智能變電站監測預警系統設計與開發

吳立勇 王煥 曹藝

國網河南省電力公司鎮平縣供電公司 河南 鎮平 474250

引言

智能變電站不是在傳統的有人值守變電站的基礎上不進行任何技術操作的無人管理形式，而是一種以變電站設備可靠性、自動化為前提，借助現代計算機技術手段，變電站設備的遠程控制和管理由傳統的現場值班人員改為遠程值班人員[1]。目前，智能變電站具有運行管理成本低、供電質量高、工作量小、應用過程安全性高等優點，受到各地電力企業的廣泛關注。然而，在實際應用中，智能變電站監控系統不能滿足變電站運行管理和控制的實際需要，存在信息顯示不完整、可視化程度低、未配備相應的報警功能、報警不及時等問題。

物聯網的快速發展本身其實就是一個非常高度的安全信息化、自動化以及一個互動性很強的安全信息網絡，不僅需要將廣大智能化的傳感器都合理分布收集到各個特定的可能需要安全監測和日常維護的工作地點，并且還要確保這些智能化的傳感器盡可能不要出現任何安全故障。在基本構建好了監控信息實時收集和分析傳感器的智能測控處理網絡之后就可以集中精力來構建一個新型的監控信息收集平臺，將搜集、分析和存儲整理起來的各種監控數據都直接進行了能數據化的分類和分析處理，實現對于電站實時的監控數據采集、監控自動預警、數據實時傳遞和信息存儲等各個系統的智能集中管理，再通過整個智能變電站集控系統與其他物聯網智能終端的相互結合多種形式直接組成一個一套具有實時智能自動監控、智能自動判別、智能數據管理等多種功能的集控系統為數據核心，從而為用戶自身構建一個更加完善的智能變電站系統智能監測輔助監控系統。物聯網利用感知技術和智能裝置對物理世界進行感知識別，通過網絡傳輸互聯，進行計算、處理和知識挖掘，實現人與物、物與物信息交互和無縫鏈接，達到對物理世界實時控制、精確管理和科學決策目的。

對于智能變電站來說，需要監控的主要數據有環境溫度，環境濕度，設備的限變電壓以及當前電量等。對于上述數據，系統需要能夠進行實時的監測，并在危險即將發生時提前報警[2]。

本文提出的基于物聯網技術的智能變電站監測預警系統，通過物聯網技術將設備的運行數據進行采集、傳輸、分析，從而實現變電站的自動化與智能化，響應國家對電網“五網”的政策要求，提高變電站的工作效率，安全性以及降低運營維護成本。

1 LoRa無線技術

LoRa是一種低損率功耗無線網絡局域網技術標準，低損耗功率的無線局域網通常很難完全無線覆蓋連接到無線遙感器。LoRa除了城域網的 2G / 3G / 4G 外，還包括無線局域網及其他各種短距無線通信網絡技術，最大限度地實現長時間、長距離的高頻數據無線通信，同時成本更低廉。在實際工作現場，監測點多且分散決定了如果采用傳統的有線信號的傳輸方式，存在布線困難、維護工作量大、不可移動等缺點。而無線信號的傳輸則擺脫了線纜的束縛，具有安裝周期短、易于維護、擴容能力強等優點，同時組網靈活，無須考慮為新添加的設備鋪設網絡，易于擴展設備后，即可實現遠程監測[3]。

在LoRaWAN節點網絡中，每個聯絡網關節點都會把從網絡終端端到節點網絡連接接收到的網絡數據庫封包直接經過一些網絡返路（又比如蜂巢、以太網等），然后將其轉發給基于云和云計算的移動互聯網網絡服務器。智能化和安全網絡的處理復雜性被數據存儲處理起來后并放在一個服務器上，服務器系統負責管理和對網絡和接口數據流的過濾冗余，對接口感受到的網絡數據執行安全特性測試，通過最優化的網關對其數據進行自動調度和安全確認，并對其實現自動相適應的處理數據流以增加處理速率。

2 數據采集與存儲

根據當前無人值守變電站運行需求，為實現對關鍵數據的采集與分析，本文將系統采集信息劃分為3種類型，分別為限變電壓、溫度、濕度、變電站電力參數變化信息，實現對變電站設備的工作狀態、工作環境的監測，以及對各項工作數據進行分析，限定安全工作范圍，從而達到對非正常工作狀態下的變電站設備的分析與預警。系統結構如圖1所示。

圖1 智能變電站系統結構

變電站設備狀態實時數據采集頻率高、數據量大，對于數據的傳輸和存儲帶來很大的壓力[4]。因此，需要選擇合適的數據壓縮算法來解決這些問題。不同的應用領域可以針對根據數據特點采用不同的數據壓縮處理技術，比如，圖形處理技術領域的jpeg壓縮處理技術，聲音圖像處理技術領域的mp3壓縮處理技術等。本文針對變電站設備狀態數據的特點選用旋轉門算法。這是一種有損壓縮的算法，其主要原理便是存儲少量數據并且保存其變化趨勢，這樣在還原數據時可以通過一個階段內的起始數據與變化趨勢預測出想要得到的數據。其優點在于相對于無損壓縮，所需存儲的數據量大幅減少，壓縮率得到極大的提高；缺點則是由于很難找到完全相符的變化函數，因此只能預測一個相近的數據。在工業生產中，設備數據往往是線性變化的，并且在預測時是允許一定的誤差的，因此旋轉門算法能夠很好地適應這樣的工作需求。

3 系統設計

本系統兼容C/S和B/S架構，可本地管理和遠程管理，保證數據的安全和便捷性，同時提供對數據終端的分組、分析、預警服務，進一步將管理數據化、自動化[5]。需要監測的變電站設備類型包括除濕設備、測溫設備、泄漏電流監測設備和門禁設備。設備信息包括：①設備名稱：在設備管理界面中編輯，通常是所監測的位置點的名稱；②濕度：智能除濕設備所在的密閉空間的濕度；③目標濕度：智能除濕器在初始設置時設置的濕度目標，即濕度降到此數值停止工作；④溫度：智能除濕設備所在的密閉空間的溫度；⑤泄漏電流：監測電氣線路或設備絕緣性；⑥電量：智能除濕設備為外供電，電量默認為100；⑦狀態：有正常和異常兩種；⑧實時曲線：設定時間范圍內的數據構成的曲線；⑨歷史數據：數據的查詢窗口。

同時實時曲線與歷史數據將結合采集時間段歸納總結為對應的圖表進行直觀的展現。對于狀態異常的設備，系統將會實時顯示在異常信息中，并采用聲光字報警的形式進行報警。

3.1 數據庫設計

本系統采用SQLServer存儲設備信息和實時數據，設計數據表如表1、表2所示。

表1 設備信息表

表2 設備數據表

續表

3.2 運行界面

系統自投入運行以來狀況良好，能實時監測溫度、濕度、泄漏電流等信息，并提供報警、預警功能，運行界面如圖2-圖4所示。

圖2 系統運行主界面

圖3 測溫設備監測界面

4 結束語

本文從系統應用需求分析到總體設計，闡述了智能變電站監測預警系統的設計方案。根據智能變電站的技術要求，采用物聯網技術采集變電站設備的運行數據，并對數據進行壓縮處理，通過LoRa技術實現數據的無線傳輸，將處理后的數據存儲在數據庫中，最終通過后臺管理軟件對數據進行管理、監測和預警，并對數據進行可視化展示。系統的運行對提升變電站自動化、智能化有著重要意義，具備推廣價值。