配電房智能監控系統的研究

曹 雷，陳素惠

（1.廣州南方電力集團科技發展有限公司，廣東 廣州 510000；2.廣州市天匯通信科技有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

現代社會對電力的依存度越來越高，傳統粗放、低效的能源管理方式已難以滿足當前需求，迫切需要更高效、更合理的智能化運維方式來保障電力的可靠供應。

在傳統的配電網管理中，配電房主要通過人工值班確保設備正常運行，成本高，安全可靠性差，實時性低，長期存在由于環境因素導致設備處于非正常工作狀態、浸水、易爆氣體超標、盜竊、高溫引起設備絕緣損壞等問題。特別是在春季濕度較大的地區，配電房內電氣設備內外溫差較大，凝露嚴重，導致電氣設備內部場強分布不均，易引起局部放電。特別是早期運行的半絕緣開關柜，受產品設計、潮濕環境、粉塵污染等因素影響，極易產生局部放電，嚴重時發生閃絡擊穿現象，嚴重影響供電可靠性和運行人員安全。

本文基于配電房現狀進行調研分析，根據實際情況提出智能配電房的解決方案，利用現代最新的計算機技術、網絡技術、圖像技術、安防監控和防盜報警、智能環境綜合監控技術，對配電房進行智能監控系統的開發設計，用數字化技術逐步代替人工巡檢，完成對配電房的日常監控管理工作。

1 系統構成

配電房智能監控系統包括配電房環境監控平臺、數據通信系統、智能化監測單元、智能化執行單元4個部分[1]。

1.1 配電房環境監控平臺

終端將采集的數據初步處理后通過網絡傳送到監控平臺，平臺將設備狀態信息在平臺上具象化顯示出來，便于管理人員直觀、準確地獲取相關信息，發現和排除隱患。

平臺與終端設備通過擬定好的規約將數據進行分類，并實時上傳。平臺將上傳的歷史數據進行智能分組，通過大數據、邊緣計算等手段對數據進行不同維度的分析，完成設備狀態統計、故障分析、供電可靠性統計等，并生成圖表供運維人員查詢。當發現設備存在影響運行的嚴重故障時，平臺會通過短消息、郵件等方式通知管理人員，以便采取相應的處置措施。

平臺可以通過對設備使用情況進行階段統計，完成對不同設備的使用、維護和保養建議，使運維管理人員有針對性地安排維護工作。當出現影響運行安全的緊急情況時，平臺可下發遠程控制命令完成區域斷電、分合閘操作，防范事故的發生與蔓延。

1.2 數據通信系統

智能配電房監控系統包含有智能網關。物聯網解決方案基于Zigbee（LoRa）、4G等無線通信技術，實時采集配電房內設備運行的相關參數等。

1.3 智能化監測單元

智能化監測單元包含各類數字、模擬量設備和特定功能的傳感器，主要涉及兩方面內容：

（1）用于配電房整體安全的視頻攝像頭、防盜報警裝置和進出門禁系統；

（2）用于配電房內運行安全的溫度傳感器、濕度傳感器、變壓器測溫傳感器、開關柜局放檢測傳感器、水禁傳感器、SF6/臭氧/氧氣傳感器等。

1.4 智能化執行單元

執行單元與配電房整體安全設備聯動進行人員識別，保證只有經過系統認證的人員才能進出配電房開展相關維護工作。

智能除濕空調設備在監測到溫濕度超標時，將配合智能百葉窗進行溫濕度調節。

2 系統詳細設計

2.1 總體目標

配電房智能監控系統應實現對配電房內部環境、電氣設備運行狀態的實時監測、上傳和異常狀態下的特定控制功能，保證配電房安全高效運行。系統應完成對各類監測數據的收集、傳送、分析和存儲功能，并具備數據處理能力，為后期決策提供數據支撐，為量化考核提供依據。

2.2 系統架構

配電房智能監控系統由應用層、云平臺、通信層和終端單元組成。云平臺通過通信網絡獲取終端設備數據，并將數據交由應用層進行分析處理[2]。

應用層完成視頻監控、現場環境監控、設備運行統計、APP、遠程控制、告警、遠程控制、維修管理以及大屏展示等功能。

云平臺設置接口、采集、數據、應用、流媒體以及移動等服務器節點，支撐系統運營。

通信層數據通過電力專網或公網加密傳輸，使云平臺與終端單元建立可靠的數據鏈路，為系統數據分析提供支撐。

終端單元由各類監控設備、傳感器和智能監控終端組成，實現環境量采集、安防監控、局放等狀態量實時采集，并與室內空調、智能百葉窗、攝像頭等智能執行設備聯動控制，實現配電房遠程無人智能化運維管理。

2.3 整體功能

配網運維管理平臺結構如圖1所示。

圖1 配網運維管理平臺結構圖

2.3.1 環境狀態量的監測

通過對室內環境（溫度、濕度）、危險氣體（SF6/臭氧/氧氣）、危險狀態（火災、浸水、非法入侵）等環境狀態量的采集和上報，以及空調機、風機等設備的控制管理，配合擴展設備實現預警聯動，實現對配電房運行環境的實時在線監控和告警。通過完整的數據監控與分析，逐步實現電房智能巡檢[3]。

2.3.2 電氣設備工作狀態的監測和預警

通過采集室內電氣設備（變壓器、開關柜、配電柜、配電終端等）的溫度、局放數據，結合預警系統實現電氣設備異常狀態告警，實現對電氣設備的實時在線監測。

2.3.3 實現對設備的全生命周期管理

通過電子標簽對設備進行編號建檔并錄入系統，通過智能化監控平臺將設備信息、運行狀態、維護記錄進行關聯，形成完成的設備全生命周期記錄。核對設備全生命周期的運行質量、運維成本，用于指導資產投資、設備選型以及績效考核等，提高資產全生命周期內的使用質量。

2.3.4 實現配電房的智能運維

通過電子標簽、電子運維表格、遠程視頻等，指導運維人員有針對性地開展配電房運維工作，并根據設備狀態評價結果、綜合數據分析以及運維矩陣，確定設備年度運維等級及其運維策略的過程，合理調度搶修資源，高效指揮搶修工作開展，實現綜合數據的智能分析、搶修高效管理、智能運維策略管理等智能運維管理。

2.3.5 滿足綜合管理和競爭性業務擴展的需求

配電房智能監控系統基于物聯網和大數據技術具有豐富的數據接口，同樣適用于充電樁、智慧路燈、智能小區等領域，同時結合智能化監控平臺具備數據整合和分析能力，具有廣闊的應用前景。

3 研究創新點

在傳統的配電自動化技術基礎上，大膽引進并融合新型傳感器、云計算、大數據、物聯網和人工智能等新技術，使得產品功能更加智能化、網絡化與數字化。

3.1 實現配電房環境的實時監測與控制，營造良好的電房設備運行環境

利用物聯網技術和新型傳感器技術，實現了配電房的溫度、濕度、運行噪聲以及有害氣體等環境參數的實時采集，并通過控制環境調控設備，將各項指標控制在標準范圍內，實現了配電房環境智能監測與控制，為配電設備創造了一個良好的運行環境，從而確保設備可靠運行

3.2 實現配電房各類電氣設備的運行狀態檢測，提前發現設備故障隱患

利用局放傳感器直接檢測+臭氧氣體密度間接監測，分析判斷設備是否產生絕緣性能下降和局部放電等故障。通過檢測房內SF6氣體是否泄漏、開關柜或變壓器溫度是否異常等，全面監測各類設備的運行狀態，提前發現和排除設備故障隱患，有效防止情況惡化并導致運行故障產生，有效降低設備故障率。

3.3 實現入侵監測、身份鑒權、安全帽監測、電子圍欄，有效保護運維人員安全

通過視頻技術、人工智能識別技術對運維人員的身份進行識別和鑒權，并識別是否做好穿戴安全帽工作服等勞動保護措施。同時，在高壓設備附近或其他危險區域設置電子圍欄等，對發現的危險操作進行告警，有效防止人身安全事故發生，保護運維人員的生命安全。

3.4 實現傳感器設備電源智能化管理，保障各類傳感器設備長期穩定運行

電源管理單元具備完善的輸入過壓、抗接地故障、輸出過流或短路、過壓、溫度異常等效保護功能，備用電源具備無縫切換、智能監測管理等功能，可保障各類傳感器設備長期穩定運行。

3.5 實現傳感器通信協議的規范化，有效保障各類傳感器可靠工作

當前市面上的傳感器協議眾多，給開發和應用造成了極大不便。通過調研分析對通信協議進行規范整合，使得不同傳感器和物聯網網關之間的通信更加簡單、協調與可靠。

3.6 產品設計標準化、典型化，適于批量化生產、安裝和維護

產品設計時需充分考慮不同電房配置各異、現場環境多樣化的特點，在電源、端子排等組成單元均采用典型化、標準化設計，并且充分考慮后續功能擴展等需求，便于現場施工接線和安裝調試。

3.7 產品環境性能和防護和抗干擾能力強，可靠性高

電力自動化設備由于工作在惡劣的工況下，對設備電磁兼容設計和安規設計通常要求采用比其他工業設備更高的IV級，而產品充分借鑒了配電自動化終端的設計要求和經驗，有效保證了產品符合惡劣環境下的適應性和電磁兼容特性，確保在現場可長期可靠運行。

3.8 產品可擴展性強，發展潛力大

產品具有良好的擴展潛力，還支持配置便民充電接口、智能路燈、智能垃圾箱以及無線局域網等，依托配電房延伸涉電服務實現“智能電房服務智慧城市”。

4 經濟效益分析

4.1 合理延長設備使用壽命，節約建設成本

傳統的配電房巡檢方式存在兩大問題：一是維護不及時；二是無法評估不同設備的運行狀態，只能定期整體保養或整體更換。

電網公司每年通常都要做預防性試驗，一般5年檢修、10年大修。檢修主要針對銹蝕、老化等設備進行替換。大修主要針對開關柜、變壓器等主要設備進行停電檢測和關鍵部件、整機替換。大修不會等到設備完全故障停用才進行，而是按照既定的大修時間（如10年）對設備進行換新。這種換新方式可保障配電房主要設備在下次大修前可靠運行，一定程度上消除了事故隱患，但增加了建設成本。

通過配電房智能監控系統，可以從整體上分析設備的運行狀態，對設備的使用壽命進行分類，在保證運行可靠性的同時，延長部分設備的使用壽命，降低建設成本。

4.2 由人工定期巡檢過渡到智能化監控為主、人工巡檢為輔，大幅降低運維成本

目前，人工巡檢存在問題發現不及時、巡檢針對性不強、效率低、巡檢質量無法量化考核等問題。通過配電房智能監控系統可以實時發現各種隱患并實時上報，并結合數據分析，及時高效地排查解決隱患并形成記錄。

5 結 論

通過在配電房中安裝智能監控系統可提高配電房的安全性和可靠性，以減輕工作人員的工作負擔，這對保障配電房的安全穩定運行具有重要意義。