一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)

摘 要：當前智能變電站的總體結(jié)構(gòu)分為“三層”（站控層、間隔層、過程層）和“兩網(wǎng)”（站控層網(wǎng)絡、過程層網(wǎng)絡）。其中，間隔層采用了高精細度的數(shù)據(jù)采集和分析方法，充分應用現(xiàn)代信息技術(shù)，使得變電站的運檢效率大幅提升，即將步入第三代智能變電站時代。文中設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能變電站總體監(jiān)控方案。首先對變電站總體結(jié)構(gòu)進行了詳細描述，然后通過梳理物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，充分挖掘物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對于智能變電站的作用，在智能變電站中設計溫濕度測控系統(tǒng)、SF6氣體測控系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)3個子系統(tǒng)，對智能變電站的各類數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控。該系統(tǒng)實現(xiàn)了變電站的一體化監(jiān)控、可視化總體展示、故障診斷及預警等多項功能，為當前的新型智能變電站建設提供了參考。

關(guān)鍵詞：智能變電站；傳感器技術(shù)；網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；傳輸節(jié)點；報文分析；無線傳輸

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）01-00-04

0 引 言

電力系統(tǒng)中，變電站是不可或缺的關(guān)鍵部分，其承擔著電能的調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換以及重新分配和調(diào)度的重要任務，對整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和經(jīng)濟效益提升有著極為重要的作用。智能變電站作為新型電力系統(tǒng)的重要組成部分，在傳統(tǒng)數(shù)字化變電站的基礎(chǔ)上，充分利用了信息技術(shù)的優(yōu)勢，進行了一系列技術(shù)革新。隨著能源形態(tài)的不斷演進，智能變電站持續(xù)融合新技術(shù)，在網(wǎng)絡架構(gòu)、信息傳輸、設備功能以及應用模式等方面實現(xiàn)了進一步的升級與迭代。

近年來，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，智能變電站在原有功能基礎(chǔ)上，采用了先進的傳感技術(shù)，對設備狀態(tài)參量、消防安全、環(huán)境條件及動力系統(tǒng)等進行全面而細致的采集。通過深度應用現(xiàn)代信息技術(shù)，形成了狀態(tài)全面感知、信息互聯(lián)共享、人機友好交互、設備診斷高度智能、運檢效率大幅提升的智慧變電站，也就是第三代智能變電站[1]。這些智慧變電站應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深入感知外部世界，構(gòu)建起無線傳感器檢測網(wǎng)絡，實現(xiàn)對變電站設備運行狀態(tài)的全方位實時監(jiān)測。當前，越來越多的學者開始對智能變電站進行深入的研究和探索，文獻[2]提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能變電站模塊化設計方案；文獻[3]介紹了一種針對變電站不同位置節(jié)點的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集運維管理系統(tǒng)；文獻[4]提出了一種采用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡傳輸協(xié)議對智能變電站數(shù)據(jù)進行傳輸與分析的方法；文獻[5-7]則探討了智能變電站二次系統(tǒng)通信鏈路的優(yōu)化以及故障定位系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，為智能變電站的穩(wěn)定運行提供了技術(shù)支持。

1 智能變電站概念

智能變電站的“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)的核心在于“三層”結(jié)構(gòu)，包括過程層、間隔層、站控層，如圖1所示。

過程層設備包括了電壓/電流互感器、合并單元、智能終端等與一次設備相關(guān)聯(lián)的設備，用于實現(xiàn)變電站二次設備模擬量采樣、開關(guān)量輸入和輸出、操作命令的發(fā)送和執(zhí)行等相關(guān)功能。

間隔層設備包括了線組保護裝置、母線保護裝置、安控裝置、PMU、故障錄波裝置、保護設備在線監(jiān)視與診斷裝置、網(wǎng)絡報文記錄與分析裝置等。間隔層設備處于過程層與站控層之間，收集對應間隔過程層設備發(fā)送的實時數(shù)據(jù)信息，通過網(wǎng)絡傳輸給站控層設備，同時接收站控層設備發(fā)送的指令，實現(xiàn)實時運行數(shù)據(jù)和操作命令的上傳下達。

站控層設備包括監(jiān)控主機、五防主機、PMU集中器、網(wǎng)絡安全監(jiān)測裝置、保新子站、電能量采集終端、輔助網(wǎng)關(guān)、綜合應用服務器、操作員站、工程師工作站和計劃管理終端。站控層設備提供變電站設備運行的人機交互界面，完成對間隔層和過程層設備數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析和管理，實現(xiàn)對全站設備的監(jiān)視、控制、預警，并實現(xiàn)與上級調(diào)度中心的信息交互。

站控層網(wǎng)絡包括站控層中心交換機和間隔交換機，全部通過光纖連接成物理網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)站控層設備和間隔層設備之間的信息交互。其中，站控層中心交換機連接數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機、監(jiān)控主機、綜合應用服務器、數(shù)據(jù)服務器等設備，間隔交換機連接間隔內(nèi)的保護、測控和其他智能電子設備。站控層網(wǎng)絡集成了MMS、GOOSE、SNTP等多種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，這些協(xié)議在同一網(wǎng)絡上并行運行，共同實現(xiàn)了全站數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字化、網(wǎng)絡化和共享化。

2 物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)

當前變電站的建設與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多個方面緊密相關(guān)，智能變電站作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云平臺深度融合的創(chuàng)新成果，充分利用各類數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)變電站的智能運維管理，推動了變電站向智能化、集成化和標準化方向發(fā)展，并借助多維信息對站內(nèi)二次系統(tǒng)的狀態(tài)進行全面評估。智能變電站能夠?qū)崿F(xiàn)變電站的一體化監(jiān)控、可視化總體展示、故障診斷及預警等多項功能。

2.1 感知技術(shù)

變電站感知層由多種傳感器裝置和各種網(wǎng)絡組成，通過各種傳感器對底層邊緣端數(shù)據(jù)進行感知記錄，完成信息的采集、測量、控制等，主要包括電能質(zhì)量傳感器、電流電壓互感器、線路溫度傳感器、環(huán)境溫濕度傳感器、光強傳感器以及各種無線傳感器。傳感器工作原理如圖2所示。通過測量敏感元件的屬性數(shù)據(jù)，采用固定的方式進行信號的轉(zhuǎn)換，再通過網(wǎng)絡節(jié)點將數(shù)據(jù)輸送到各個對應的子系統(tǒng)中，對各種數(shù)據(jù)進行感知、識別和捕捉，傳感器收集的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過匯總后，進行綜合的分析與運用，以便及時發(fā)現(xiàn)設備中的潛在隱患和故障。基于這些分析結(jié)果，可以安排相應的維護和檢查措施，從而確保變電站的安全穩(wěn)定運行[8-9]。

2.2 傳輸技術(shù)

傳輸技術(shù)主要通過構(gòu)建數(shù)據(jù)節(jié)點來執(zhí)行無線傳感器的數(shù)據(jù)采集、傳送和處理等工作，通過網(wǎng)關(guān)設備與外網(wǎng)連接，將無線傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶終端上，進而實現(xiàn)遠程控制和管理。無線自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括以下4類節(jié)點：

（1）傳感器節(jié)點在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中承擔著數(shù)據(jù)采集的職責，其在各個監(jiān)測區(qū)域被隨機部署，這些節(jié)點能夠主動配合形成一個分布式的網(wǎng)絡系統(tǒng)，節(jié)點之間能夠交換數(shù)據(jù)，并且最終將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點。

（2）匯聚節(jié)點在物聯(lián)網(wǎng)中的作用主要包含2個方面：一方面是將傳感器節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)用有線的方式傳輸記錄在電腦終端；另一方面是將傳感器節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)通過無線的方式先發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點，然后通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送給管理節(jié)點。

（3）網(wǎng)關(guān)節(jié)點是物聯(lián)網(wǎng)的控制中心，具備數(shù)據(jù)通信、處理和存儲的能力，但不具備傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集能力。網(wǎng)關(guān)節(jié)點采用無線通信的方式，接收來自監(jiān)測區(qū)域匯聚節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，再通過有線或無線通信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至外部網(wǎng)絡的用戶管理節(jié)點。

（4）管理節(jié)點也就是物聯(lián)網(wǎng)管理者使用的計算機終端或大型服務器。管理者通過管理節(jié)點接收來自網(wǎng)關(guān)節(jié)點或管理節(jié)點直接上傳的數(shù)據(jù)信息，及時對反饋數(shù)據(jù)信息進行高效監(jiān)測、處理和匯總，并實時下發(fā)監(jiān)測任務。

2.3 處理技術(shù)

智能變電站主要對獲取到的信息流報文進行分析，特別是在發(fā)生故障時，會對這些報文進行詳細的解析處理等，以確定通信鏈路故障類型。智能變電站中，負責測量和控制業(yè)務的報文主要包括GOOSE報文、SV報文和MMS報文。在當前的信息化網(wǎng)絡架構(gòu)下，智能變電站的自動化體系將信息流作為載體。其中，SV信息流主要包括電壓、電流的采樣值等，GOOSE信息流主要包括站內(nèi)的閉鎖跳閘以及保護自檢信息等，MMS信息流是站內(nèi)繼電保護定值修改的依據(jù)[10]。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能變電站監(jiān)測系統(tǒng)

變電站的智能監(jiān)測系統(tǒng)是指由硬件和軟件組件組成的監(jiān)測控制生態(tài)系統(tǒng)。智能測控系統(tǒng)以各種不同功能的傳感器終端為監(jiān)測單元，以低功耗無線傳輸為信息交換方式，整合了環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、自動報警、智能處理、視頻監(jiān)控、目標識別等功能，充分滿足了主觀的設計需求和客觀的測控需要，能夠?qū)崿F(xiàn)變配電站的智能化和自動化。

3.1 總體方案設計

系統(tǒng)的硬件和軟件整體結(jié)構(gòu)分別如圖4和圖5所示。

本文設計的變電站運行環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括3個子測控系統(tǒng)，分別為溫濕度測控系統(tǒng)、SF6氣體測控系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)，功能是對溫度、濕度、SF6氣體體積分數(shù)、水浸等參數(shù)進行監(jiān)測并及時上報。設計目的是為了實時掌握變電站和配電房內(nèi)的主要環(huán)境參數(shù)，并且與執(zhí)行單元實現(xiàn)聯(lián)動操作。各子系統(tǒng)可以有效地對各種環(huán)境參數(shù)進行采集，再通過數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點進行匯總并上傳到控制中心，確保控制中心實時準確地掌握變配電站運行環(huán)境的情況。如果環(huán)境參數(shù)發(fā)生異常，智能監(jiān)測系統(tǒng)可以在沒有人為干預的前提下進行自動報警和智能處理。在數(shù)據(jù)通信方面，采用基于LoRa的低功耗無線傳輸模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點和傳感器終端間的數(shù)據(jù)交換。控制中心也可以通過數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點下載程序到底層的傳感器終端，實現(xiàn)遠程更新傳感器終端軟件程序，或者下發(fā)指令到執(zhí)行單元，實現(xiàn)對執(zhí)行單元的控制。

智能變電站的管理主機主要負責查收各個子系統(tǒng)設備的情況報告，一旦子系統(tǒng)的設備發(fā)生異常，主機會根據(jù)異常報告進行處理；站內(nèi)主控機是整個系統(tǒng)的中心，對各子系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進行管理，并評估設備的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常后啟動相應的應急方案；各子系統(tǒng)是根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所生成的子系統(tǒng)，可以感知設備的運行情況，匯聚數(shù)據(jù)，并執(zhí)行站內(nèi)主機的命令。

3.2 子系統(tǒng)模塊

3.2.1 溫濕度測控系統(tǒng)

變電站運行環(huán)境中濕度是非常重要的環(huán)境參數(shù)，當室內(nèi)的濕度過高時，常常會發(fā)生凝露現(xiàn)象。凝露現(xiàn)象是在某一相對密閉的空間中，環(huán)境空氣濕度較大，當水蒸氣達到飽和狀態(tài)或者環(huán)境溫度到達露點溫度時，水蒸氣液化形成露水。凝露產(chǎn)生的露水會在電力設備的表面與灰塵作用，降低設備的絕緣性能，從而導致爬電、短路現(xiàn)象發(fā)生。電力設備如果長期處于這種高濕度的環(huán)境中，會損害機械結(jié)構(gòu)強度，縮短使用壽命。因此需要在變電站、配電房的各個位置設置溫濕度傳感器，監(jiān)測環(huán)境參數(shù)并上傳數(shù)據(jù)，同時需要記錄歷史溫濕度數(shù)據(jù)，形成可視化的數(shù)據(jù)曲線，方便工作人員隨時查詢分析。當檢測溫度值和濕度值不在設定的閾值區(qū)間時，系統(tǒng)會及時發(fā)出越限警報并且自動與執(zhí)行單元聯(lián)動，使環(huán)境參數(shù)回歸正常值。該系統(tǒng)在一定程度上降低了運維人員的工作強度，工作人員也可以有針對性地進行問題排查和檢修工作。

3.2.2 SF6氣體測控系統(tǒng)

SF6氣體是在電力行業(yè)廣泛使用的一種惰性保護氣體，是理想的絕緣保護介質(zhì)。SF6氣體在常溫常壓下，其物理特性穩(wěn)定，沒有顏色和氣味，密度較大，即使在450 ℃的高溫條件下也不會分解。其主要物理特性如下：

（1）滅弧效果理想。在交流電弧放電燃弧時，SF6可以以極快的速度轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體。一方面是因為SF6作為惰性氣體自身具有超強穩(wěn)定性，所以不易分解；另一方面是因為SF6具有強負電性，氣體中的負電子與電弧的正電子互相抵消，從而導致電弧的電子數(shù)量快速降低，達到快速滅弧的目的。

（2）易于導熱。SF6氣體的熱傳導和對流散熱性能強，可以有效地把電弧的能量傳導出去，避免設備發(fā)生火災。

SF6氣體傳感器主要被部署在充滿SF6氣體的GIS電力設備中。變電站將變壓器、電纜等重要的電力設備置于密封管道并充盈SF6氣體，主要目的是為了減少局部放電現(xiàn)象。但是SF6氣體存在泄漏的風險，并且這種氣體對人體具有一定的危害，在配電室等密閉空間中的危害尤為嚴重。SF6氣體體積分數(shù)較高的情況下會導致人體呼吸困難，甚至窒息死亡。除此之外，SF6氣體對生態(tài)環(huán)境也有一定的潛在危害，容易導致“溫室效應”。因此，需要對GIS電力設備中的SF6氣體體積分數(shù)進行監(jiān)測，實時掌握空氣中SF6氣體體積分數(shù)。當監(jiān)測到SF6氣體體積分數(shù)超過設定的閾值時，測控系統(tǒng)進行越限報警，并且自動啟動排風機進行換氣動作，降低空氣中SF6氣體體積分數(shù)。同時，工程人員可以立即排查漏氣點并采取補救措施，將危害降到最低[11]。

根據(jù)以上分析，在本設計中引入了SF6氣體測控系統(tǒng)，通過SF6氣體傳感器來檢測空氣中SF6氣體的體積分數(shù)，根據(jù)現(xiàn)實需求設定氣體體積分數(shù)的閾值，當SF6氣體體積分數(shù)超過閾值時，測控系統(tǒng)可自動發(fā)出警報，提醒工作人員采取措施。測控系統(tǒng)還可以與排風機進行智能化聯(lián)動，當SF6氣體體積分數(shù)超過閾值時，測控系統(tǒng)可以自動啟動排風機；或者在每日固定的時間，智能測控系統(tǒng)自動開啟排風動作，比如在工作人員早晨工作之前進行15 min的換氣通風；也可以定時向工作人員播報空氣中的SF6氣體體積分數(shù)。

3.2.3 圖像監(jiān)控與安全警衛(wèi)

隨著計算機CPU處理速度的加快，數(shù)據(jù)的傳輸和存儲方式也變得更加先進，智能監(jiān)控技術(shù)逐漸成為變電站安防體系中必要的一環(huán)。變配電站內(nèi)出于施工或者設備檢修的需要，有大量人員進出。傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)中需要依靠人工進行監(jiān)控、分析，智能化程度和工作效率低下。而引入智能監(jiān)控系統(tǒng)后，通過計算機搭載的人工智能算法自動抓取、分析、識別、記錄、比對目標圖像，大大節(jié)約了人力成本，提高了工作效率。因此智能監(jiān)控系統(tǒng)在變配電站工作人員的生物識別認證和人身安全保障方面起到了很大的作用，間接地維護了變電站的運行環(huán)境平穩(wěn)。

本文設計的智能監(jiān)控系統(tǒng)主要由圖像采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊組成，能夠通過高清攝像頭采集目標圖像，利用無線模塊傳輸圖像數(shù)據(jù)，再由服務器處理圖像數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)特征并上傳至數(shù)據(jù)庫。智能監(jiān)控系統(tǒng)的框圖如圖6所示。

4 結(jié) 語

本文設計智能變電站監(jiān)測系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用到變電站監(jiān)測的各個方面，通過完善各方面的數(shù)據(jù)采集管理子系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能變電站的全方位數(shù)據(jù)監(jiān)測。本文的研究能夠為當前的新型智能變電站建設提供一定的參考。

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