基于物聯網技術的遠程可視化智能變電站運行維護實施方案研究

羊大海

（國網宜興市供電公司， 江蘇 無錫 214200）

0 引言

在我國經濟快速發展的背后，電力企業的發展也得到了相應的提升。自改革開放之后，電力工業的發展速度大幅度加快，已經逐漸建設形成一套相對完善的電力系統，為群眾的基礎的生活和工作提供了更多的保障。尤其是在一些大型變電站供配電線路的建設過程中，對其運行維護工作開展提出了更高的要求及標準。隨著網絡技術的不斷發展和應用，中國已經逐漸步入了“智聯型”智能物聯網（AIOT）的時代，而物聯網技術則是其中一個重要的組成部分。物聯網技術是當前信息技術的核心，它在通信系統、物聯體系中起到了十分關鍵的作用。把物聯網技術運用到智能變電站運維管理系統中，利用編碼技術、射頻識別技術、RFID、傳感器技術等來實現對二次設備臺賬信息等數據的智能采集，為智能變電站系統的運行維護與管理打下堅實的數據基礎，同時也能為變電站各項數據處理工作的開展提供一定的指導[1]。因此，分析物聯網技術中遠程可視化智能變電站運行維護實施方案的重難點，綜合變電站運行維護的實際需求制定出針對性的對策有助于提升整體工作的效率與質量，提升運行維護的高效性。

1 變電站運行維護工作的現狀分析

變電所是一種以電壓變換、功率交換、電能集中、分配為主要功能的變電所。變電站內設備一般包括了一次設備、二次設備及其他輔助設備。隨著計算機及通信技術的發展，變電站內出現了在線監測、圖像監控識別、巡檢機器人、智能控制等智能化設備。通過對其設備的實際分布情況可以看出主要有以下幾個方面的設備組成：

1）平臺級（供電部門）都配備有調度自動化系統、五防系統、安全通信系統、在線監視系統、機器人巡視系統、視頻監視系統、輔助監視系統、主站等。

2）子站層（站端聚合），因站點而異，如自動化子站、遠動機、五防子站等，在安全I 區的所有變電站都有設置；而在安全Ⅱ區中，大多數配置在220 kV 及以上的變電站中，使用的是故障錄波組網子站和綜合處理單元（用于匯集在線監測數據）；在安全Ⅲ區中，硬盤錄像機基本上已經覆蓋了全部的變電站，但是一些站點卻沒有足夠的能力來進行巡檢，機器人巡檢的主要范圍是220 kV 及以上的站點，輔控系統的配置比較分散，沒有能夠在站端對信息流進行集中管理。

3）在設備層面上，I 區的保護裝置、測控裝置和五防鑰匙都是通用的，但是為了實現智能化，安裝刀閘壓力傳感器和刀閘姿態傳感器的比例卻很小。安全Ⅱ區、Ⅲ區的故障錄波裝置、油色譜等在線監測終端、輔助監控各類終端等是為智能巡檢、智能安全而配置的設備，配置率也不高。同時，還對供電公司安全Ⅱ區的在線監控、安全Ⅲ區可視化和輔助控制等方面的情況進行了調研[2]。表1 的研究結果表明，隨著電力系統向智能化方向發展，電力系統中的智能終端將越來越多。

表1 智能物聯網終端的覆蓋率調查結果

當前，我國變電站在實際運行的過程中，現代化和智能化理念的提出給變電站建設工作的開展提出了更多的要求，變電站在進行各項運行維護工作的過程中需要利用現代化的智能設備、技術以及手段等對運行維護工作的開展進行操控。但是綜合分析智能變電站在實際運行過程中對于設備的部署還存在以下問題：

1）設備分布分散、安裝分散，沒有統一規劃。

2）通信和控制信道無連接，他們為單獨設置，每個應用系統都是單獨操作的。

3）各個信息系統之間不存在相關關系，缺少智能的推理和聯系的能力。

4）在運行中的設備很難得到及時的報警、實時的預報和監控，造成了設備的安全隱患，降低了運行效率。

5）未考慮實際和密集的改造和建設統籌，造成了智能終端設備的工作環境不穩定，造成了大量的傳輸信道資源的浪費。為更好地解決上述存在的問題，本研究將從物聯網技術的角度出發，將物聯網技術以及數據融合技術應用于遠程可視化智能變電站運行維護實施工作當中，幫助改善傳統變電站運行存在的問題，提升其整體運行維護工作的效率與質量。

2 基于物聯網技術的遠程可視化智能變電站運行維護實施思路

本實施方案采用智能電能表和傳感器，將組合變電站的工作參數和環境參數收集到智能數據采集終端，再通過GPRS 和無線傳輸，將數據傳送到工業云服務器，并采用云計算技術，對操作數據進行存儲和處理。其實施架構如圖1 所示。

圖1 遠程可視化智能變電站運維實施架構

2.1 數據采集層

數據采集層采取的是分布式采集方式，可以動態地展開采集工作。通過安裝傳感器和智能電能表，并在視頻圖像采集位置安裝相應的攝像機，與配電設備的管理和視頻監控相結合，實現可變運行參數的同時，還可以利用主機、虛擬器、存儲器和網絡等軟件，構建出“有線+無線”數據采集平臺，最終達到對變電站電力數據全覆蓋水平。智能儀表板上的數據以ModBus 協議為基礎，以無線通訊的方式將各輸變電裝置上的數據，傳送至智能化數據采集終端[3]。

2.2 數據處理層

數據處理層在實際運行的過程中通過在數據傳輸終端將所有的數據信息應用于其中，能夠將最終采集獲得的數據直接以傳輸的方式傳輸到指定的云處理中心當中，并將其存儲在云數據庫中，以便后續的查找和處理。

2.3 數據應用層

在數據應用層面本研究重點研究了基于工業云的變電所綜合管理系統的實現。在綜合變電所采集到的數據經過分析、處理后能夠很好地為組合式變電所提供狀態監測服務。同時，它還具有實時監控、運行統計分析、故障預警、實時視頻監控等多種功能，滿足了用戶的需求。

本研究提出的遠程可視化智能變電站運行維護實施方案不僅可以實現高效的在線運行、運維以及監督，還可以有效減少各人力資源的投入。

3 遠程可視化智能變電站運維平臺設計

將智能化的安全管控融入到變電站的整體工作過程中，用安全輔助手段對傳統的管控方式進行調整和變革，用智能化的計劃代替傳統的管控方式。為了實現遠程可視化智能變電站運行管理的智能化，就必須要對變電站進行動態監控，在此基礎上本文設計了遠程可視化智能變電站運維平臺。在線分析與處理是大數據分析的重要手段，它可以使多維度的數據共享與在線化。將大數據分析技術與變電站狀態數據監控平臺相結合，可以方便地實現對變電站狀態數據的存儲與分析。

融合大數據分析技術的變電站監測平臺結構，具體的變電站運維平臺設計如圖2 所示。

圖2 變電站運維平臺設計

根據存儲中數據維表與事實表之間的映射方式的差異，在在線分析過程中使用了分布式ROLAP 服務。當變電設備被大數據分析時，分布式ROLAP 服務中的Hive 會進行在線分析，而其變電設備數據則會被存儲在Hive 存儲表的目錄中。將元數據存儲在關系型數據庫MySQL 中，Hive 與MySQL 合作，分別控制其內部數據，共同完成對變電站數據的處理和分析[4]。在具體的應用中，使用者按照自己的需要，向使用者發出數據解析要求，并按照要求查閱數據庫中元數據和對應表格中所包含的相關信息。在具體的應用過程中使用者按照自己的需要，向使用者發出數據解析要求，并按照要求查閱數據庫中元數據和對應表格中所包含的相關信息。監控系統的數據以SCD 文檔的形式傳送到工作站。工作站能夠采集到變電所輔助系統中的溫度、濕度、風速、開關三相值、SF6、油溫、變壓器液位、繞組溫度等數據。同時，該工作站還可作為變電所內部系統的擴充使用。

4 實驗數據分析

4.1 實驗環境與數據樣本的選擇

在實驗中使用的是64 位的Windows 10，Visual Studio 2017 和OpenCY3.0。電腦的硬體環境是中央處理器；主頻率2.58 GHz，16 GB；利用Matlab 軟件建立了該系統的仿真模型。本研究以江蘇南瑞電網公司下屬的某變電站為研究對象，利用該數據庫對2019 年某變電站的運行狀況進行了分析，得到了10 856 個數據項。

4.2 物聯網技術的實驗數據分析

與傳統通訊方式相比，物聯網技術最大的優點是持續時間長。因此，本研究選擇的標簽芯片為英頻杰MonzaX-2k，該芯片可以通過二代UHF 物聯網的閱讀器與電子器件中的處理器實現無線通訊。基于英頻杰MonzaX-2k 將物聯網技術中的三種工作模式分別為休眠模式、接收數據模式、發送數據模式，并利用數字萬用表對數據包傳輸在不同周期中的損耗進行了測試，測試結果見表2。

表2 物聯網技術通信模塊損耗測試數據

分析表2 數據結果可以看出，遠程可視化智能變電站在1 min 內發送一個數據傳輸包，通訊模組的能量消耗很大，但是能維持很久。在1 h、1 d 的情況下物聯網通信模塊的能耗很低，可持續使用5~10 a。通過實驗結果證明了本方案設計的物聯網技術通信性能具有功耗較低，可用時間久的優勢[5]。

5 結語

本研究介紹了一種基于遠程可視化智能變電站綜合調度與等級化運維優化的方法。該系統通過建立一個統一的平臺，實現了運維所需要的數據采集、監測分析和運維管理的綜合功能，并將物聯網技術數據通信部分應用到其中從而提升了傳感器或電能表采集的各項數據的傳輸效率。利用大數據分析技術中的分布式ROLAP 服務，利用數據模型進行在線分析處理，確保了數據采樣的完整性，可以實現對變電站運維監測數據的更加精確化。