基于多元傳感技術融合的配電房智能綜合巡檢系統設計研究

賈秉健 孫慶 袁金麗 趙波

（新疆信息產業有限責任公司，新疆烏魯木齊 830026）

在電網建設規模不斷擴大的背景下，大量配電房得到了建設。在地域上分布廣泛，使配電房巡檢工作量急劇增加，單純依靠人工巡檢將受到人力物力限制，導致配電房運行存在安全隱患。設計智能綜合巡檢系統，融合多元傳感技術加強各種可能影響配電房運行的因素監測，能夠進一步加強配電房的運維管理，為配電房的可靠運行提供有力技術支撐。

1 配電房智能綜合巡檢系統設計要求

配電房所處的環境存在較大差異，可能因局放、漏水浸水、積塵等各種環境因素出現跳閘事故，嚴重影響配網運行的穩定性。設計智能綜合巡檢系統，需要對環境、電氣設備狀態、安防等各方面信息進行監測和控制，通過系統分析實時反映現場情況，發現環境改變、設備狀態異常、非授權行為等問題，并通過聯動控制有效預防事故發生。在物聯網取得快速發展的背景下，可以運用多元傳感技術使系統接入各類傳感器，如溫濕度傳感器、煙霧火災探測器、噪聲傳感器、水浸傳感器、SF6 氣體濃度傳感器等等，通過與系統的風機、門禁等各種智能執行設備聯動，能夠實現配電房遠程監管[1]。為此，系統的設計需要體現開放性，能夠在開放平臺下接入多種設備，支持各種平臺軟件，為多元傳感技術融合提供支持。通過靈活配置各種功能模塊，可以滿足配電房不同管理要求，確保巡檢內容能夠一一實現。而模塊增刪不會給其他模塊帶來影響，同時可以提供二次開發接口實現容量擴充、功能升級，為配電網智能運維、智慧城市等系統接入提供支持，有效提升系統擴展性[2]。此外，應設計友好人機界面，提供工具化、圖形化的操作模塊，增強系統的可用性。

2 基于多元傳感技術融合的系統設計方案

2.1 系統架構

按照系統設計思路，需要借助電力物聯網實現多元傳感技術融合。如圖1 所示，為電力物聯網框架，由感知層、網絡層、平臺層和應用層構成。其中，感知層包含各種傳感設備和基礎設施，能夠對網絡邊緣節點進行智能處理，全面感知各種設備、設施和環境條件。網絡層由各種通信網絡構成，可以將采集到的數據傳遞至平臺層。平臺層由各種操作系統構成，可以實現各類數據處理，為數據開發應用提供支持。應用層為頂層結構，包含不同應用場景，能夠通過大數據、云計算等技術實現。根據配電房巡檢管理需求，需要對開關柜、變壓器、視頻設備、環境設備、安防設備等不同設備進行監管，同時需要加強環境監測，將各類信息接入到智能信息系統實現綜合管理，滿足遠程運維要求。為此，需要綜合運用物聯網、大數據、云計算等技術，通過實現配電房智能化升級改造將設備運行數據和環境監測數據接入云管理平臺[3]。通過大數據分析實現智能化分析和診斷，發現隱患及時消缺，落實巡檢和運維管理要求的同時，保證配電房運行安全。

圖1 電力物聯網框架

系統架構建立在電力物聯網框架之上，如圖2 所示，將系統架構劃分為應用層、平臺層、網絡層等多個層別。根據具體業務應用，可以開發系統應用功能，如系統權限管理、智能巡檢等。平臺層為電力物聯網平臺，能夠實現終端聯接管理、遠程遙控等操作。網絡層采用有線和無線兩種接入方式，確保系統智能網關等設備可以順利接入云平臺，為系統運行提供支撐。邊緣層可與終端單元建立可靠數據鏈路，保證終端設備順利接入服務器節點，數據能夠上傳至云平臺。終端層由各種傳感器、檢測設備等構成，針對變壓器等設備進行監測，可以通過智能化改造使設備實現遙信等功能，確保系統順利采集配電房的各種數據。

圖2 配電房智能綜合巡檢系統架構

2.2 總體功能

從系統總體功能設計上來看，系統應當實現智能檢測、環境監控、數據通信、巡檢控制等多種功能。針對配電房內各種設備運行數據，應當實施智能檢測，如對開關柜內接點溫度、變壓器局部放電等各種狀態參數進行遙測，并根據設定閾值及時發送告警提示，完成異常參量記錄。在環境監控方面，需要對配電房明火、煙霧、入侵等情況進行監控，并根據設定環境參量報警，達到全方位智能巡檢的目的。在數據通信方面，需要利用電力物聯網完成各種開關量、數字量、模擬量和圖像等信息上傳，確保系統能夠利用大數據等技術完成信息檢索、關聯分析和綜合分析，通過數據挖掘完成可能發生的事故預測，提前向人員發出預警[4]。利用巡檢控制功能，根據系統分析結果可以實現風機、空調、滅火裝置等設備的聯動控制，也可以通過機器人進行智能巡檢，通過紅外測溫、圖像識別等各種手段實施集中監測監控管理，為系統診斷和設備管理提供可靠依據。對于巡檢人員來講，登錄云平臺后，輸入配電房地理編碼，可以迅速查找到對應操作系統，根據自身權限登錄管轄站點系統，獲取配電房各種數據信息。在軟件界面，可以輸入巡檢任務，遠程開展配電房巡檢工作，了解各種設備運行狀況和異常報警信息，實現配電房的統籌管理。

3 基于多元傳感技術融合的系統設計實施

3.1 智能監測單元

在智能監測單元設計上，需要解決設備測溫、局放檢測等各種問題。如針對開關柜、變壓器等設備，通過在接頭位置布置傳感器，能夠實現溫度監測。在局放檢測上，主要通過軌道機器人實現，通過配備局放監測儀、紅外傳感器等設備，能夠對發現異常的設備實施重點監測，獲取全面的設備狀態信息。在電氣檢測方面，通過實時采集設備相關電量數據，可以由平臺匯總數據。經過系統處理和綜合診斷，能夠發現三相不平衡、溫升異常、過載、短路等火災事故隱患。通過控制配電房監控監測設備實施透明化監管，并通過手機、平板等移動終端實時反饋信息，為人員開展運維工作提供依據。運用物聯網技術對配電房各種設備RFID 標識進行掃描，可以完成設備各方面信息的在線采集，形成完整設備檔案，為實現設備的全生命周期管理提供支持。巡檢人員通過系統整合設備信息，可以實現智能化跟蹤和集中監控，提高巡檢工作的自動化和智能化水平。

3.2 環境監控平臺

在實現電氣智能監測的同時，配合采用視頻監控、圖像識別等技術，系統可以實現現場智能執行元件的聯動控制。在系統開展設備、環境狀態測試時，將自動生成遙控執行命令消息文件，通過信息交互總線發送至監控平臺，由平臺解析后調用相應模塊進行分析。如針對配電房開關、控制柜等設備，通過狀態智能辨識，能夠完成布防和撤防。制定遙測、遙信和遙控開關計劃，可以實現遙控預置。在系統監控平臺根據上傳圖像展開智能分析后，對配電柜表計、指示燈等讀數和狀態信號進行分析，可以判斷設備運行狀態，然后執行預置文。在設備控制過程中，平臺將實時監控設備狀態，根據反饋信息判斷是否遙控成功，然后執行后續控制指令。在配電房環境監管方面，監控平臺也可以根據溫濕度傳感器、浸水傳感器等傳感信號做出判斷，通過與智能化執行單元聯動加強環境管理，如監測到溫濕度超標時通過控制空調、風機等設備調節溫濕度。

3.3 數據通信單元

在系統數據通信方面，需要實現遙測、遙信和遙控功能，結合實際需求進行分塊改造，將采集的各種信號順利接入系統平臺。如在開關柜信號采集上，可以利用已有支持通信的微機保護裝置接入網關，直接實現數據上傳。針對無通信功能的電氣設備，需要加裝智能采集裝置，完成設備智能化改造，實現遙測功能。針對每一饋線回路，應在實施電流、電壓等全電量監測的同時，監測漏電流、負荷側溫度，并接入消防信號。配置網關設備，可以與進線、母聯監控模塊聯動，實現設備自投切控制。在環境監控方面，針對溫濕度傳感器、浸水感應器等傳感器，可以利用現場總線統一接入網關，與系統管理平臺進行數據通信。此外，為保證采集的圖像等能夠及時上傳，需要利用以太網將視頻裝置、工控機等接入到無線集線器，通過巡檢機器人和第三方設備交互響應，之后通過共有網絡平臺向執行設備發送指令。實際配電房采用的二次設備、安防設備等屬于異構終端，在接口、協議、數據格式等方面存在差異。在接入物聯網時，需要采用支持協議代理的通信協議組件，順利完成多源數據融合，并滿足異構數據解析需求，為智能網關邊緣計算提供數據源。

3.4 巡檢控制單元

在巡檢控制功能實現上，需要通過智能網關完成邊緣計算，實現設備異常告警、過載實時監控、電能質量異常展示等各種功能，為人員制定巡檢計劃和開展運維管理工作提供依據。從系統采用的智能算法來看，針對采集到的多維數據，將通過皮爾遜積矩相關系數法完成檢驗，并完成閾值設定。通過T 檢驗后，確定小于閾值證明相關性較弱，可直接濾除，否則將完成格蘭因果檢測。經過F 檢驗后，可以對關聯度高的數據建立概率圖模型，進一步進行預警分析，以變壓器故障預警流程為例，如圖3 所示。

圖3 變壓器故障預警的算法分析流程

在智能挖掘算法中，需要按照時間間隔獲得采樣數據集X1、X2、···、Xm，完成糾錯、篩選和歸類整理后獲得多維序列數據集，然后進行相關度挖掘。建立概率圖模型，利用式（1）計算因果權重：

在故障節點Xi擁有m 個獨立祖先節點的情況下，可以根據節點和各祖先節點因果關系確定權重。將1 個月以上數據集當成是樣本展開分析，能夠順利完成因果關系挖掘，根據監測數據診斷設備是否存在故障風險。根據故障嚴重程度，系統將采取短信通知、下發遠程控制命令等不同處理方式，在緊急情況下執行分合閘、斷電等操作，防止事故蔓延。

3.5 預期應用成效

應用智能綜合巡檢系統進行配電房監管，系統對設備異常事件診斷準確率應達到95%以上，控制命令執行準確率達到100%以上。在系統的支持下，人員可以實時掌握管轄區域內多個配電房運行狀態，通過數據融合分析掌握線路和臺區負荷特性，制定差異化巡檢計劃，開展狀態維修工作。在配電房運維管理方面，可以根據系統設備告警及時處理各種事件，有效預防事故發生，并根據頻繁發生故障類型提出有針對性的設備改造優化方案，保證配電房能夠長時間穩定運行的同時，降低巡檢成本和強度，提高配電房管理技術水平。

4 結論

在電力物聯網基礎上建立配電房智能綜合巡檢系統，能夠順利實現多元傳感技術融合，通過對配電房設備、環境等進行遙測、遙控等實施集中管理，可以實時掌握配電房運行狀態，通過聯動控制處理各種異常，達成智能巡檢效果。而應用系統管理多個配電房，能夠減輕人員巡檢工作強度，同時保證配電房的安全運行，因此能夠助力電力行業的健康發展。