞争力。
IEC 61850通信协议
为使智能视觉终端接入电力系统，就必须在设备层上遵循变电站通用的通信协议IEC 61850。IEC 61850是国际电工委员会于2003年正式发布的变电站自动化国际性标准。该标准采用面向对象的建模技术，定义了基于客户机/服务器结构的数据模型，设计了独立于所采用网络和应用层协议的抽象通信服务接口(ACSI)，客户通过抽象通信服务接口，由专用通信服务映射(SCSM)映射到所采用的具体协议栈，如制造报文规范(MMS)等来完成通信。IEC 61850标准采用基于XML的结构化模型描述语言SCL，具有扩展性，支持商家专用工具或其他协议映射。IEC 61850标准的自身特点使智能视觉终端接入变电站自动化系统成为可能。
在融入视觉监控的变电站自动化系统中，需要实现视觉监控服务器与主站级之间的相互通信。由于现有的视觉监控服务器并不符合IEC 61850标准，所以需要进行规约转换。按照视觉监控服务器的功能，将其分析处理后的数据按IEC 61850信息模型标准划分成一个或多个服务器，每个服务器由逻辑设备、逻辑节点、数据对象和数据属性构成。为完成与主站端的通信，还需要将通信协议转换为制造报文规范(MMS)，通信接口采用以太网接口。
另外，在主站层上还需要完成实时数据库的建立和抽象通信服务接口的实现。通过实时数据库应用接口完成实时数据库与IEC 61850标准中数据模型的转换和数据交互。实现时，可根据实时数据库中监控模型的不同建立方式不同的转换，使得通信系统成为一个独立的系统，与变电站实时监控平台及其建立的数据模型没有直接的联系。抽象通信服务接口由抽象服务管理器和特殊服务映射MMS组成。抽象服务管理器负责接收服务请求消息，创建服务实例，执行服务，维护服务清单等。特殊服务映像MMS实现IEC 61850服务到协议数据单元(PDU)的映像和生成。抽象服务管理器以标准的数据结构发出或接收消息，抽象服务的实现过程既不依赖于底层的服务映射，也不依赖于实时数据库。(图1)展示了实现智能视觉服务器与主站层互通信的系统结构。
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视觉智能终端的功能
在变电站自动化系统中，视觉智能终端的监控对象主要为人和设备。。
对人的监控
对人的视觉监控，一般通过对场景中目标的检测和跟踪，进而实现对目标行为的分析和理解。针对于人的视觉监控可以分为以下几方面：
1.人员倒地行为检测：当在应用场景中所设定的警戒区域内，有人出现突发性事件(如触电、生病等情况)倒地时，通过视觉智能终端的分析自动产生报警。该功能应用于变电站室外场地和室内高压变电房等区域，可使工作人员第一时间发现异常行为，及时处理，避免人员伤亡。
2.人员徘徊检测：在监控场景内所设置的警戒区域内，如有人长时间来回走动，则智能视觉终端将产生自动报警。该功能协助工作人员判断是否有人踩点，制止可能发生的偷窃行为。
3.入侵行为检测：当有人闯入监控的警戒区域时，自动产生报警。该功能可应用于变电站院墙、重要电房、监控机房等，协助工作人员判断是否有非法人员进入变电站，预防偷窃等事件的发生。
对设备的监控
智能视觉终端对设备的监控主要针对可视的一次设备，因为这些设备都布置在场外，不便于工作人员巡查。通过智能视觉终端对其外观的分析，判断设备是否正常运行，是否存在危害它工作的潜在异常事件发生的可能。下面列举具体设备运行状况的监控情况。
1.对电容器的监控：由于电容器通常都是在满负荷下较长时间运行的，运行温度受环境影响较大，当电容器长时间处于高压高温环境下时，会导致其热击穿而损坏;通过视觉智能终端的分析，可检测电容器外壳各部是否有渗漏，外壳是否鼓肚，电容器有无喷油或起火等事件发生。视觉智能终端会对以上情况及时报警，保证电容器故障率的下降。
2.对隔离开关和接地刀闸的检测：针对这类设备，主要监控其开或关状态，以方便工作人员了解设备运行的外观状态，对整个变电站的监控提供了基础保障。
3.对电抗器的监控：当电抗器位置发生倾斜，线圈膨胀或接地，表面有放电现象等外观的变化时，视觉智能终端将自动产生报警。
根据具体设备的不同，视觉智能终端采用不同的分析方法，它可监控的对象还包括电缆接头、绝缘子、电阻等等。另外，视觉智能终端也可对设备进行物品取走或物品遗留的检测，判断是否有偷窃事件发生或是否有人进行蓄谋破坏活动。
智能视觉信息的应用
增加智能视觉分析的变电站自动化系统，将大大提高综合自动化的水平。(图2)显示了融入视觉智能监控的变电站级信息系统的结构框架。
基于上面框架的智能视觉解决方案，将智能视觉分析模块通过IEC 61850规约转换连接到主站层，与其他EID设备集成一个整体，从而使不同控制系统的数据能够汇总在一起，利用数据之间的关联关系，增强了变电站的综合监控的能力。
实际应用中，前端的摄像机置于监控点，通过网络将采集到的视频数据传输到智能视觉服务器中。智能视觉服务器根据监控对象的类型做具体分析，提取出元数据，并将元数据、视频流等信息经IEC 61850规约转换器进行处理。主站层通过ACSI MMS接口与间隔层进行信息交互，使视觉分析所得的数据与其他EID采集的电气量关联后存储至实时数据库。实时数据库为本地控制中心提供了丰富的数据依赖。
结论
视觉监控是对传统自动化系统的一个有力补充和完善。智能视觉终端通过协议转换实现与主站级的信息交互，同时与其他的IED设备无缝连接成一个整体。这种统一的自动化系统改善了现有解决方案中视频监控独立运行的状态，便于做到系统的综合分析，整体监控和集中管理，以至最大程度的节约成本，提高系统效率。视觉监控在变电站自动化中将有着广阔的应用前景，也会在无形中推动整个智能电网的建设。
(本文作者现任职于北京汉邦高科数字技术有限公司)
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