基于無人值守變電站設備遠程監控的低能耗智能控制研究

劉景祥

摘要：針對目前在城市內建設的變電站全面趨向全封閉無人值守變電站的具體情況提出了低能耗設備遠程監控的設計，該設計將物聯網技術和信息化處理落實到生產應用中，實現了低功耗的設備遠程監控。

關鍵詞：無人值守變電站；圖形識別；低功耗廣域物聯網；設備遠程監控

中圖分類號：TM421 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）12-0012-02

隨著社會經濟的快速發展，電力供應日趨緊張，電力負荷不斷創新高，大力發展電網建設，保障電力供應的安全性和可靠性是電力人的使命。然而，電力輸送網絡的建設卻陷入了兩難的困境：一方面，社會經濟的快速發展，亟待加快電網建設；另一方面，部分公眾對電力設施，尤其是對變電站心存疑慮，擔心電磁輻射和變電站的安全會對身體健康和周邊環境造成不良影響，阻撓變電站和相關設施的建設。為解除公眾疑慮，目前供電部門在城市內建設的變電站全面趨向全封閉無人值守室內變電站。該類變電站本身工頻輻射能量非常小，加上封閉環境（鋼筋混凝土構筑物、圍墻等及樹林屏蔽）的作用，其輻射可以忽略不計。

無人值守全封閉變電站的日常運維管理，視頻監控主要負責電站的安全監視，而電站設備的巡視主要還是依托人力[1]。設備檢查、檢修維護、故障處理均需人工完成。目前一些傳感技術引入對電站環境與設備的監控中，取得不錯的效果。由于設備原因，電站內依然有眾多的關鍵計量表計無法采集，如GIS壓力表、泄露電流表等等，這些都是巡視的重要項目。這些表計分散在各個設備間隔中，全封閉室內電站通常情況下是關閉照明的。如何采集數據實現無人值守變電站低能耗設備遠程監控值得進一步研究。

1 理論依據

電力設備遠程監控是典型的物聯網應用[2-3]，物聯網希望通過通信技術將人與物，物與物進行連接，實現數據的聯接[4]。在區域網通信場景常常采用短距離通信技術，我們所熟知的技術包括LAN和PAN技術，比如：藍牙、WiFi和Zigbee。尤其是低功耗藍牙，在一些對覆蓋范圍要求不是很高的地方誕生大量的應用案例，比如在家庭和辦公室。而在工業領域，尤其是封閉的無人值守型，如無人值守的變電站，內部工作的是電力設備，存在著復雜的電磁場環境；雖然占地面積有限，但按不同的功能間隔進行房間劃分，是一個非連續空曠的空間。目前的短距離通信技術，工作在2.4Ghz的公共頻段，繞射穿透能力弱，公共頻段易受到外界環境的干擾，在復雜的工業場景中效果不佳。而我們常見的無線通信技術，全球電信運營商已經構建了覆蓋全球的移動蜂窩網絡，這些2G、3G、4G等蜂窩網絡雖然覆蓋距離廣，但基于移動蜂窩通信技術的物聯網設備有功耗大、成本高等劣勢。當初設計移動蜂窩通信技術主要是用于人與人的通信。根據權威的分析報告，當前全球真正承載在移動蜂窩網絡上的物與物的連接僅占連接總數的6%。如此低的比重，主要原因在于當前移動蜂窩網絡的承載能力不足以支撐物與物的連接。

為滿足越來越多物聯網設備的連接需求，LPWAN（low-power Wide-Area Network，低功耗廣域網）應運而生，LPWAN 專為低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的物聯網應用而設計。LPWAN可分為兩類：一類是工作于未授權頻譜的LoRa、SigFox等技術；另一類是工作于授權頻譜下，3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。在變電站等工業使用場景下，LPWAN還需要解決信號穿透的問題，可以部署在低頻段的通信技術更具有優勢；工業領域使用物聯網，對安全性和可靠性更加看重，如果通過運營商進行部署，數據傳輸經過不受自己控制的環節增加，對安全性和可靠性帶來一定的影響。兩大LPWAN主流技術NB-IoT和LoRa的對比，如表1所示。

從成本、功耗、距離和安全這幾個最基本核心因素進行考量，這兩個技術都能滿足物聯網的需求。在工業場景角度出發，LoRa技術更適合獨立組網，滿足企業物聯網應用的需要。未來還會有更先進的無線技術涌現，但沿著LPWAN道路是工業物聯網的主方向，具體到電力設備物聯監控系統可以根據客戶個性需求選擇具體的LPWAN技術。

2 實踐依據

工業領域的數據采集，特別是非電子化計量設備（如各類表計），采集的關鍵在于數字化識別。工業計量設備（如表計）的數字化識別，在目前階段主要有圖像識別和光電轉換兩種方向。光電轉換可靠性和準確性更高，但涉及部分的硬件改造匹配，推廣難度高，此外，更改設備硬件結構，在安全要求較高的行業，需要重新認證測試，周期漫長并沒有帶來實際的效益變化，該做法基本被擱置。圖像識別取決于圖像分辨率和智能識別算法，隨著圖像采集產品的技術提升、小型化改進及性價比的提升，圖像識別已成為表計數字識別的主流[5-6]。

目前市面上圖像識別基本采用前端圖像采集后臺識別的思路，將采樣圖像回傳到后臺進行大計算量的處理，而圖像回傳需要采用高帶寬的通信技術，這種方案在實際應用時存在著一些無法回避的問題，如能在前端對圖像采樣進行直接識別，那么回傳的數據量就會很小，結合最新的LPWAN物聯網技術，就可以真正實現全方位的工業物聯。

3 無人值守封閉環境的低能耗智能控制

前端圖像識別在全封閉型電站環境的場景中如何實施，值得探討和研究。所有的圖像識別都是通過采樣后進行圖像的識別，在采樣過程中分辨精度非常重要，需要保證充分的照明，通常的做法是在圖像采樣裝置上安裝閃光燈模塊，現在很多使用的是LED光源，省電可靠，這種方案需要保證裝置的良好供電條件。露天普通電站，表計圖像識別裝置可以安裝小型化太陽能充電裝置補充電力，但在封閉型電站是無法滿足的，進行供電改造有較高的安全要求，同時也帶來一定的安全隱患，而采用電池電源顯然無法滿足閃光燈模塊的長期工作。

針對無人值守的封閉型電站的計量數據識別，可以使用照明分離的圖像采集方案，簡單來講，在該場景下表計圖像識別裝置不帶閃光燈或關閉閃光燈，當需要進行對計量表計進行數據采集時，提前啟動該區域的室內燈光設施，負責提供照明，保證圖像采樣的光線條件。當數據采集結束后，室內燈光設施關閉節約電能。在具體實施過程中，可以將原來的燈光設施安裝一個物聯控制器，由這個物聯控制器控制燈光設施的開啟和閉合。電力設備物聯監控系統，可以管理每個物聯控制器所負責的表計圖像識別裝置，獲取表計圖像識別裝置的采集周期，提前進行照明保障，當數據正常采集后由后臺系統控制燈光關閉。當出現數據告警時（接近門限等），根據約定的新周期進行照明保障。如圖1所示，按照設備間隔為最小單元，將該區域內計量數據識別裝置和照明物聯控制器作為一個區域表計識別裝置，照明物聯控制器與原有的設備間隔區的照明線路相聯，控制照明開關。endprint

封閉型變電站，通過上面的照明分離聯動控制方案，在無人值守狀態下對表計等進行圖像采樣識別，借用原有照明設計，該區域部署的計量圖像識別裝置無需單獨配置閃光燈，這種裝置能耗低，可以使用電池供電，滿足長期采集的需求。沒有供電改造，部署快捷方便。區域照明可以通過接受遠程指令，實現全網低能耗物聯的監控。

4 結語

針對無人值守變電站的具體場景提出了低能耗設備遠程監控的設計。其中計量識別過程需進行圖像采集，圖像拍攝過程對照明有著基本的要求，黑暗條件下是無法采集到有效的圖像數據。無論何種照明技術，定期化頻繁觸發都是耗能難點，在室外條件下可以使用小型化太陽能充電裝置給采集設備補充電力，無人值守型封閉電站提出了照明分離聯動控制方案，對計量目標進行照明與圖像采集聯動控制，定期獲取計量數據，運用該方法可在無人值守場景下對計量目標進行可靠識別讀取。該設計將物聯網技術和信息化處理落實到生產應用中，實現遠程的物聯監控，工區監控臺可以第一時間發現設備缺陷并及時匯報、消除，確保電力系統持續、可靠、安全運行。

參考文獻

[1]陶莉，朱小光，王善紅.使用二維碼識別的電力設備巡視系統設計[J].電氣技術，2016，17（4）：119-122.

[2]陳曉捷.500 kV智能變電站無人值班技術探討[J].電力自動化設備，2011，31（2）：149-152.

[3]魯東海，孫純軍，王曉虎.智能變電站中在線監測系統設計[J].電力自動化設備，2011，31（1）：134-137.

[4]何方，鄭浩，張永江，等.基于物聯網技術的智能變電站在線監測系統的設計[J].儀表技術與傳感器，2013，（12）：61-63.

[5]馬承志，王宇雷，楊璽，等.用于變電站自主巡視機器人的圖像傳輸系統研究[J].電力系統保護與控制，2014，（18）：105-109.

[6]周立輝，張永生，孫勇，等.智能變電站巡檢機器人研制及應用[J].電力系統自動化，2011，35（19）：85-88.

Abstract：According to the specific situation of substation construction at present within the city's comprehensive trend of closed unmanned substation is presented the design of remote monitoring and low energy consumption equipment， the design of the networking technology and information processing to implement the production application， realize remote monitoring equipment with low power consumption.

Key words：Unattended substation； graphic recognition； low power wide area Internet of things； remote monitoring of equipmentendprint