基于物聯網的10kV變配電系統智能監控與管理分析

【關鍵詞】物聯網；10 kV變配電系統；智能監控管理；實施

引言

近年來，隨著我國社會經濟的高速發展，電力需求日益上升，對供電系統的運行質量和效率提出了更高的要求。在現代電力基礎設施領域，物聯網技術的集成，為加強關鍵系統的監控和管理提供了重要支持。因此，文章深入分析了物聯網在10 kV變配電系統智能監控管理中的應用。通過采用物聯網技術驅動的解決方案，電力企業可以對系統進行智能監控管理，從而主動解決故障問題，最大限度地減少停機時間，確保變配電系統的良好運行。

一、物聯網對于10 kV變配電系統的作用

物聯網是一個革命性的概念，指的是嵌入傳感器、軟件和其他技術的互連設備網絡，能夠通過互聯網收集和交換數據。這些設備的應用范圍涉及家用電器和可穿戴設備等，也包括配電系統中的變壓器等復雜的工業機械和基礎設施組件。物聯網的本質在于能夠實現這些設備之間的通信和數據交換，從而提高各種應用的自動化、效率和智能化。

現代電網是龐大且互連的網絡，管理如此復雜的基礎設施，需要采用先進的監控工具，才能夠從配電網中的各個點捕獲數據并進行實時分析。首先，電力系統可借助智能電表和其他監控設備獲取大量數據，對這些數據實時處理并提取可行的見解。其次，太陽能和風能等可再生能源的普及率不斷提高，增加了發電的可變性和不確定性。將這些間歇性能源整合到電網中后，為了保持電網的穩定性和可靠性，電力企業需要復雜的監控和管理機制。再次，電網運行容易受到各種干擾，包括自然災害、設備故障和物理攻擊。采取有效的主動監控和管理策略，能夠增強電網彈性，對于減少停機時間和確保服務連續性至關重要。此外，隨著電力需求的不斷增長，優化需求側管理對于平衡供需至關重要。與此同時，傳統的監控管理模式存在不足，所以需要探索實施更加科學的技術方法。

在10 kV變配電系統中，物聯網通過引入智能設備和傳感器，在改變傳統監控和管理實踐方面發揮著重要作用。基于物聯網的解決方案，能夠實時監控系統的運行狀態、性能指標和潛在問題，并為工作人員提供可操作的見解，從而優化系統性能并有效降低風險[1]。

二、基于物聯網的智能監控管理措施

（一）電力參數實時監測

各種電力參數的實時監測，對于保證10 kV變配電系統的高效運行和維護至關重要。利用物聯網傳感器連接，電力企業可以持續監控電壓、電流、功率因數、頻率和諧波失真等關鍵參數，從而強化變配電系統的智能監控管理。具體監測的內容包括以下五個方面。

1.電壓監測

安裝在配電網絡各個點的物聯網傳感器，可以實時測量電壓水平、監控電壓波動，有助于識別潛在問題，如電壓驟降、驟升或中斷等。這些問題會影響向消費者供電的質量。

2.電流監測

基于物聯網的電流傳感器可以測量流經配電系統不同部分的電流，通過監控電流水平，發現過載、短路或不平衡負載等問題，這些問題會導致設備損壞或系統故障[2]。

3.功率因數監測

功率因數是衡量電力傳輸和分配效率的關鍵參數。物聯網傳感器可以實時監控功率因數，并發現功率因數校正的機會，從而提高系統效率，并減少能源損失。

4.頻率監控

監控頻率與標稱值的偏差有助于檢測異常運行狀況，例如發電機或電網不穩定等。物聯網傳感器可以提供實時頻率測量，確保電力企業能夠采取糾正措施，從而保持系統穩定性。

5.諧波失真監測

諧波失真是指由于電氣系統中存在諧波，導致電壓或電流正弦波形失真的情況。配備諧波分析儀的物聯網傳感器，可以監測諧波失真水平，并識別潛在的諧波源，例如非線性負載電力電子設備等。

（二）使用物聯網傳感器進行故障檢測和隔離

故障檢測和隔離是管理10 kV變配電系統的關鍵方面，能夠最大限度地減少停機時間、防止設備損壞，并確保服務的連續性。物聯網傳感器在檢測故障、定位故障源和隔離受影響的組件方面發揮著關鍵作用。具體應用包括以下幾方面。

1.故障檢測

部署在整個配電網絡中的物聯網傳感器，持續監測電壓、電流、溫度和絕緣電阻等各種參數。當發生短路或接地故障等故障時，這些傳感器會檢測到異常情況并觸發警報。

2.故障定位

先進的故障檢測算法結合物聯網傳感器提供的空間信息，能夠準確定位故障源。通過分析從多個傳感器收集的數據，電力企業可以確定故障存在的確切位置——變壓器、開關設備、電纜或其他組件。

3. 故障隔離

一旦識別出故障源，基于物聯網的自動化系統可以自動隔離配電網受影響的部分，防止故障蔓延，并最大限度地減少對系統其他部分的影響。例如，配備物聯網連接的智能斷路器或重合器，可以跳閘或斷開網絡的特定部分，從而隔離故障區域，同時維持對未受影響區域的服務[3]。

（三）物聯網數據的分析、支持及預測性維護

利用物聯網數據分析，電力企業可以預測設備故障、確定維護需求，并主動優化維護計劃。通過分析部署在整個配電系統中的物聯網傳感器收集的大量數據，電力企業能夠識別出潛在設備故障或性能下降的模式、趨勢及早期指標，進而加強變配電系統的管理。具體應用包括以下幾方面。

1.狀態監測

物聯網傳感器通過測量溫度、振動、油質和絕緣電阻等參數，持續監控變壓器、斷路器、開關和電纜等關鍵部件的狀態。電力企業通過分析從這些傳感器收集的數據，可以評估設備的健康狀況，并檢測出潛在的惡化跡象或異常行為。

2.設備健康分析

物聯網數據分析平臺使用機器學習算法和預測模型，分析歷史數據，識別操作條件和設備故障之間的相關性，并預測未來的故障概率。通過分析負載狀況、環境條件、運行時間和維護歷史等數據，電力企業可以評估設備資產的健康狀況和剩余使用壽命，并相應地確定維護工作的優先級。

3.異常檢測

物聯網數據分析平臺采用異常檢測算法，識別系統與正常操作條件或預期行為的偏差。電力企業通過標記數據中的異常模式或異常值，就可以檢測需要進一步調查或干預的潛在設備故障與性能異常問題。

4.預測診斷

物聯網數據分析平臺通過關聯多個數據源，識別影響因素，提供設備故障或性能問題的診斷見解。

（四）實現集成自動化以提高問題響應速度

將自動化集成應用于10 kV變配電系統中，對于系統更快地響應問題和優化性能至關重要。基于物聯網技術和智能自動化的故障診斷解決方案，變配電系統可以自動執行日常響應任務，加快決策過程，及時采取干預措施來解決問題。具體應用包括以下幾方面。

1.自動故障響應

自動化集成可以快速檢測和響應配電系統中的故障或異常。物聯網傳感器持續監控系統是否偏離正常運行條件，如電壓波動、電流過載或設備故障等。當檢測到故障時，自動控制系統可以啟動預定義的響應操作，例如隔離網絡的故障部分，重新配置潮流，或激活備用系統，確保服務的連續性。通過自動化故障響應流程，系統可以最大限度地減少停機時間、防止級聯故障，并提高可靠性。

2.動態負載管理

自動化集成促進動態負載管理，有助于優化變配電系統設備和資源的利用率。通過持續監控負載狀況、需求模式和系統狀況，自動化控制系統可以調整負載的分配，在變壓器或饋線之間重新分配負載并優化電壓調節，實時匹配供應與需求。通過動態優化負載分配，系統可以提高運行效率，減少能量損失，增強整體性能。

3.預測性維護的優化

自動化分析物聯網數據，安排維護活動，有助于優化預測性維護策略。自動化數據分析平臺可以分析歷史數據、識別趨勢，并根據預定義的標準和算法預測設備故障或維護需求[5]。通過自動化維護計劃流程，電力企業可以優化資源分配，確定維護任務的優先級，最大限度地減少運營中斷，同時提高關鍵設備的可靠性和可用性。

4.自適應控制和優化

自適應控制和優化算法，能夠不斷調整系統參數和操作條件，響應不斷變化的需求、環境條件或系統動態。通過動態優化控制策略，自動化控制系統可以最大限度地提高系統效率，降低能耗，并在不同的運行條件下保持最佳性能。自適應控制算法可以學習以往經驗，適應不斷變化的情況，并實時優化系統性能，確保變配電系統的彈性和可靠性[4]。

三、智能解決方案的具體實施

（一）選擇合適的物聯網設備和傳感器

選擇正確的物聯網設備和傳感器，對于捕獲準確且相關的數據至關重要，要確保變配電系統監控和管理的有效性，主要考慮因素包括以下幾方面。第一，兼容性：確保所選設備和傳感器，與配電系統中使用的通信協議和網絡基礎設施兼容。第二，功能：選擇能夠高精度測量電壓、電流、溫度、濕度、電能質量等相關參數的設備和傳感器，同時設備應該具有無線連接、遠程配置和自診斷功能等附加功能。第三，可靠性和耐用性：選擇堅固、可靠且能夠適應系統環境中容易遇到的惡劣操作條件的設備和傳感器。它們應該具有堅固的外殼、寬工作溫度范圍，以及可靠性和耐用性認證。第四，可擴展性：確保所選設備和傳感器可以擴展，能適應配電系統未來的擴展或升級。為此，電力企業應當挑選那些能夠輕松融入現有基礎設施、模塊化設計且具備互操作性的設備，確保它們能夠根據實際需求進行無縫擴展。第五，成本效益：考慮總成本，包括前期采購成本、安裝成本、維護成本和持續運營費用。電力企業需要根據系統生命周期內的成本效益和投資回報，進行科學評估，并選擇適合的傳感器設備。

（二）安裝集成過程

物聯網設備傳感器在變配電系統中的安裝和集成，需要經過仔細的規劃、執行和協調，確保其運行的高效性和互操作性，關鍵步驟包括以下幾個方面。第一，進行全面的現場勘察，根據可訪問性、與關鍵組件的接近程度、覆蓋區域等因素，確定安裝物聯網設備和傳感器的最佳位置；然后制定詳細的安裝計劃，規定每個設備的安裝位置、朝向以及所應遵循的安裝標準等具體要求。第二，按照安裝規劃，安裝所選的物聯網設備和傳感器，保接線、接地和絕緣處理準確無誤，以最大限度地減少干擾并確保安全使用；同時，在安裝、連接和配置每個設備的過程中，應嚴格遵循制造商提供的指南及行業最佳實踐。第三，在物聯網設備傳感器與集中式數據收集管理系統之間建立連接，配置網絡參數，例如IP地址、子網掩碼和網關設置等，實現無縫通信和數據交換。第四，將物聯網設備和傳感器集成至數據管理系統，例如數據采集與監控系統（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）或云端物聯網平臺中。在此過程中，電力企業需配置數據采集協議、設定數據記錄及數據存儲參數，以確保數據的采集、存儲及傳輸過程既可靠又安全。第五，對于已安裝的物聯網設備和傳感器，電力企業需要進行徹底的測試和調試，驗證其功能、準確性和可靠性；執行診斷測試、校準程序和驗證檢查，確保每個設備的運行達到預期的性能標準。

（三）數據收集、存儲和分析方法

為了有效管理數據，電力企業需要做到以下幾點。第一，電力企業需要建立強大的數據收集機制，從分布在整個電力系統中的物聯網設備和傳感器中捕獲實時數據；實施數據采集協議，例如輪詢或事件驅動的數據采集，定期檢索數據或響應預定義的觸發器。第二，電力企業應選擇合適的數據存儲解決方案，確保能適應物聯網設備傳感器生成的數據量、速度和種類；在選擇本地數據庫、云存儲服務，或分布式文件系統等數據存儲選項時，要考慮可擴展性、可靠性、安全性和合規性要求等因素。第三，電力企業可以利用統計分析、機器學習和預測建模等先進的數據分析技術，從收集到的數據中得出可行的見解；開發算法和模型，以檢測數據中的模式、趨勢、異常和相關性，從而實現主動決策和預測性維護。

結語

電力能源是社會經濟發展的重要基礎，將物聯網技術集成到10 kV變配電系統的監控管理中，有助于實現系統的高效和可靠運行。通過優化物聯網設備的選擇、安裝，以及數據管理解決方案，電力企業能夠更好地利用物聯網技術，加強智能監控與管理，從而優化電力系統性能，提高供電的穩定性。