基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

趙冬義，陸 爽，金羽喬，董宇馨

（1.嘉興恒創(chuàng)電力設計研究院有限公司，浙江嘉興 314000；2.國網(wǎng)嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷擴寬應用領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不僅可以提升信息領(lǐng)域的操作程度，還廣泛應用到變電站電力基建施工現(xiàn)場的遠程監(jiān)控領(lǐng)域中[1]。傳統(tǒng)變電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)長時間運轉(zhuǎn)后，會出現(xiàn)不同程度的問題，存在監(jiān)控自動忽略基建施工過程的危險因素，造成嚴重后果[2-3]。

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最超前的功能是通過數(shù)據(jù)信息傳感模塊，將基建施工現(xiàn)場與變電站運行網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)信息的實時交換，完成遠程基建施工現(xiàn)場的智能化定位、跟蹤，實現(xiàn)實時準確的監(jiān)測。因此，文中提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)硬件區(qū)域由DS20BB 數(shù)字溫度傳感器、芯片、USB 接口、節(jié)點控制器、電源組成，選擇DS20BB 數(shù)字溫度傳感器作為核心傳感器，同時提供電能輸送通道、通信通道，傳感器的3 個引腳。通過環(huán)境監(jiān)控模塊、動力監(jiān)控模塊以及運行監(jiān)測模塊實現(xiàn)軟件的設計。實驗結(jié)果表明：該文系統(tǒng)可有效提升變電站監(jiān)控效果，具有現(xiàn)實重要意義。

1 變電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

變電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)硬件是系統(tǒng)的核心部分，只有硬件區(qū)域的配置足夠高，才能承擔起大型變電站遠程監(jiān)控的運行，為遠程監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行提供保障[4]。該文設計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)硬件區(qū)域由DS20BB 數(shù)字溫度傳感器、芯片、USB 接口、節(jié)點控制器、電源組成。硬件區(qū)域結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 變電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)硬件區(qū)域結(jié)構(gòu)

不同型號的溫度傳感器在系統(tǒng)運行中會產(chǎn)生不一樣的運行結(jié)果，該文選擇DS20BB 數(shù)字溫度傳感器，此傳感器通過雙向通信完成變電站運行信息的收集，并且不需要借助其他設備可單獨完成通信。雙向通信方式是目前通信領(lǐng)域提出的新通信方式，是一種可提升信息運輸安全性的方式，避免變電站錯誤信息干擾所有信息[5-6]。另外，DS20BB溫度傳感器與其他硬件設備的接口連接簡單，但此傳感器對變電站的信息數(shù)據(jù)十分敏感，不易產(chǎn)生錯漏數(shù)據(jù)。DS20BB 溫度傳感器具有自帶的保護殼，如果檢測到變電站運行環(huán)境內(nèi)部溫度超過正常限定標準，則立即對數(shù)據(jù)進行獨立保存，保證變電站的安全[7-8]。

該文設計的傳感器包括3 個引腳，分別為接地、提供電能輸送通道、通信通道，其代表變電站運行的3 個區(qū)域，引腳數(shù)量越少，則傳感器接收信號越穩(wěn)定[9]。傳感器采集數(shù)據(jù)時電路原理如圖2 所示。

圖2 傳感器模擬電路示意圖

該文使用的芯片可以監(jiān)測變電站數(shù)據(jù)的整體運行情況，被廣泛地應用于各大硬件區(qū)域。該文應用的DF芯片在很小的電流下可完成一個周期的數(shù)據(jù)識別。DF芯片的復位零件在芯片的右下角25 μs 區(qū)域附近，此芯片提供硬件區(qū)域運轉(zhuǎn)速度為25 r/s，另外還具有較高的抗信號干擾能力，在變電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)運行過程中，芯片只識別相關(guān)性能的數(shù)據(jù)大小，判斷變電站的運行狀態(tài)。DF芯片具有3 個引腳，分別連同硬件區(qū)域信號的輸送、軟件與硬件區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸以及變電站硬件區(qū)域不同信號通道[10]。

硬件區(qū)域設計的USB 特殊接口連接的是網(wǎng)關(guān)微處理器和節(jié)點控制器，兩個區(qū)域是基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的變電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)硬件區(qū)域的主要設備[11]。USB 存在兩個接口，其中一個接口完成以上信息的傳輸，另一個接口作為替補接口，如遇特殊情況時使用。此USB 接口的運行電壓為3 V，接口傳輸效率高達1 436 GB/s，提高了變電站遠程監(jiān)控信息的傳遞，為突發(fā)事件的處理提供了有效時間。接口的引腳與PD芯片的引腳相連接，如果硬件區(qū)域的電壓值過高，會導致接口引腳與接地的引腳相連接，那么硬件區(qū)域與軟件區(qū)域的信息無法對接，導致設備停止工作，電路原理如圖3 所示。

圖3 硬件區(qū)域接口與芯片連接電路原理圖

硬件區(qū)域的電源型號為MAX176，該電源的規(guī)格為220 V 和380 V，可以輕松承載起變電站對基建施工現(xiàn)場的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的運行。為保證電源能輸出穩(wěn)定的電壓，該文采用TY41 材質(zhì)內(nèi)核，其電源輸出通過下列公式計算，即：

其中，Vout為輸出電壓，R1為電源電路串聯(lián)阻值。

根據(jù)不同遠程基建施工內(nèi)容，通過式（1）計算出R1的數(shù)值。R0的阻值固定為330 Ω，根據(jù)式（2）計算電源輸送過程中的電阻值，根據(jù)式（3）驗證該次電源輸出的電流是否滿足基建施工的電流要求，如果不滿足條件，需進一步改善電源的電流[12-13]。

2 變電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件的工作是完成變電站協(xié)助基建施工現(xiàn)場的遠程監(jiān)控，防止意外發(fā)生，基建施工現(xiàn)場主要包括礦井、公路、農(nóng)田水利、橋梁的施工過程。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件區(qū)域設計了3 個模塊，分別為環(huán)境監(jiān)控模塊、動力監(jiān)控模塊以及運行監(jiān)測模塊[14]。軟件功能框架如圖4 所示。

圖4 遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件區(qū)域功能框架

環(huán)境監(jiān)控模塊的工作是監(jiān)測基建遠程施工建筑情況，保證其施工環(huán)境的安全，為基建施工現(xiàn)場提供穩(wěn)定運行的基礎。環(huán)境監(jiān)控模塊由內(nèi)部溫度感知器、環(huán)境入侵報警器和突發(fā)自然災害監(jiān)測器構(gòu)成。

環(huán)境入侵報警器通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實時分析遠程基建施工現(xiàn)場的環(huán)境，查找是否存在除施工機器、器具以外的不明物體進入遠程監(jiān)控覆蓋的環(huán)境區(qū)域，一旦發(fā)現(xiàn)不明物體，立即發(fā)出報警信號，防止意外發(fā)生。突發(fā)自然報警器通過網(wǎng)絡的天氣預判，對監(jiān)控環(huán)境進行不同等級的自然災害預警監(jiān)測[15-16]

變電站遠程監(jiān)測系統(tǒng)軟件區(qū)域的動力監(jiān)控模塊提供基建施工設備的工作動力源，監(jiān)控遠程變電站的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測其是否具有正常發(fā)電動力的能力。在動力監(jiān)測模塊的監(jiān)測運行過程，通過實時采集基建設備的運行數(shù)據(jù)，對比遠程變電站發(fā)電電源的電壓電流和側(cè)電壓電流的比值，如果比值在正常運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，則遠程變電站的基建施工設備運行安全穩(wěn)定。

變電站運行輔助模塊是監(jiān)督基建施工設備穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，主要通過智能機器人實時現(xiàn)場巡邏、檢查，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能機器人監(jiān)測通過采集相關(guān)信號實現(xiàn)。在此過程中，工作人員提前向機器人錄入正常運行設備特有信號源，一旦機器人察覺到運行設備發(fā)出的信號源不正常，則立即向系統(tǒng)反饋，工作人員會調(diào)用遠程監(jiān)控系統(tǒng)反饋設備近階段運行數(shù)據(jù)，進行故障排查，完成遠程監(jiān)控操作。

3 實驗分析

在上述監(jiān)控系統(tǒng)設計后，集中收集系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)，以設計的系統(tǒng)為實驗對象進行系統(tǒng)功能檢驗，設置檢驗參數(shù)指標為：1）監(jiān)控圖像清晰度；2）信號接收完整度。

實驗以變電站為中心，選用物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議對監(jiān)控系統(tǒng)進行情景分層，分析不同情景下協(xié)議簽訂內(nèi)容。對變電站內(nèi)部高低壓開關(guān)進行控制，確保實驗過程中不會出現(xiàn)因電壓電流過大而導致的實驗中斷問題。

按照變電站輸入的電流與電壓信息加大對變電站周圍電流的處理力度，及時控制電流的走向。在穩(wěn)定電流走向后，輸入監(jiān)控參數(shù)，從顯示板中獲取監(jiān)控圖像信息，并根據(jù)控制后的信號數(shù)據(jù)，獲取監(jiān)控圖像清晰度對比結(jié)果，如圖5 所示。

圖5 監(jiān)控圖像清晰度對比

分析圖5 可以看出，該文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計的監(jiān)控圖像清晰度高于其他兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)。這是由于該文監(jiān)控系統(tǒng)在設計過程中針對系統(tǒng)硬件區(qū)域調(diào)整傳感器，時刻輸送需進行監(jiān)控的數(shù)據(jù)影像，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。根據(jù)不同的傳感角度分配傳感場景，同時加強場景分層處理，控制場景內(nèi)部信息，標記與變電站傳輸型號相似的監(jiān)控數(shù)據(jù)，提升整體監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控水平。當變電站產(chǎn)生異常信號時，預警系統(tǒng)將自動啟動，并將異常數(shù)據(jù)排除于監(jiān)控系統(tǒng)外，根據(jù)所需調(diào)節(jié)的系統(tǒng)信息，處理內(nèi)部監(jiān)控操作，并及時掌握異常信息的變動狀況，追蹤變動方向。連續(xù)采集異常信息，發(fā)送相同信息數(shù)據(jù)，并進行標記，避免后續(xù)系統(tǒng)產(chǎn)生相似異常數(shù)據(jù)。由此，獲取較為精準的變電站內(nèi)部系統(tǒng)數(shù)據(jù)，提升整體監(jiān)控圖像的清晰程度。

為進一步驗證該文系統(tǒng)的可行性，檢驗監(jiān)控系統(tǒng)的信號接收完整度，將變電站的電能輸送機制調(diào)整至正常狀態(tài)，并運行實驗審核程序，當程序緩慢運行時，檢驗監(jiān)控系統(tǒng)的信號接收狀況，獲取其信號接收完整度，實驗結(jié)果如圖6 所示。

圖6 信號接收完整度對比圖

根據(jù)圖6 可知，該文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)的信號接收完整度均高于其他傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)。這是因為該文監(jiān)控系統(tǒng)按照系統(tǒng)的基礎構(gòu)造進行軟件程序連接，在控制變電站的發(fā)電信號的同時管理與發(fā)電信號相似程度較高的電流數(shù)據(jù)。按照變電站的發(fā)電法對電流數(shù)據(jù)進行基礎性調(diào)節(jié)。在軟件程序中輸入初始過濾程序，保證軟件能夠在安全穩(wěn)定的環(huán)境下運行。避免系統(tǒng)傳感器因負載功率過大而導致的系統(tǒng)監(jiān)控失誤。并將變壓器的中心調(diào)控設備安裝至變電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流檢測空間中，強化調(diào)控設備的監(jiān)管力度，加大對被監(jiān)控對象的互聯(lián)網(wǎng)連接力度，及時控制物聯(lián)網(wǎng)信號輸入與輸出速率，時刻檢驗信號速率是否符合系統(tǒng)監(jiān)控標準。當產(chǎn)生不合格信號時，系統(tǒng)將清除該信號，直至監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部無不良信號的產(chǎn)生，僅剩余變電站發(fā)射的正常信號。據(jù)此增強監(jiān)控系統(tǒng)的整體信號接收完整度，獲取良好的監(jiān)控結(jié)果數(shù)據(jù)。

綜上所述，該文設計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控性能良好，能夠在不同的變電站環(huán)境下掌握電流變化情況，及時緩解變電站電力輸送壓力，實現(xiàn)對監(jiān)控系統(tǒng)的強化。

4 結(jié)束語

文中基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)硬件區(qū)域和軟件區(qū)域的設計，以基建施工現(xiàn)場的情況作為研究變量，準確分析各個軟件區(qū)域模塊的運行過程，對變電站輔助工作遠程基建施工項目進行實時監(jiān)控。實驗結(jié)果表明，文中設計的變電站監(jiān)控系統(tǒng)可對施工現(xiàn)場進行有效監(jiān)控，具有一定意義。