物聯網技術下的變電站通信分布式直流電源遠程監控研究

趙 旭

（國網河北省電力有限公司石家莊市鹿泉區供電分公司，河北 石家莊 050200）

0 引 言

利用多種互聯網技術，能夠實時獲取各個電源的工作狀態和參數信息。一旦發現異常情況，能夠迅速作出響應，并借助遠程控制功能及時修復[1]。傳統方法通常依賴模擬信號檢測，然而這種方式容易受到外界干擾，進而引發數據不準確的問題。在電力系統的監控中，傳統方法的數據傳輸速度相對較慢，難以實現電源的實時狀態監控。更為關鍵的是，這些方法通常缺乏足夠的安全防護措施，容易受到外部攻擊和干擾，導致監控結果難以達到預期效果[2]。因此，以變電站通信分布式直流電源遠程監控為研究對象，運用物聯網技術，結合實際情況進行測試與分析。

1 變電站通信分布式直流電源遠程監控

1.1 利用物聯網技術獲取直流電源數據

針對變電站通信分布式直流電源，采用物聯網智能感知的方式，實時采集數據[3]。利用射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）標簽提高數據采集速率，并通過傳感器節點的協同工作感知網絡狀態，以多種報表形式展示直流屏的歷史運行數據。直流電源設備通過RJ45 接口與智能無線通信設備相連，能夠將從直流供電設備接收到的數據轉換為標準的傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）數據包，經過通用分組無線服務（General Packet Radio Service，GPRS）網絡傳遞給遠程監控中心[4]。監控中心通過分析歷史數據在特定場景中的特征約束，能夠求解出設備的約束節點。設定節點為P0，進一步轉換其坐標，便可得到具體的誤差函數。通過計算前一個節點之間的偏移量，確定了轉換矩陣的中心位置。通過計算馬氏距離最小值，最小化偏移量結果。計算公式為

式中：λmin為馬氏距離最小值；e(·)為誤差函數；T(·)為轉換函數；ymin為最小偏移量。通過累積求和的方式對結果進行近似展開，并得到多個列向量。隨后，將這些列向量進行拼接，從而得到了具體的直流電源數據[5]。要想使用采集到的數據，必須對直流電源數據進行數據清洗。在數據清洗過程中需要對異常值進行處理，采用Z-score 方式，將超過一定閾值的直流電源值定義為異常值，并在數據清洗過程中去除這些超過閾值的異常值。計算公式為

式中：z為經過超閾值去除處理后的數據；x為原始數據；μ為數據平均值；σ為數據標準差。通過將數據轉換成Z-score 的形式，將數據映射到標準正態分布中進行數據清洗，對每個數據點進行轉換，并將Z-score 轉換為原始數據量綱[6]。同時，需要對數據進行濾波處理來消除數據中的噪聲問題，使得提取到的數據具有較高的純凈度。根據數據特性進行分析，并將數據進行正則化處理。運用最值的方式，將數據變換到[0,1]。消除不同量綱對數據分析的影響，使得數據之間具有可比性。最值的處理公式表示為

式中：xmin、xmax為數據中的最小值與最大值。

1.2 計算直流電源內阻值

通過物聯網技術采集到的直流電源電壓和電流數據，可以用于計算電源的輸出電阻[7]。在監測過程中，可通過分析蓄電池的內阻值數據來評估其監測效果。在理想情況下，設定蓄電池的內阻為R，當蓄電池的電池容量和內阻呈線性關系時，可使用蓄電池內阻的大小來判斷蓄電池正常運行的狀態。在電池進行化學反應的過程中，由于離子濃度差所產生的內阻相對較小，并且這種內阻并不會隨著電流大小的變化而發生改變。在穩壓電源的應用中，可采用直流分組放電法計算蓄電池的內阻值。為了消除充電器對測量結果的影響，將整個電池組分成若干段，采用分時分段測量，通過比較各段內的阻值來確定電池的電量變化趨勢。設定在放電過程中每個單體電池的電壓相等，根據歐姆定律，蓄電池內阻的計算公式為

式中：ΔU為每個單體電池的電壓；I為放電電流。在實際應用中，為了減小測量誤差，通常需要進行多次測量并取平均值。在放電過程中，同時記錄每節電池的放電曲線，并確定其電壓降，每隔5 s 測量一次電池的內阻。為了保持放電電流的恒定，采用恒流負載作為放電設備，確保即使電壓發生變化，放電電流也能保持穩定。在某些特定情況下，負載能夠根據電池的電壓調整放電電流，從而有效利用電池能量。此外，通過精確控制溫度來防止電池在放電過程中出現過熱現象，同時根據實際放電電流來進行放電操作，避免電池損壞。

1.3 分布式直流電源遠程監控

結合蓄電池內阻值的變化過程，對分布在各地的直流電源進行實時監測。在蓄電池的整個生命周期中，內阻值會隨著使用時間的增長而逐漸增加。通過實時監測蓄電池的內阻值，可以及時發現電池性能的異常變化。當內阻值突然大幅度增加時，意味著電池內部存在故障。因此，需要對分布式直流電源的故障問題進行遠程監控。假設充電電流為Ia，由于蓄電池采用串聯連接方式，蓄電池單體自放電會產生一定的阻抗(R1+R2)，連接回路中的電壓值為

式中：R1為蓄電池自身的電阻；R2為單體阻抗。由于(R1+R2)能夠引起蓄電池單體電壓變化，將其作為放電阻抗的理論模型。在實際運行中，變電站蓄電池組長期運行在浮充狀態，所以需要遠程監控單體電池的電壓不均衡問題。設定蓄電池的額定電壓為Uk，當蓄電池出現過充現象時，其在浮充電狀態下會持續累積電荷，導致原本電壓較高的蓄電池電壓進一步升高，而電壓較低的蓄電池電壓則不斷下降，從而形成一個惡性循環。為了有效管理這種情況，需要計算蓄電池的過充電壓。單體電壓值的計算公式為

式中：UT為參考電壓；Ra、Rb、Rc為充電電路的參數。計算電池的單體電壓值，并與設定的閾值進行比較，當Ut＞Up時，表示分布式直流電源處于正常充電狀態；當Ut≤Up時，表示分布式直流電源處于過充電狀態，需要立即斷開開關。

2 實驗測試與分析

2.1 搭建實驗環境

設計變電站直流電源遠程監測系統，采用Microsoft Visual C++ 2008 軟件系統開發平臺，實時顯示直流電源系統的主要參數，根據數據獲得開關工作狀態。主處理器采用Cortex-M3 內核，內部擴展總線采用高可靠性的現場總線，使得通信速率為1 Mb/s。將現場采集到的信息通過局部網（Local Area Network，LAN）接口傳輸到服務器，可直接連接到光纖局域網。采用光耦發射器作為遠程控制信號輸出，安置內阻放電設備，通過采樣技術確保電流調節更加穩定。具體的實驗環境配置如表1 所示。

表1 實驗環境配置

在監控計算機上打開直流遠程監控系統，建立物聯網通信網絡，將路由器和網關連接至互聯網，并配置網絡參數。在實驗準備階段，將分布式直流電源安裝在變電站內的指定位置，并連接好電源線和數據線。通過RE414 接口將監控模塊與分布式直流電源連接起來，確保電池處于正常工作狀態。

2.2 結果與分析

設置5 個電池組，并命名為A ～E。在開始實驗之前，需要對電池進行充電或放電預處理，使其能夠達到穩定狀態。測試并記錄遠程監控過程中各個電池組的當前內阻值，結果如圖1 所示。

圖1 內阻值監控結果

由圖1 可知，針對這5 個電池組，計算了監測到的當前內阻值與出廠內阻值之間的誤差，發現各個小組的內阻值誤差均小于0.1%，這表明監測達到了較高水平。說明運用本文監測方法能夠精確測量和監控直流電源的內阻值，實時反映內阻值的變化情況。

為驗證監測方法的實用性，監測分布式直流電源的放電容量。接入預定負載設備，啟動放電；實時監測電流、電壓等關鍵參數，數據傳輸至遠程監控中心；記錄電源狀態變化，放電至設定容量時結束，記錄電流、電壓值。根據監測數據，得到電池組的電壓電流情況如表2 所示。

表2 電池組的電壓電流情況

由表2 可知，對5 個電池組的放電容量進行計算，得到5 個小組的放電容量均在1.2 Ah，其結果與初始設定的放電容量結果一致。說明運用本文監測方法能夠達到較高的監測準確性。

綜上所述，本文運用變電站通信分布式直流電源遠程監控方法，通過實時在線測量內阻以及實現電池電壓的遠程均衡控制，使得各項數據均滿足監測要求。通過監測方法的應用能夠預防分布式直流電源的過充，使得電源的電壓和容量值能夠處于均衡狀態。

3 結 論

本次研究從變電站通信分布式直流電源遠程監控入手，對基于物聯網技術的變電站通信分布式直流電源遠程監控進行研究。通過應用該監控方法能夠實時監測電源的工作狀態，對異常情況做出快速響應，并通過遠程控制進行修復，有效減少了因設備故障導致的電力中斷事故。但是文章方法還存在不足，今后應更加完善計算。通過物聯網技術，可以實時獲取各個電源的工作狀態和參數，實現對電源的遠程監控和智能管理。