基于物聯網技術的智能傳感集中管理系統在變電站中的應用

葉 武

（舟山電力局，浙江 舟山 316000）

變電站是電網的核心環節，擔負著所在區域的供電任務。隨著變電站自動化程度的提高，少人或無人值守模式在電力系統得到大力推廣，變電站內設備運行安全和治安管理日益受到重視，從而對變電站安全技術防范的要求也越來越高。

1 變電站管理存在的問題

舟山為島嶼性城市，素有“千島之城”的美譽，變電站的分布范圍廣，變電站數量眾多，地域分布廣且很多地處人煙稀少的海島區域，這些特點給變電站運行管理帶來很大不便，存在的主要問題有：

（1）分別在不同的變電站內建立了各自的單元安全設施，如視頻、消防、防盜等聯網告警系統。但受傳統管理模式的影響，各專業單元安全設施大多為獨立建設使用，各系統間信息不能共享，成為了“信息孤島”，缺乏縱向的有效監控手段，不能及時了解變電站內的實時情況，報警信息單一，報警性質確認困難，重要安保設備無聯動功能，無法形成閉環管理，導致對整體安全防范形勢無法把握，不利于電網的安全、穩定運行。

（2）變電站進出人員管理不善。變電站一般建在偏僻的地方，雖然都有保安值守，但工作人員的進出情況并不能很好地監管記錄，應使用門禁系統規范科學地管理電力工作人員的進出，從而確保電力設施的安全和正常維護。

（3）由于各變電站之前的建設已經完成各種安保傳感器的布線，要改變或重新進行監控設備的布線不僅破壞原有的格局，還要重新拉線，浪費資源。

（4）當變電站發生非法闖入、空調漏水報警、門鎖被撬等問題時，信息不能在第一時間告知集控站，不能及時發現問題會給變電站的設備和財產安全帶來隱患。

針對以上變電站管理存在的問題，著眼于電力智能電網的發展方向，結合當前先進的物聯網ZigBee技術、傳感器網絡技術，將智能傳感集中管理系統應用于變電站日常管理，統一監控變電站環境、設備狀態等信息，可有效消除變電站在資產安全和信息管理上的盲區。

2 系統關鍵技術

2.1 Zigbee技術

作為物聯網感知層自組網絡系統，Zigbee技術在無線數據傳輸方面有著重要的作用。它是一組基于IEEE批準通過的802.15.4無線標準研制開發的，有關組網、安全和應用軟件方面的技術標準。它工作在2.4 GHz的ISM頻段上，傳輸速率為20～250 kbps，傳輸距離為100～1 200 m不等。

Zigbee主要適合于工業控制、傳感和遠程控制領域。它在數千個微小的傳感器之間相互協調，實現通信。Zigbee技術的通信數據速率以及靈活通信范圍的特點決定了它適合于承載工業數據通信的業務，Zigbee具有低復雜度、低功耗、低成本的特點，這些特點使得其在工業監控、傳感器網絡、安保系統等領域有很大的發展空間。

2.2 傳感器網絡技術

傳感器網絡技術是當前在國際上備受關注的多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及通信技術、分布式信息處理技術等。能夠通過各類集成化的微型傳感器實時監測和采集各種環境或監測對象的信息，這些信息通過有線或無線的方式傳輸，并以多種網絡方式傳送到用戶終端，從而實現人與人、人與物、物與物的全面互聯。

典型的傳感器網絡的系統結構包括：分布式傳感器節點、互聯網或移動通信網和用戶軟件接口等。其中，傳感器網絡節點的基本組成包括：數據采集單元，由傳感器和協議轉換器組成，部署在被感知對象內；數據處理單元，主要是具有嵌入式操作系統的監控主機；數據傳輸單元，由內嵌在嵌入式監控主機內部的有線或無線通信模塊組成。

3 系統方案概述

3.1 系統的構成

變電站智能傳感集中管理系統主要包括現場端系統和中心平臺兩大方面，如圖1所示。針對變電站日常管理需求，利用傳感器網絡技術，整合安全防范、消防報警、環境監測、動力監測、視頻監控、門禁、遠程控制、SF6泄漏報警等單元，實現對變電站的人員入侵、火警、漏水、溫度等環境情況與供電動力系統等變電站設備的運行狀態的實時監控與歷史數據記錄，為變電站設備等資產安全提供有力保障。

圖1 變電站智能傳感集中管理系統的構成

同時，能在各單元間實現遠程聯動控制，實現各系統的合理、穩定對接，使各個單元協同操作成為可能，并將變電站現場設備監測數據與環境數據接入中心端，為變電站遠程監控提供統一、高效、智能的管理平臺。

3.2 現場端系統

現場根據傳感器技術特點，采集現場模擬信號、開關信號、數字信號，以總線的方式將數據傳輸到嵌入式主機，進行數據處理。對于部分不能直接布線連接傳感器的區域（如室外），采用傳感器與Zigbee模塊相結合，自組無線網絡，將監測數據實時傳送回中心端，使系統具有靈活的組網模式。系統拓撲結構見圖2。

圖2 變電站智能傳感集中管理系統拓撲圖

以舟山110 kV勾山變為例，現場端以智能傳感集中管理系統嵌入式主機為匯集點，實現了將變電站各個站房包括主控室、110 kV室、35 kV室、10 kV室等室內溫度、濕度情況進行統一實時監測，并在空調與門窗附近的地面安裝漏水監測模塊，判斷是否溫度過高、是否漏水，為變電站設備提供適宜的運行環境。通過遠程控制開啟變電站內的空調，并調至指定溫度與模式。根據變電站實際需求，將變電站外的射燈有機地與智能傳感集中管理系統結合起來，成為它的一個重要控制單元，實現遠程開啟、關閉燈光，降低了管理人員工作量，提高了工作效率。此外，由于變電站房門眾多，通過安裝門禁監控系統控制和管理人員在建筑物內相關區域的活動，使用授權開門卡，變電站巡視不再需要攜帶大量開門鑰匙，解決了人為疏忽、鑰匙的丟失、被盜和復制等傳統保安防范存在的問題。

3.3 中心平臺軟件

變電站智能傳感集中管理系統軟件作為中心平臺控制核心，借助電力網絡，通過Web的方式在電力網絡內按照身份權限登錄，對變電站室內溫度、濕度、漏水等環境情況，站內門禁出入人員、時間記錄等數據進行查詢、統計、分析，并支持對變電站內門禁、空調等設備的遠程控制，當有需要時可完成遠程開門等動作。變電站智能傳感集中管理系統可在中心平臺根據晝夜長短使用情景模式，設定遠程自動燈光開啟、關閉時間。除此之外，通過網絡還可以實現地區所轄變電站的統一管理，通過添加設置將白泉變、岑港變、南沙變等變電站多站點聯網監控。

中心平臺監控軟件采用的模塊主要包含數據收集整理模塊、監測設備控制模塊、數據入庫模塊、統計分析模塊、告警模塊，如圖3所示。軟件采用B/S構架模塊化設計，部署方便，操作簡便，還可根據電力行業自身管理需求和監控現狀進行定制。

圖3 變電站智能傳感集中管理系統中心端軟件功能

在中心平臺基礎之上，支持手機客戶端實現移動在線巡檢工作，便于用戶能遠程查看各站位的實時監測數據、歷史數據曲線、報警信息、環境信息等，并對報警情況進行在線提醒，同時滿足突發事件下的現場指揮，為變電站管理提供多角度、立體化管理手段。

3.4 Zigbee組網

將各個傳感器與Zigbee模塊構成1個無線傳輸節點，與主機內嵌的Zigbee模塊組成1個無線網絡，通過這個網絡可以實現數據的傳遞、傳輸以及信息交互，每1個無線節點都會生成1條通往主節點的路徑，如圖4所示。

圖4 基于Zigbee的無線傳感網絡

4 各子系統單元應用

4.1 動力系統監控

變電站內的動力系統直接與變電站正常運行相關，動力系統監測對象包括變電站的全部站用電源設備，如配電柜等。

通過部署智能電量檢測模塊，監測一級、二級交流配電柜的主回路和各分回路的各種參數如電壓、電流、頻率、有功功率、功率因數、無功功率、視在功率、有功電能、無功電能等；監視各級開關的開關狀態。顯示和記錄各種參數的變化曲線，并對各種報警狀態進行記錄和報警處理。

4.2 環境系統監控

變電站內的環境情況關系到設備的安全運行，環境系統監控包括：變電站的空調設備、漏水監控、溫/濕度監控等。

4.3 安全防范監控

安全防范系統通過部署人體紅外探測器等傳感器與監控主機直接連接。當發生報警時，報警信息能夠及時上傳給監控主機，并且能聯動相關設備，比如聲光報警器等，同時通知管理人員采取相應措施。

對部分區域部署周界報警器、電子圍欄設置危險區域邊界，當巡檢人員踏入危險區域時就會聽到報警。這相當于在危險點周圍布了一張安全網，全過程防護運行檢修的現場操作。

4.4 消防系統監控

當發生火情時，通過部署在變電站內的煙霧探測器，聯動消防系統，第一時間進行滅火并向管理員發送報警信息。按消防規范要求，聯動門禁開門，保證人員逃生及火情撲救。

4.5 視頻監控

視頻監控系統超越硬盤錄像技術，采用視頻組態的概念，將各通道的圖像以控件組態的方式隨意插入某個界面，對于大型的監控系統而言，以電子地圖的方式來集中管理各個場地的數據和圖像的界面，十分方便。

由于智能傳感集中管理系統將動力環境監控和閉路監控合二為一，因而可以隨意實現動力環境與圖像的聯動控制，一旦有異常事件發生，監控系統自動彈出現場圖像畫面，即時錄像并作報警提示和處理。

4.6 門禁系統監控

通過門禁控制器提供的協議或門禁管理軟件對變電站人員進出的時間、位置、姓名進行監控，可手動遠程控制變電站門的打開關閉，可對不同的工作人員發放不同權限的卡，通過不同權限的感應卡開啟不同的門，進入不同的設備區域（如為運維人員遠程開關繼電保護室的門等）。每張卡的權限可隨時更改，避免丟失的卡被人利用，解決了人為疏忽、鑰匙的丟失、被盜和復制等傳統保安防范存在的問題。此外，控制門的開關、門禁系統可與視頻系統聯動，對進出變電站的人員進行自動錄像等。

4.7 SF6泄漏監測

變電站SF6電氣設備長期運行后密封性可能下降，故在可能泄漏的接頭處部署傳感器。一旦有SF6氣體泄漏，異常信號立即送往系統平臺，通過系統自動或遠程手動控制排風系統，最大限度降低事故發生概率。

4.8 其他遠程控制

當變電站發生突發事件（如著火、漏水等）時，通知管理者進行遠程控制，在第一時間自動解決相應問題，在節約資源的同時又提高了工作效率，為固定資產安全提供有力保障。

當有人非法進入變電站時，系統將自動啟動聯動裝置，自動打開照明系統，并向視頻系統傳輸信號，由視頻系統負責對非法入侵者進行實時拍照和錄像，同時向中心站傳送報警信息并進行聲光報警。

由于溫度過高會對變電站內的設備和上報數據的準確性產生影響，此時中心站可遠程進行空調系統的調節，如工作模式、工作狀態、溫度調節等。也可以和溫/濕度系統進行聯動，當溫度高于預設值時則自動開啟空調，并按預設方案進行溫度和模式的修改，當溫度低于預設值時則自動關閉空調。

當變電站出現水侵時，系統將和抽水泵聯動，進行抽水作業。當水位低于預設報警值時，將自動停止抽水泵作業。

5 結語

舟山電力局與杭州鑫翔七迅科技有限公司合作開發的基于物聯網技術的變電站智能傳感集中管理系統已投入使用。該系統通過全方位智能化的設計，融合先進的物聯網ZigBee技術、傳感器網絡技術、計算機技術，能夠將變電站需要監測的各種參數通過1個統一的信息平臺進行顯示處理，并可隨時進行Web瀏覽和查看，從根本上保證變電站管理工作能夠全天候、長周期運行。能夠實現無人值守監測，實現對遠程設備的分布式監控和集中式管理，并可與多種應用系統集成，把變電站的管理控制從“四遙”變成“五遙”（遙測、遙信、遙控、遙調，遙視），進一步提高電力供應安全。該系統可實現變電站的無人值守或者少人值守，從而為推動變電站管理逐步向自動化、綜合化、集中化、智能化方向發展提供有力的信息技術保障。

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