一種用于換流站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

趙新志，劉伯強，楊 帆，任 凱

（國網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司，陜西 西安 710000）

0 引 言

電力供應(yīng)是整個社會生產(chǎn)、人民生活的基本保證之一。電力安全可靠穩(wěn)定供應(yīng)是國家電力輸配電企業(yè)的重中之重，為了實現(xiàn)目標，就離不開電力設(shè)備的安全可靠工作。任何設(shè)備在使用過程中都會存在影響電力運行安全的因素，這些因素需要不斷總結(jié)和積累，通過監(jiān)測手段能夠進行設(shè)備故障或事故發(fā)生的預(yù)測[1]。國家電網(wǎng)公司在2020年提出了電力泛在物聯(lián)網(wǎng)的概念之后，很多科技公司開始研發(fā)電力設(shè)備的智能運維平臺，通過對現(xiàn)有電力設(shè)備安裝必要的監(jiān)測儀器，將搜集到的信號遠傳至站內(nèi)數(shù)據(jù)處理中心，根據(jù)專家分析系統(tǒng)進行電力設(shè)備運行故障預(yù)測，將隱患消滅在萌芽狀態(tài)。

寶雞換流站是±500 kV德寶直流輸電工程的一端，可實現(xiàn)西北電網(wǎng)和華中電網(wǎng)雙向輸電。本應(yīng)用研制了一種專門用于換流站環(huán)境監(jiān)測的數(shù)字化裝置，實時獲取換流站特定位置的氣象監(jiān)視信息，如大氣溫濕/度、風速風向、雨量、空氣灰度以及等噪聲，此外還能獲取絕緣支柱的灰度值、鹽度值、接地極的土壤溫度、電導(dǎo)率以及水溫等信號，實現(xiàn)遠程監(jiān)測、記錄、查看、搜索、預(yù)測等數(shù)據(jù)分析功能和直觀圖形化展示，由專家系統(tǒng)對集采的特定位置的環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析，預(yù)測可能發(fā)生的故障隱患，并作出科學(xué)的行動計劃，消除隱患，實現(xiàn)設(shè)備安全運行[2-4]。

1 換流站環(huán)境監(jiān)測的數(shù)字化裝置功能

一是抗電磁干擾。換流站為（特）高壓直流輸電換流變電站，其站內(nèi)具有較強干擾源，這些干擾源有來自換流閥導(dǎo)通和關(guān)斷過程產(chǎn)生的傳導(dǎo)與輻射電磁干擾，正、負極間電壓的迅速變化導(dǎo)致產(chǎn)生暫態(tài)電壓和暫態(tài)電流帶來的干擾以及換流閥觸發(fā)時產(chǎn)生的大量射頻干擾。此外，交流斷路器及隔離刀閘等一次設(shè)備的操作會引起回路狀態(tài)發(fā)生變化，從一種穩(wěn)定狀態(tài)經(jīng)過振蕩過渡到新的穩(wěn)定狀態(tài)將產(chǎn)生暫態(tài)過電壓干擾。這種很強的干擾，作用在弱電線纜上、傳感器殼體上、電子線路板上，因其耐壓水平和抗干擾能力比較弱，如果不做好防干擾措施，其會造成裝置運行異常。本裝置的研發(fā)解決了具有復(fù)雜多樣性干擾源的換流站，能夠可靠穩(wěn)定工作。

二是安全網(wǎng)絡(luò)。未來的物聯(lián)網(wǎng)不再是現(xiàn)有的垂直縱向的延伸，而是如現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)一樣的網(wǎng)格式的發(fā)展，網(wǎng)格式物聯(lián)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集模塊和中繼服務(wù)模塊具有更加智能的互聯(lián)功能，能夠自動匹配和它相同通信規(guī)則的模塊。網(wǎng)格式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)置了隱藏性網(wǎng)絡(luò)，對一般用戶不顯示，非專用設(shè)備無法偵測到，并具有自動屏蔽非法侵入的功能，具有較強安全的數(shù)據(jù)傳輸。

三是客戶端。裝置的遠端是數(shù)據(jù)服務(wù)器，服務(wù)器搭建了一套應(yīng)用平臺，在電站內(nèi)部局域網(wǎng)搭建了Web Server服務(wù)，并對內(nèi)部局域網(wǎng)（包括無線連接的終端）內(nèi)的客戶端進行區(qū)域廣播。客戶機瀏覽特定IP，即可查看分析后的數(shù)值、圖像顯示、趨勢曲線，具有導(dǎo)入數(shù)據(jù)和導(dǎo)出報表等功能。其次針對手機客戶端，開發(fā)了基于安卓操作系統(tǒng)的App客戶端軟件，通過App客戶端軟件同樣可以查看分析后的數(shù)值、圖像顯示、趨勢曲線，具有導(dǎo)入數(shù)據(jù)和導(dǎo)出報表等功能。

四是數(shù)據(jù)的采集。采集的現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)為氣象監(jiān)視(大氣溫濕/度、風速風向、雨量、空氣灰度、噪聲)、絕緣支柱的灰度值和鹽度值、設(shè)備噪聲、接地極的土壤溫度和電導(dǎo)率、水溫等信號、換流站內(nèi)該位置的地面沉降信息。

五是功能顯示。終端服務(wù)器能夠?qū)F(xiàn)場采集的傳感器數(shù)據(jù)以數(shù)字的形式存儲、數(shù)據(jù)動態(tài)分析結(jié)果存儲，多裝置應(yīng)用時各個裝置在換流站平面俯視圖上顯示功能，服務(wù)器系統(tǒng)軟件能對數(shù)據(jù)做進一步分析，為設(shè)備運行提供預(yù)測參考，具有閾值報警功能。客戶端通過計算機監(jiān)控后臺的瀏覽器獲取各個裝置傳感器數(shù)值，并以圖形化顯示、趨勢圖顯示、棒圖顯示、數(shù)據(jù)查詢等功能。手機APP端是預(yù)先編制好的客戶軟件，通過軟件可以獲取各個裝置傳感器數(shù)值，并以圖形化顯示、趨勢圖顯示、棒圖顯示、數(shù)據(jù)查詢等功能。

2 換流站環(huán)境監(jiān)測的數(shù)字化裝置設(shè)計方案

2.1 設(shè)計要求

每套集采器能夠采集特定位置的氣象監(jiān)視(大氣溫濕/度、風速風向、雨量、空氣灰度、噪聲)、絕緣支柱的灰度值和鹽度值、設(shè)備噪聲、接地極的土壤溫度和電導(dǎo)率、水溫等信號、換流站內(nèi)該位置的地面沉降信息等環(huán)境因子，通過網(wǎng)格式網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至遠方的數(shù)據(jù)服務(wù)器。在內(nèi)部局域網(wǎng)的任意一臺計算機通過瀏覽器以及通過連接內(nèi)部局域網(wǎng)手機App客戶端使用系統(tǒng)功能。

該集采器具有可擴展功能，將集采器布置在換流站不同的區(qū)域，彼此之間能夠自動搜尋并橋接，形成網(wǎng)格式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，每臺集采器同時也是中繼器。距離服務(wù)器最近的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自動匹配橋接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無縫傳輸。單套集采器的外形如圖1所示。

圖1 集采器外形

2.2 組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸

電力設(shè)備分布式多站點環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是一個主要用于監(jiān)控一些因局部環(huán)境問題而引起的電力設(shè)備故障，以保障供電的延續(xù)性、可靠性和安全性的智能控制管理系統(tǒng)[5]。這類研究在之前已有相關(guān)研究機構(gòu)進行了研究。當下計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于社會的各行各業(yè)。為了保障國民經(jīng)濟的正常運轉(zhuǎn)，發(fā)揮電網(wǎng)的最大優(yōu)勢，電力系統(tǒng)對信息網(wǎng)絡(luò)的安全具有極高要求。一種用于換流站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)雖然是換流站的輔助監(jiān)測系統(tǒng)，但是在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計上有較高的要求，并在站內(nèi)采用和其它設(shè)備監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)不互聯(lián)的獨立網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)通信模塊之間采用了有線和無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的通信網(wǎng)，與站內(nèi)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)及廣域網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)相隔離。對有障礙物，不利于無線傳輸?shù)牟捎糜芯€RS485(雙絞線或光纖)通信連接，對開闊地區(qū)采用低功耗局域網(wǎng)(LoRa)通信連接，服務(wù)器客戶端采用有線和無線以太網(wǎng)。服務(wù)器作為數(shù)據(jù)主站，集采器作為數(shù)據(jù)從站，服務(wù)器每隔5 s向各個集采器搜集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 數(shù)據(jù)存儲與處理

集采器實時更新現(xiàn)場傳感器的實際數(shù)據(jù)，服務(wù)器間隔5 s將所有集采器更新的數(shù)據(jù)讀取至服務(wù)器并存儲在服務(wù)器的磁盤內(nèi)，服務(wù)器安裝的專家系統(tǒng)軟件將進行預(yù)測處理后的數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器的磁盤內(nèi)，后期進行人工分析時可以隨時調(diào)出存儲的數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)展現(xiàn)

服務(wù)器所在同一局域網(wǎng)上的客戶機通過瀏覽器可以瀏覽各采集點的數(shù)據(jù)，接入服務(wù)器所在同一局域網(wǎng)熱點的手機通過App軟件可以瀏覽各采集點的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)展現(xiàn)以客戶機屏幕展示為主，手機展示為輔，展示界面除了布局不同，內(nèi)容及形式相同。手機客戶端界面如圖3所示。

圖3 手機客戶端界面

3 創(chuàng)新點

如果將民用或工業(yè)用的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在換流站使用有它的局限性，如采集的信號種類、數(shù)據(jù)傳輸方式、電磁干擾和系統(tǒng)的安全性等。用于換流站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究解決了這些問題，彌補民用或工業(yè)用的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用的不足，根據(jù)實際需求進行定制化研究的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在電力行業(yè)應(yīng)用時更能滿足現(xiàn)場環(huán)境的需要。

首先，采集的數(shù)據(jù)集成度高。產(chǎn)品在設(shè)計時，參考了市場上的環(huán)境監(jiān)測裝置，并增加了面向直流變電站實際需要的信號種類，每套集采器包含了特定位置的氣象監(jiān)視(大氣溫濕/度、風速風向、雨量、空氣灰度、噪聲)、絕緣支柱的灰度值和鹽度值、設(shè)備噪聲、接地極的土壤溫度和電導(dǎo)率、水溫等信號、換流站內(nèi)該位置的地面沉降信息等環(huán)境因子。其次，集采器自動橋接。集采器自動橋接最近LoRa信號最強的集采器，所有的集采器橋接之后形成網(wǎng)格式通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)終端服務(wù)器通過有線或無線橋接的方式，從最近的集采器上讀取全站監(jiān)測數(shù)據(jù)。再次，具有強抗電磁干擾。集采器外殼采用鐵元素材料，材料可靠接地。儀器儀表及各種元器件選用具有EMC認證，能適用于電力變電站的復(fù)雜的強干擾環(huán)境。系統(tǒng)有限采用無線橋接的數(shù)據(jù)傳輸，避免因采用電纜傳輸數(shù)據(jù)帶來干擾，也能降低改造施工難度。最后，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全。系統(tǒng)采用獨立的網(wǎng)絡(luò)，外部設(shè)備訪問需具有多重的權(quán)限。經(jīng)過授權(quán)才能接入內(nèi)部局域網(wǎng)的客戶計算機或手機需輸入授權(quán)賬號和密碼方可訪問數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

換流變電站是指在高壓直流輸電系統(tǒng)中，為了完成將交流電變換為直流電或者將直流電變換為交流電的轉(zhuǎn)換，并達到電力系統(tǒng)對于安全穩(wěn)定及電能質(zhì)量的要求而建立的站點，換流變電站內(nèi)所有的監(jiān)控數(shù)據(jù)都具有及其重要的意義。本應(yīng)用充分考慮了換流變電站的實際需要，并在現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了更多的傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。換流站環(huán)境監(jiān)測的數(shù)字化裝置具有強抗電磁騷擾能力，在應(yīng)用中傳輸信號穩(wěn)定可靠。裝置之間、裝置和終端服務(wù)器之間的傳輸網(wǎng)絡(luò)通過雙重身份認證，能夠防止外部未經(jīng)授權(quán)客戶的非法侵入，確保的數(shù)據(jù)安全。

換流站環(huán)境監(jiān)測的數(shù)字化裝置將采集上來的數(shù)據(jù)在終端服務(wù)器進行存儲，實時分析。通過計算機及手機客戶端，可以獲取集采器所在位置的設(shè)備環(huán)境信息及設(shè)備狀態(tài)，由一定數(shù)量換流站環(huán)境監(jiān)測的數(shù)字化裝置和服務(wù)器組成的用于換流站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)預(yù)處理的功能，當監(jiān)測數(shù)據(jù)異常時，監(jiān)控系統(tǒng)能夠發(fā)出預(yù)警信息，由運維人員進行具體分析和處理異常。通過服務(wù)器安裝的專家分析系統(tǒng)能夠推演出設(shè)備可能存在的隱性問題，從而為電網(wǎng)中的設(shè)備運行提供分析基礎(chǔ)。