基于無線通信網絡的無人值守變電站遠程監控方法

鄭 磊 王 楠 陳 俊 廖 海 陳 茜

（貴州電網有限責任公司遵義供電局）

0 引言

電力供應是現代社會運行的基礎，對電力供應的可靠性和連續性要求越來越高。隨著自動化技術的不斷進步和應用，傳統的人工操作和監控方式逐漸不能滿足對變電站穩定運行和安全性要求的需求。無人值守變電站遠程監控方法的研究可以實現對變電站設備的遠程控制和監測，從而減少人力投入、提高操作的安全性和效率［1］。因此，尋求一種能夠實現遠程監控和管理的方法成為了必要。通過遠程監控，運維人員可以隨時隨地對變電站設備進行實時監測和管理，減少了對現場巡視的依賴，提高了運維工作的效率。可以及時發現和處理設備故障、異常情況，提前采取相應的維護措施，避免或減少停電和損失。為此，諸多學者對該方法進行了研究，如：位剛利用PLC和無線網絡對變電站遠程監控系統進行設計［2］。王志磊等人通過泛在電力物聯網研究變電站消防遠程集中監控系統［3］。但是上述方法在進遠程監控時，監控數據需要通過長距離的有線網絡或專用通信線路傳輸，這可能導致數據傳輸延遲和不穩定性，進而影響變電站監控的監控性能。

隨著無線通信技術的不斷發展，無線網絡的傳輸速度逐漸提高。現代無線通信網絡如4G、5G等提供了高速的數據傳輸，可以滿足大規模數據的實時傳輸需求。且無線通信網絡覆蓋范圍廣泛，可以實現較大范圍的通信和數據傳輸。為此，本文研究基于無線通信網絡的無人值守變電站遠程監控方法。

1 無人值守變電站遠程監控方法設計

1.1 基于無線通信網絡的變電站遠程監控采集

無線通信網絡是一種通過無線傳輸技術使設備和系統能夠進行無線數據交換和通信的網絡。無線通信網絡覆蓋類型可以分為區域覆蓋、點覆蓋和帶狀覆蓋三種類型。對于無人值守變電站遠程監控，無線通信網絡的覆蓋類型中較為適用的是區域覆蓋。區域覆蓋是指在一定范圍內建立一個無線通信網絡，覆蓋整個區域的通信需求［4］。具體如下圖1所示。

圖1 區域覆蓋結構

通過在無人值守變電站范圍內布置無線通信基站或設備，可以實現對各個設備的實時數據傳輸和遠程控制。上圖中的正四邊形布局可以實現全方位的覆蓋，所帶來的覆蓋效率值最大。以便運維人員遠程監控變電站的設備狀態、故障報警以及實施必要的操作［5］。

覆蓋程度是指所有通信節點能夠構成的覆蓋區域面積大小與待覆蓋區域面積大小的比例大小，能夠反映網絡覆蓋的覆蓋質量好壞，通常這個比值是小于1的，在待覆蓋區域被通信節點完全覆蓋后，比值等于或大于1。小于1說明待覆蓋區域未被完全覆蓋，大于1說明覆蓋區域存在網絡冗余，即有節點被通信節點多重覆蓋。表達式為：

式中，Si表示第i個通信節點的覆蓋范圍，N表示通信節點個數，A表示目標區域的面積。

所有的通信節點對待覆蓋區域的覆蓋區域的面積與所有的通信節點自身的覆蓋面積累加之和兩者之間的比值，為覆蓋效率。可以反映整個網絡的冗余程度以及覆蓋效果。表達式為：

在無人值守變電站監控中，混合感知模型可以通過融合不同類型的傳感器和數據源，獲取多方面的信息。無人值守變電站監控需要綜合考慮設備狀態、異常行為、環境變化等多個因素，而不同類型的傳感器可以提供各自特定的信息。混合感知模型可以將這些變電站監控數據信息進行整合收集，可以提高無人值守變電站監控的可靠性。

混合感知模型是將概率感知模型與布爾感知模型進行結合，將概率感知模型進行簡化處理，設定一個概率邊界，未達到概率邊界最小值時，使用0-1模型，超過概率邊界值時，依然使用概率感知模型，這種混合感知模型，在遵循感知能力隨距離增加而減弱的真實情況時，也將模型進行了簡化。混合感知模型的數學模型如下所示：

式中，Pth是概率最小邊界取值，R是感知半徑的等價值，當目標點到通信節點的距離小于R時，有pi(sj)≥Pth，在此情況下，則認為通信節點可直接感知到目標點。

基于上述內容實現基于無線通信網絡的變電站遠程監控模型構建，完成變電站監控數據信息的收集。

1.2 變電站遠程監控

根據上述混合感知模型收集到的變電站監控數據信息，進行變電站遠程監控。將收集到的數據進行格式轉換：

公式中，Xt表示監控數據規范格式；Xi表示收集到的變電站監控數據信息，其中i的取值為i=1，2，…，t，t表示監控時刻。將上述格式數據作為監控系統的輸出結果，進行遠程監控。

通過大數據分類算法對轉換后的變電站數據進行分類，按照數據特征明確變電站運行狀態屬于正常數據，還是異常數據。按照數據集中正常數據和異常數據的比例，在近鄰值中選擇多個數據與最初選取的正常數據進行對比，從而完成數據歸類，歸類公式δ為：

式中，k表示近鄰值，rand表示隨機函數。將上述分類算法作為監控預警模型的核心，通過對分類結果的擬合計算，提升預警數據的準確性，從而完成監控預警模型的整體設計。具體監控流程如下圖2所示。

圖2 監控流程

基于上述內容完成無人值守變電站監控研究。

2 實驗分析

2.1 實驗指標

變電站遠程監控數據傳輸完整性是指在數據傳輸過程中數據的保持完整、準確和無丟失的程度。完整性的高低直接影響到監控數據的可信度和有效性。表達式：

式中，S表示傳輸成功的數據量，T表示總數據傳輸量。傳輸成功率越高，說明數據傳輸的完整性越好。

變電站遠程監控的準確性是指監控系統對變電站設備狀態和運行情況的判斷和預測的準確程度。準確性的高低直接影響到監控系統的可信度和實際應用效果。表達式：

式中，TP表示正確判斷為異常的監控結果，TN表示正確判斷為正常的監控結果，FP表示錯誤判斷為異常的監控結果，FN表示錯誤判斷為正常的監控結果。

2.2 實驗結果

以無線通信網絡數據傳輸完整性為實驗指標進行對比測試，測試結果如表1所示。

表1 變電站遠程監控數據傳輸完整性

分析表1可知，隨著遠程監控數據量的增加，所提方法的遠程監控數據傳輸完整度由97%下降到93%，但始終高于90%。文獻［2］方法的遠程監控數據傳輸完整度最高僅為89，%且隨著遠程監控數據量的增加而進一步下降，最低時僅為82%。文獻［3］方法較文獻［2］方法的完整性更差，最高僅為79%。由此說明所提方法的遠程監控數據傳輸性能較優。這時由于本文采用區域覆蓋類型的無線通信網絡，可以在待覆蓋區域內建立多個通信節點，并使它們相互連接。每個通信節點都能夠監測和收集變電站的監控數據。

在對無線通信網絡數據傳輸完整性測試的基礎上，進一步驗證遠程監控的準確性測試，測試結果如圖3所示。

圖3 變電站遠程監控的準確性

分析圖3可知，所提方法隨著迭代次數的增加，監控的準確性的變化始終被控制在92%~97%范圍內。文獻［2］方法監控的準確性被控制在73%~87%范圍內，文獻［3］方法監控的準確性被控制在77%~83%范圍內，說明提出方法具有較好的監控性能。

3 結束語

人值守變電站遠程監控方法的研究可以實現對變電站設備的遠程控制和監測，從而減少人力投入、提高操作的安全性和效率。對此，本文提出了一種基于無線通信網絡的無人值守變電站遠程監控方法。實驗結果表明，所提方法的遠程監控數據傳輸完整度始終高于90%，監控的準確性始終被控制在92%~97%范圍內，表明所提方法能夠有效促進變電站的智能化管理和運維效率的提升。