配電房智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究

曹 雷，陳素惠

（1.廣州南方電力集團科技發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510000；2.廣州市天匯通信科技有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

現(xiàn)代社會對電力的依存度越來越高，傳統(tǒng)粗放、低效的能源管理方式已難以滿足當(dāng)前需求，迫切需要更高效、更合理的智能化運維方式來保障電力的可靠供應(yīng)。

在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)管理中，配電房主要通過人工值班確保設(shè)備正常運行，成本高，安全可靠性差，實時性低，長期存在由于環(huán)境因素導(dǎo)致設(shè)備處于非正常工作狀態(tài)、浸水、易爆氣體超標(biāo)、盜竊、高溫引起設(shè)備絕緣損壞等問題。特別是在春季濕度較大的地區(qū)，配電房內(nèi)電氣設(shè)備內(nèi)外溫差較大，凝露嚴(yán)重，導(dǎo)致電氣設(shè)備內(nèi)部場強分布不均，易引起局部放電。特別是早期運行的半絕緣開關(guān)柜，受產(chǎn)品設(shè)計、潮濕環(huán)境、粉塵污染等因素影響，極易產(chǎn)生局部放電，嚴(yán)重時發(fā)生閃絡(luò)擊穿現(xiàn)象，嚴(yán)重影響供電可靠性和運行人員安全。

本文基于配電房現(xiàn)狀進行調(diào)研分析，根據(jù)實際情況提出智能配電房的解決方案，利用現(xiàn)代最新的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖像技術(shù)、安防監(jiān)控和防盜報警、智能環(huán)境綜合監(jiān)控技術(shù)，對配電房進行智能監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計，用數(shù)字化技術(shù)逐步代替人工巡檢，完成對配電房的日常監(jiān)控管理工作。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

配電房智能監(jiān)控系統(tǒng)包括配電房環(huán)境監(jiān)控平臺、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、智能化監(jiān)測單元、智能化執(zhí)行單元4個部分[1]。

1.1 配電房環(huán)境監(jiān)控平臺

終端將采集的數(shù)據(jù)初步處理后通過網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控平臺，平臺將設(shè)備狀態(tài)信息在平臺上具象化顯示出來，便于管理人員直觀、準(zhǔn)確地獲取相關(guān)信息，發(fā)現(xiàn)和排除隱患。

平臺與終端設(shè)備通過擬定好的規(guī)約將數(shù)據(jù)進行分類，并實時上傳。平臺將上傳的歷史數(shù)據(jù)進行智能分組，通過大數(shù)據(jù)、邊緣計算等手段對數(shù)據(jù)進行不同維度的分析，完成設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計、故障分析、供電可靠性統(tǒng)計等，并生成圖表供運維人員查詢。當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在影響運行的嚴(yán)重故障時，平臺會通過短消息、郵件等方式通知管理人員，以便采取相應(yīng)的處置措施。

平臺可以通過對設(shè)備使用情況進行階段統(tǒng)計，完成對不同設(shè)備的使用、維護和保養(yǎng)建議，使運維管理人員有針對性地安排維護工作。當(dāng)出現(xiàn)影響運行安全的緊急情況時，平臺可下發(fā)遠程控制命令完成區(qū)域斷電、分合閘操作，防范事故的發(fā)生與蔓延。

1.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

智能配電房監(jiān)控系統(tǒng)包含有智能網(wǎng)關(guān)。物聯(lián)網(wǎng)解決方案基于Zigbee（LoRa）、4G等無線通信技術(shù)，實時采集配電房內(nèi)設(shè)備運行的相關(guān)參數(shù)等。

1.3 智能化監(jiān)測單元

智能化監(jiān)測單元包含各類數(shù)字、模擬量設(shè)備和特定功能的傳感器，主要涉及兩方面內(nèi)容：

（1）用于配電房整體安全的視頻攝像頭、防盜報警裝置和進出門禁系統(tǒng)；

（2）用于配電房內(nèi)運行安全的溫度傳感器、濕度傳感器、變壓器測溫傳感器、開關(guān)柜局放檢測傳感器、水禁傳感器、SF6/臭氧/氧氣傳感器等。

1.4 智能化執(zhí)行單元

執(zhí)行單元與配電房整體安全設(shè)備聯(lián)動進行人員識別，保證只有經(jīng)過系統(tǒng)認證的人員才能進出配電房開展相關(guān)維護工作。

智能除濕空調(diào)設(shè)備在監(jiān)測到溫濕度超標(biāo)時，將配合智能百葉窗進行溫濕度調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)詳細設(shè)計

2.1 總體目標(biāo)

配電房智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)對配電房內(nèi)部環(huán)境、電氣設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、上傳和異常狀態(tài)下的特定控制功能，保證配電房安全高效運行。系統(tǒng)應(yīng)完成對各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、傳送、分析和存儲功能，并具備數(shù)據(jù)處理能力，為后期決策提供數(shù)據(jù)支撐，為量化考核提供依據(jù)。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

配電房智能監(jiān)控系統(tǒng)由應(yīng)用層、云平臺、通信層和終端單元組成。云平臺通過通信網(wǎng)絡(luò)獲取終端設(shè)備數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)交由應(yīng)用層進行分析處理[2]。

應(yīng)用層完成視頻監(jiān)控、現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)控、設(shè)備運行統(tǒng)計、APP、遠程控制、告警、遠程控制、維修管理以及大屏展示等功能。

云平臺設(shè)置接口、采集、數(shù)據(jù)、應(yīng)用、流媒體以及移動等服務(wù)器節(jié)點，支撐系統(tǒng)運營。

通信層數(shù)據(jù)通過電力專網(wǎng)或公網(wǎng)加密傳輸，使云平臺與終端單元建立可靠的數(shù)據(jù)鏈路，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析提供支撐。

終端單元由各類監(jiān)控設(shè)備、傳感器和智能監(jiān)控終端組成，實現(xiàn)環(huán)境量采集、安防監(jiān)控、局放等狀態(tài)量實時采集，并與室內(nèi)空調(diào)、智能百葉窗、攝像頭等智能執(zhí)行設(shè)備聯(lián)動控制，實現(xiàn)配電房遠程無人智能化運維管理。

2.3 整體功能

配網(wǎng)運維管理平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 配網(wǎng)運維管理平臺結(jié)構(gòu)圖

2.3.1 環(huán)境狀態(tài)量的監(jiān)測

通過對室內(nèi)環(huán)境（溫度、濕度）、危險氣體（SF6/臭氧/氧氣）、危險狀態(tài)（火災(zāi)、浸水、非法入侵）等環(huán)境狀態(tài)量的采集和上報，以及空調(diào)機、風(fēng)機等設(shè)備的控制管理，配合擴展設(shè)備實現(xiàn)預(yù)警聯(lián)動，實現(xiàn)對配電房運行環(huán)境的實時在線監(jiān)控和告警。通過完整的數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析，逐步實現(xiàn)電房智能巡檢[3]。

2.3.2 電氣設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測和預(yù)警

通過采集室內(nèi)電氣設(shè)備（變壓器、開關(guān)柜、配電柜、配電終端等）的溫度、局放數(shù)據(jù)，結(jié)合預(yù)警系統(tǒng)實現(xiàn)電氣設(shè)備異常狀態(tài)告警，實現(xiàn)對電氣設(shè)備的實時在線監(jiān)測。

2.3.3 實現(xiàn)對設(shè)備的全生命周期管理

通過電子標(biāo)簽對設(shè)備進行編號建檔并錄入系統(tǒng)，通過智能化監(jiān)控平臺將設(shè)備信息、運行狀態(tài)、維護記錄進行關(guān)聯(lián)，形成完成的設(shè)備全生命周期記錄。核對設(shè)備全生命周期的運行質(zhì)量、運維成本，用于指導(dǎo)資產(chǎn)投資、設(shè)備選型以及績效考核等，提高資產(chǎn)全生命周期內(nèi)的使用質(zhì)量。

2.3.4 實現(xiàn)配電房的智能運維

通過電子標(biāo)簽、電子運維表格、遠程視頻等，指導(dǎo)運維人員有針對性地開展配電房運維工作，并根據(jù)設(shè)備狀態(tài)評價結(jié)果、綜合數(shù)據(jù)分析以及運維矩陣，確定設(shè)備年度運維等級及其運維策略的過程，合理調(diào)度搶修資源，高效指揮搶修工作開展，實現(xiàn)綜合數(shù)據(jù)的智能分析、搶修高效管理、智能運維策略管理等智能運維管理。

2.3.5 滿足綜合管理和競爭性業(yè)務(wù)擴展的需求

配電房智能監(jiān)控系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)具有豐富的數(shù)據(jù)接口，同樣適用于充電樁、智慧路燈、智能小區(qū)等領(lǐng)域，同時結(jié)合智能化監(jiān)控平臺具備數(shù)據(jù)整合和分析能力，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 研究創(chuàng)新點

在傳統(tǒng)的配電自動化技術(shù)基礎(chǔ)上，大膽引進并融合新型傳感器、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新技術(shù)，使得產(chǎn)品功能更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化與數(shù)字化。

3.1 實現(xiàn)配電房環(huán)境的實時監(jiān)測與控制，營造良好的電房設(shè)備運行環(huán)境

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和新型傳感器技術(shù)，實現(xiàn)了配電房的溫度、濕度、運行噪聲以及有害氣體等環(huán)境參數(shù)的實時采集，并通過控制環(huán)境調(diào)控設(shè)備，將各項指標(biāo)控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，實現(xiàn)了配電房環(huán)境智能監(jiān)測與控制，為配電設(shè)備創(chuàng)造了一個良好的運行環(huán)境，從而確保設(shè)備可靠運行

3.2 實現(xiàn)配電房各類電氣設(shè)備的運行狀態(tài)檢測，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障隱患

利用局放傳感器直接檢測+臭氧氣體密度間接監(jiān)測，分析判斷設(shè)備是否產(chǎn)生絕緣性能下降和局部放電等故障。通過檢測房內(nèi)SF6氣體是否泄漏、開關(guān)柜或變壓器溫度是否異常等，全面監(jiān)測各類設(shè)備的運行狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)和排除設(shè)備故障隱患，有效防止情況惡化并導(dǎo)致運行故障產(chǎn)生，有效降低設(shè)備故障率。

3.3 實現(xiàn)入侵監(jiān)測、身份鑒權(quán)、安全帽監(jiān)測、電子圍欄，有效保護運維人員安全

通過視頻技術(shù)、人工智能識別技術(shù)對運維人員的身份進行識別和鑒權(quán)，并識別是否做好穿戴安全帽工作服等勞動保護措施。同時，在高壓設(shè)備附近或其他危險區(qū)域設(shè)置電子圍欄等，對發(fā)現(xiàn)的危險操作進行告警，有效防止人身安全事故發(fā)生，保護運維人員的生命安全。

3.4 實現(xiàn)傳感器設(shè)備電源智能化管理，保障各類傳感器設(shè)備長期穩(wěn)定運行

電源管理單元具備完善的輸入過壓、抗接地故障、輸出過流或短路、過壓、溫度異常等效保護功能，備用電源具備無縫切換、智能監(jiān)測管理等功能，可保障各類傳感器設(shè)備長期穩(wěn)定運行。

3.5 實現(xiàn)傳感器通信協(xié)議的規(guī)范化，有效保障各類傳感器可靠工作

當(dāng)前市面上的傳感器協(xié)議眾多，給開發(fā)和應(yīng)用造成了極大不便。通過調(diào)研分析對通信協(xié)議進行規(guī)范整合，使得不同傳感器和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)之間的通信更加簡單、協(xié)調(diào)與可靠。

3.6 產(chǎn)品設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、典型化，適于批量化生產(chǎn)、安裝和維護

產(chǎn)品設(shè)計時需充分考慮不同電房配置各異、現(xiàn)場環(huán)境多樣化的特點，在電源、端子排等組成單元均采用典型化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，并且充分考慮后續(xù)功能擴展等需求，便于現(xiàn)場施工接線和安裝調(diào)試。

3.7 產(chǎn)品環(huán)境性能和防護和抗干擾能力強，可靠性高

電力自動化設(shè)備由于工作在惡劣的工況下，對設(shè)備電磁兼容設(shè)計和安規(guī)設(shè)計通常要求采用比其他工業(yè)設(shè)備更高的IV級，而產(chǎn)品充分借鑒了配電自動化終端的設(shè)計要求和經(jīng)驗，有效保證了產(chǎn)品符合惡劣環(huán)境下的適應(yīng)性和電磁兼容特性，確保在現(xiàn)場可長期可靠運行。

3.8 產(chǎn)品可擴展性強，發(fā)展?jié)摿Υ?/h3>

產(chǎn)品具有良好的擴展?jié)摿Γ€支持配置便民充電接口、智能路燈、智能垃圾箱以及無線局域網(wǎng)等，依托配電房延伸涉電服務(wù)實現(xiàn)“智能電房服務(wù)智慧城市”。

4 經(jīng)濟效益分析

4.1 合理延長設(shè)備使用壽命，節(jié)約建設(shè)成本

傳統(tǒng)的配電房巡檢方式存在兩大問題：一是維護不及時；二是無法評估不同設(shè)備的運行狀態(tài)，只能定期整體保養(yǎng)或整體更換。

電網(wǎng)公司每年通常都要做預(yù)防性試驗，一般5年檢修、10年大修。檢修主要針對銹蝕、老化等設(shè)備進行替換。大修主要針對開關(guān)柜、變壓器等主要設(shè)備進行停電檢測和關(guān)鍵部件、整機替換。大修不會等到設(shè)備完全故障停用才進行，而是按照既定的大修時間（如10年）對設(shè)備進行換新。這種換新方式可保障配電房主要設(shè)備在下次大修前可靠運行，一定程度上消除了事故隱患，但增加了建設(shè)成本。

通過配電房智能監(jiān)控系統(tǒng)，可以從整體上分析設(shè)備的運行狀態(tài)，對設(shè)備的使用壽命進行分類，在保證運行可靠性的同時，延長部分設(shè)備的使用壽命，降低建設(shè)成本。

4.2 由人工定期巡檢過渡到智能化監(jiān)控為主、人工巡檢為輔，大幅降低運維成本

目前，人工巡檢存在問題發(fā)現(xiàn)不及時、巡檢針對性不強、效率低、巡檢質(zhì)量無法量化考核等問題。通過配電房智能監(jiān)控系統(tǒng)可以實時發(fā)現(xiàn)各種隱患并實時上報，并結(jié)合數(shù)據(jù)分析，及時高效地排查解決隱患并形成記錄。

5 結(jié) 論

通過在配電房中安裝智能監(jiān)控系統(tǒng)可提高配電房的安全性和可靠性，以減輕工作人員的工作負擔(dān)，這對保障配電房的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。