物聯網技術在智能變電站中的應用

王哲，孫純軍

(1.江蘇省電力科學研究院，南京市，210103;2.江蘇省電力設計院，南京市，210103)

0 引言

物聯網一般是指“物物相連的互聯網”，是機器與機器的對話，通過射頻信號自動識別物體并獲取數據信息，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡［1］，為新一代信息通信技術。物聯網技術的發展引起了廣泛關注，物聯網及其產業發展已被納入國家戰略，國家科技部、工業與信息化部等部委先后在多項國家重大科技專項中設立課題支持物聯網技術研究及產業化［2］。

近年來，隨著堅強智能電網概念的提出，許多與智能電網相融合的新技術也不斷被提出，智能電網與物聯網的融合作為一種具有極高戰略意義的新型產業技術，被世界各國高度重視。物聯網技術在智能電網中的應用是網絡技術發展到一定程度的必然產物，能有效地對電力系統設施資源進行整合，提高設施的利用率，進而促進電力系統管理水平的提高［3］。

1 物聯網技術在智能變電站應用前景分析

智能變電站是堅強智能電網的重要基礎和支撐，具有信息化、自動化、互動化的特征，由先進、可靠、節能、環保、集成的設備組合而成，以高速網絡通信平臺傳輸信息，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等高級應用功能［4］。

目前，智能變電站的建設大多關注智能開關、數字式保護監控合一裝置、設備在線監測以及后臺功能的高級應用等方面［5］，對于變電站配置的輔助系統關注度還不是很高。目前變電站配置的圖像監視及安全警衛［6］、火災報警［7］、主變消防、給排水、采暖通風［8］等輔助生產系統，依然是各自獨立的、不具備智能對話功能的小型自動化裝置，需要更多的人工來關注、理解和處理這些設備的信息。變電站的輔助系統配置功能及不足如表1所示。

伴隨著對智能變電站理解的不斷深入，新的智能化功能要求將不斷提出。從智能管理角度來看［9］，搭建一個公用的監測輔助控制平臺，集成所有的輔助系統功能，方便新的智能化功能擴充，有利于設備管理;規范各類輔助系統的信息傳輸方式及通信規約，有利于統一化管理;通過集成輔助系統的信息，有利于遠方人員對站內狀況全盤掌控，提高監管質量。

物聯網技術實現了人類社會與物理系統的整合，實現了對設備的實時管理和控制。利用物聯網技術，通過對外界的感知，構建傳感網監測網絡，對影響變電站運行的因素實施全方位智能監測。在傳感網監測平臺基礎上建立一套全站公用的智能監測與輔助控制系統，集成目前圖像監視、安全警衛、火災報警、主變消防、采暖通風等輔助系統的系統功能，實現對站內人員的巡檢、操作運行維護等正確行為的驗證，從而達到“智能監測、智能判斷、智能管理、智能驗證”的要求，實現變電站智能運行管理。

表1 變電站的輔助系統配置功能和不足Tab.1 The main function and its shortcoming of the substation's auxiliary system

智能監測是指對影響變電站運行的因素采用全方位、多手段的實時監測，自動評估變電站運行狀態，減少人為工作量，是變電站實現自動化管理的前提。

智能判斷是指在減少遠方人員參與的前提下，根據監測的數據評估變電站的運行狀態，自動判出各類異常情況，生成處理方案，形成判斷結果。

智能管理是指執行判斷結果，實現輔助系統間的協調聯動，消除異常情況造成的影響，形成異常情況處理過程報告，及時將結果上報遠方集控中心，監測輔助系統的運行狀態，執行遠方集控中心的各項命令。

智能驗證是驗證站內人員的巡檢、操作運行維護等行為的正確性，與站內人員行為實現互動，保證人員安全，避免事故發生。

2 變電站智能監測與輔助控制系統組成及功能

江蘇目前正在建設的某220 kV智能變電站，其智能監測與輔助控制系統主要由遠方集控站管理主機、站內控制主機及智能傳感器網組成的變電站各輔助生產子系統3部分組成，如圖1所示。輔助生產子系統集成了目前變電站應用的各類輔助系統，包括視頻監控子系統、防入侵子系統、火災報警及消防子系統、采暖通風子系統、給排水子系統、GIS室SF6泄漏在線監測子系統、智能巡視維護認證子系統、高壓設備運行溫度在線監測子系統及主變紅外熱成像診斷子系統。

變電站智能監測與輔助控制系統主要完成以下功能:

(1)站內輔助生產設備狀態及運行環境全景信息收集與建模。通過對不同數據類型和來源的數據進行統一建模、標準訪問和數據服務，為輔助生產設備及運行環境提供完備的全景信息庫。

(2)智能化協調感知。對影響變電站運行的因素進行全方位、多手段的實時聯網監測，自動評估變電站運行狀態。

(3)智能信息處理。根據監測的數據，自動評估變電站的運行狀態，自動判出各類異常情況，生成處理方案，形成判斷結果。

(4)執行判斷結果，實現輔助系統間的協調聯動，消除異常情況造成的影響。形成異常情況處理過程報告，及時將結果上報遠方集控中心，執行遠方集控站的各項命令。

圖1 智能監測與輔助控制系統構架體系Fig.1 The architecture of the new auxiliary system

(5)智能驗證站內人員的操作運行維護、檢修等的物理操作位置與工作票要求的邏輯位置的符合正確性，與站內人員行為實現互動，保證操作人員的安全，避免事故發生。

(6)進行設備狀態評價，為智能調度功能擴展提供設備狀態參考依據。

3 系統設計方案

3.1 主機系統

接收傳感網測控平臺監測到的數據，評估變電站的運行狀態，自動判出各類異常情況，執行判斷結果，實現輔助系統間的協調聯動，消除異常情況造成的影響;形成異常情況處理過程報告，及時將結果上報遠方集控中心;監測輔助系統的運行狀態，執行遠方集控中心的各項命令，規范與監控系統的通信規約。具體聯動方案如圖2所示。

3.2 傳感網監測網絡

傳感網監測網絡包括傳感器節點和匯聚節點。傳感器節點包含了溫濕度傳感節點、煙霧傳感節點、水浸傳感節點等設備。各傳感節點監測的數據經匯聚節點匯聚后上傳至主機。組網方式可分為有線傳感網絡和無線傳感網絡，具體比較如表2所示。

若采用電池供電，電池壽命的長短主要取決于傳感器的工作電流大小和電池容量(尺寸)的大小，而傳感器工作電流的大小又取決于傳感器的材料、工作原理和被測目標的變化率(特征頻率)，各類傳感器電池供電時間調查如表3所示。

根據變電站的實際情況，用在高壓帶電設備上的溫度傳感器采用無線傳感器網絡，采用一次鋰亞電池供電，在裝置的全壽命周期內無需更換電池。其他輔助設備的傳感器由于沒有絕緣問題且易于布線的采用有線網絡，這可以降低成本便于維護。

表2 有線傳感網絡和無線傳感網絡比較表Tab.2 The Comparison of the wired-sensor network and wireless-sensor network

表3 傳感器工作壽命、能耗、電池供電時間Tab.3 The working life，energy consumption，battery-powered time of the sensor

圖2 聯動方案示意圖Fig.2 The sketch of linkage scheme

3.3 圖像監視及安全警衛子系統

針對常規變電站安全監視系統配置的不足，組建多類型探測器節點協同感知的網絡，實現全新的目標識別、多點融合和協同感知，具有以下特征:多種探測原理的前端探測手段協同綜合工作、智能識別;對變電站圍界進行全天時動態智能感知;探測分析、阻擋延緩、復核響應多手段融合，可依據具體情況按需按時布防和撤防。聯動控制實現分系統的功能一部分由系統集成平臺軟件實現(報警聯動、視頻觸發等)，另一部分由硬件I/O量控制器實現(照明、音頻告警和物理布防撤防等)。通過基于圖像模式識別的信號處理技術，智能視頻處理系統可自動識別、跟蹤進入視場范圍內的入侵目標。

當入侵行為觸發報警時，系統立即和智能視頻分系統進行聯動，相關攝像機自動凝視侵入目標，該視頻圖像自動彈出在監視器的最頂層，值班人員可迅速直觀地看到現場的實際情況;與此同時，變電站控制主機會發送音頻信號至現場的音頻設備，向現場進行聲音告警;值班人員亦可通過麥克風設備向現場通話告警，警告可疑人員。前端探測分系統示意圖如圖3所示。

圖3 前端探測分系統示意圖Fig 3 The sketch of the front detection system

3.4 火災報警及消防子系統

火災報警及消防子系統以物聯網技術理念集成現有成熟產品，通過讀取感煙感溫傳感器的信號，結合圖像識別、環境溫度等信息，實現對變電站火災的智能檢測、報警及主變充氮滅火的聯動處理，如圖4所示;實現對各種消防設備的狀態檢測與故障警報;實現火災時與空調、風機的閉鎖聯動。

3.5 采暖通風子系統

圖4 火災報警及消防子系統與相關設備聯動示意圖Fig.4 The sketch of the linkage scheme between fire alarming subsystem and related equipments

采暖通風子系統通過無線溫濕度傳感器監測室內外的溫濕度情況，經無線傳感器網絡傳送至匯聚節點，再經有線網絡上傳站內控制主機;主機根據室內外的溫濕度情況，自動控制通風系統和空調系統的切換運行;當發生火災時與火災報警子系統聯動閉鎖空調、風機，防止火災蔓延;可遠程查詢溫濕度檢測節點工作狀態，精確定位系統故障，遠程控制空調運行。采暖通風子系統與相關設備聯動如圖5所示。

圖5 采暖通風子系統與相關設備聯動示意圖Fig.5 The sketch of the linkage scheme between the heating ventilation subsystem and related equipments

3.6 給排水子系統

監測給排水設備的狀態，測量用水量及排水量，檢測污物、污水池水位及異常警報，檢測水箱水位，控制給排水設備的啟停。實現對積水情況的檢測及智能處理，安裝浸水檢測節點，實現積水自動排放;啟動攝像頭聯動，查看現場情況;遠程查詢浸水檢測情況，確保系統安全可靠運行;遠程控制水泵運行積水情況的準確檢測;發出報警信號，提示值班人員采取相應措施。

3.7 SF6泄漏監測子系統

SF6傳感器監測空氣中SF6的濃度，氧氣傳感器監測氧氣的濃度。多個SF6和氧氣監測節點監測數據進行協同融合處理后，判斷出SF6泄漏狀況，并對風機控制器發出排風指令，啟動聲光報警;只要有人員進入操作室，紅外監測節點感知信號，并對風機控制器發出排風指令;風機控制器同時接收監控中心通過物聯網監控平臺發出的排風指令。

3.8 智能巡檢維護認證子系統

在巡視路徑關鍵點設置高清攝像機(與圖像監視子系統共享)，巡檢人員身穿帶可識別標志的巡視服裝按設定路徑進行巡視;系統通過智能視頻識別技術，自動識別巡視人員是否經過了某個關鍵點，記錄下巡檢人員在經過關鍵點的時間與對應視頻信息;根據預先設定的規則對本次巡檢的質量情況進行判斷，對質量欠佳的巡視進行提示。

在對站內設備進行檢修或現場操作時，系統根據操作票自動生成邏輯操作保護區域和自動生成邏輯圍欄。自動定位到圖像傳感器，獲取物理圍欄的圖像數據，并自動判定物理圍欄與邏輯圍欄是否重合，對可能的圍錯間隔自動發出告警信息。自動判定檢修操作人員是否在圍欄安全區內，對在安全區外的活動自動生成告警信息和告警記錄。

3.9 溫度狀態監測子系統

無線溫度傳感器采用結構膠安裝方式，直接安裝在高壓輸變電設備可能的發熱處，如:動力電纜、電纜接頭、刀閘觸點、開關靜觸點、銅排連接點、電抗器、電容器外殼和設備安裝環境內與場地，實現溫度和溫升的高可靠實時狀態監測。溫度信息經無線傳感器網絡上傳至站內控制主機，主機通過比較設備與環境的相對溫升、室內與室外大氣的相對溫升，分析可能的過熱情況，提前發出預警信號，提醒管理人員進行處理。溫度在線監測子系統如圖6所示。

圖6 溫度在線監測子系統示意圖Fig.6 The sketch of online temperaturemonitoring subsystem

4 結語

物聯網技術實現了人類社會與物理系統的整合，通過自動、實時對設備進行識別、定位、追蹤、監控并觸發相應事件，實現了對設備的實時管理和控制。

利用物聯網的技術手段，構建傳感網監測網絡，實現了對影響變電站運行的各類因素全方位的智能監測。在傳感網測控數據平臺基礎上，建立智能監測與輔助控制系統，實現圖像監視、安全警衛、火災報警、主變消防、采暖通風等功能的集成，解決輔助系統各自獨立、不具備智能交流、管理繁瑣的問題，全面實現變電站智能運行管理。

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