一種基于物聯網技術的變電站智能監控系統設計

袁 偉

(國網江蘇省無錫供電公司， 江蘇 無錫 214000)

電力系統安全穩定運行關系到人們的正常工作和生活，經濟的快速發展讓人們對電力的需求更高。互聯網發展背景下，電力系統逐漸走向智能電網方向、數字化和網絡化成為了必然發展趨勢。智能電網需要利用先進的傳感和測量技術以及信息通信技術，并與電網的基礎設施相結合，形成智能電網，讓自動化、信息化、環保成為智能電網發展的主要趨勢，智能電網可以對電網的運行狀態進行實時監控，即使在沒有人工干預的情況下也可以進行系統的自我修復，可以自行發現故障并進行處理，讓電網的運行效率得到大大提高。智能電網的發展意味著對安全性的要求更高，安全一直是首要關注的問題；同時也是電力設備的關鍵所在。變電站作為智能電網的組成部分，不僅是基礎的電力設備，更是電網的關鍵運行設備，在整個電力系統中起到紐帶作用。變電站電力設備的安全穩定運行是保證電力安全傳輸的重要因素之一。物聯網技術在時代的潮流下應運而生，旨在解決電力設備運行下所出現的監測問題。物聯網集獲取、分析、處理和反饋于一體，將物聯網應用在變電站智能系統建設中，是信息時代發展的必然結果。應用物聯網技術，通過物聯網技術感知外部世界，構建無線傳感器檢測網絡，實現對變電站設備運行狀態的全方位實時監測。

1 IEC 61850標準

IEC 61850標準采用面相對象的建模方法，同時采用統一的SCL語言進行配置，大大提高了標準的通用性。IEC 61850標準對數據的格式和標識符都進行了重新定義。采用IEC 61850標準的變電站，具有集成度高的特點，可以將各種電力設備數據統一整理，并上傳到后臺，減少了數據之間的差異性；最大的優勢就是減少了人工成本、物力成本和配置簡單，不需要專業的人員進行實施，提高了工程施工的效率。智能變電站采用IEC 61850標準，IED模塊化設計，不同的IED之間互不干涉，單獨安裝保護裝置更有利于對問題進行排查，大大提高了系統的穩定性。同時，更有利于故障的排查，且不需要對數據進行過多的分析，直接采用模塊化進行設計，可以直接發現問題并進行替換。分層設計方式讓不同的設備之間實現共享，讓智能變電站的配置使用更加靈活高效。IEC 61850標準定義的3層架構如圖1所示。

圖1 IEC 61850的3層架構Fig.1 IEC 61850 three-tier architecture

IEC 61850標準采用面向對象的方式進行數據建模。數據模型中包含了各種類，在創建實例過程中，可以從類中生成各種數據。數據模型中的類包含公共數據類型、設置控制類等，這些類也分為邏輯節點，如果在建模的過程中無法滿足邏輯節點的要求，就需要對模型進行拓展。IEC 61850標準將數據模型分為5個層次，自上而下為服務層、邏輯設備、邏輯節點、數據以及數據屬性。

2 物聯網相關技術

2.1 感知技術

感知技術分為傳感器技術和RFID技術。傳感器技術是物聯網中感知層的重要支撐技術之一，其組成結構如圖2所示。

圖2 傳感器組成示意圖Fig.2 Schematic diagram of sensor composition

傳感器種類多樣，如電力系統中常用的溫度傳感器、濕度傳感器、煙感傳感器、泄露電流傳感器等。通過敏感元件將測量到的物體情況，采用一定的轉換規律進行信號轉換，通過信息傳遞網絡的方式，將轉換的信號輸送到網絡的各個子系統中。

RFID技術是一種信息識別技術，通過射頻信號在不接觸到目標的情況下被并采集信息，在惡劣環境或者無人工干預的情況下也可以進行工作。RIFD技術由電子標簽、讀寫器、信息處理系統3部分組成。RFID會根據能量感知方式的不同，分為電感耦合系統和電磁反向散射耦合系統2大類。電感耦合系統電子標簽的組成簡單，使用單個微芯片就可以工作。電感耦合中，閱讀器會通過自身的天線線圈產生磁場，電子標簽通過磁場的影響會產生電壓U，為電感耦合中的微芯片提供能量；電磁反向散射系統發送方式為電磁波，電磁波以回波的方式發送信號，或者以不同強度發射，或者電磁波被消散或者吸收。讀寫器通過發射調制載波的形式，為電子標簽提供能量，從而達到提供數據的目的。讀寫器只會向電子標簽返回的信號發射調制載波。

2.2 傳輸技術

傳輸技術分為無線自組網技術和M2M技術。無線自組網技術與傳統的有線網絡不同，該網絡沒有基礎設施，自帶無線收發裝置節點構成的網絡。以多跳路由和無控制中心為主要技術，保證網絡拓撲結構的穩定性。無線自組網可以完全脫離互聯網進行單獨運行，針對一些網絡部署成本高的環境而言，可以采用無線自組網的方式進行設計。無線自組網結構如圖3所示。

圖3 無線自組網結構Fig.3 Schematic diagram of wireless ad hoc network

由圖3可知，無線自組網結構由6個站點組成，如果想要進行數據傳輸，、可以直接完成信息傳輸，無需通過站點進行轉換；但是和必須要通過站點才能夠實現信息的交換。這是無線自組網的特殊優勢，目的就是通過多次傳遞的方式達到信息傳輸的效果。

M2M技術的主要功能就是實現物體與物體之間的通信，還可以對數據進行交換。當前條件背景下，只有一些IT設備可以實現數據通信功能，其他沒有IT設備的機器不具備聯網功能；因此，物聯網技術需要實現機器之間的互相通信，需要用M2M技術。M2M技術包含從終端到網絡，再到其他各個層面的通信，具有多種類型。在M2M中，GSM/GPRS是最主要的遠距離連接技術，以802.11 b/g、Zigbee、RFID為近距離連接技術，還有GPS、無線終端等位置服務技術。M2M技術強調機器互聯，可以對數據進行自動上傳，無需人工干預。由于移動通信網絡不需要人工布線，大大節省了成本，在危險環境下也可以滿足通信需求。

2.3 處理技術

數據挖掘是一種對數據進行分析、處理的技術。從龐大的數據中找到需要的信息，并對數據進行關系整理；數據挖掘的流程如圖4所示。

圖4 數據挖掘過程Fig.4 Data mining process

物聯網數據與大規模、分布式、時間和位置有關，集中式數據挖掘不適用。分布式數據挖掘就是將復雜的問題簡單化，完成分解后可以降低運行難度，提高存儲能力。數據融合技術就是對多種數據進行信息處理和優化，輸出一種更符合用戶需求的數據。當前大多數物聯網的應用都需要通過大量的傳感器節點完成信息采集，因此，需要通過數據融合技術，將海量的信息進行整理，抽取出更多有效的數據；同時，還可以降低網絡數據的傳輸總量，提高網絡傳輸速度。

3 基于物聯網技術的功能變電站智能系統設計

3.1 總體方案設計

為了實現對智能變電站的智能管理，需要對站內的設備進行智能化設計。智能傳感網測控平臺是物聯網技術下的產物，主要功能是完成對站內實時狀態的監控，并在傳感測控平臺上搭建變電站系統，實現站內各個子系統之間的互聯互通。設計架構如圖5所示。

圖5 智能監測系統架構Fig.5 Intelligent monitoring system architecture

(1)集控站管理主機主要查收各個子系統設備的情況報告，一旦即子系統的設備發生異常，集控站主機會根據異常報告進行處理；

(2)站內主控機是整個系統的中心，對各子系統的運行數據進行管理，并評估設備的運行狀態，發現異常后啟動相應的應急方案；

(3)各子系統是根據物聯網技術所生成的子系統，可以感知設備的運行情況，匯聚數據，并執行站內主機的命令。

智能變電站主機系統主要分為站內主控機和集控站主機2大層，整個主機系統的構建都在這2層實現。站內控制主機采取統一建模的方式，將在線設備監測、保護測控設備以及計量電表進行模型標準化設計。在確保所有數據完整統一的情況下建立全景數據處理平臺，為子系統提供可兼容的信息訪問接口。站內控制主機系統結構如圖6所示。站內控制主機屬于站控層，通過以太網IEC61850與間隔層、過程層進行信息交流。

圖6 站內控制主機系統結構Fig.6 The structure of the control host system in the station

3.2 子系統方案設計

圖像監視與安全警衛

“四遙”目標的實現得益于電力系統自動化程度的提高，這些功能的實現為圖像監控及安全警衛子系統的設計奠定了基礎。圖像監控及安全警衛子系統可以對變電站中設備的情況進行實時監控，一旦出現問題立即發出警報，保證了變電站設備的安全穩定，為管理變電站提供了保障。該子系統的核心技術就是不失真的壓縮圖像，音頻、報警、控制等信號都可以與數字形成統一后發送到接口設備中，將數字信號轉換為模擬信號；這樣信息解壓后圖像數據也不會失真，從而完成對現場的實時監控。圖像監視與安全警衛子系統包括現場及通信設備、后臺監控2大硬件。攝像機可以選用模擬攝像機和網絡攝像機2大類，各有優缺點，根據對變電站的運行情況進行分析，選擇網絡攝像機是最佳選擇。對于站內的網絡攝像機，可以考慮采用光纖傳輸方式，保證數據傳輸的可靠性。

火災報警及消防

火災報警消防系統是讀取感溫感煙探測器，發現問題會立即發出信號；結合視頻設備，對位置進行定位，發出報警和撥打消防電話。為了防止火災蔓延，系統還會發出閉鎖信號，閉鎖風機控制器。火災報警及消防子系統結構如圖7所示。

火災報警控制器采用微機控制技術，聯網通訊接口采用RS-485，保證了通信網絡即使在遠距離的條件下依然可以傳輸信號。工作電源采用220 V/AC 50 Hz，溫度-10～50 ℃ 。

變壓器呼吸器在線監測

變壓器呼吸器位于油枕與空氣連接管的末端。當變壓器的內部發生油溫變化，油箱內的油會自動膨脹，油溫會升高或降低。油枕的內部會有呼吸器排除空氣，讓變壓器可以正常呼吸。在溫度不變時，呼吸器的呼吸情況不易發現，很難人為察覺，無法及時判斷變壓器的正常運行情況。因此，設計變壓器呼吸器在線監測子系統，可以及時發現變壓器缺陷并進行處理。變壓器呼吸器在線監測系統基本構成，如圖8所示。

圖7 火災報警及消防子系統Fig.7 Fire alarm and fire protection subsystem

圖8 變壓器呼吸器在線監測系統基本構成Fig.8 Basic composition diagram of online monitoring system for transformer respirator

設計思路是將速度傳感器采樣的空氣流量模擬信號轉換為數字信號，并存儲到單片機系統中，由單片機即系統對數據進行管理；同時預留出與PC機進行數據傳輸的接口，將測得的數據反饋給工作人員，實現對呼吸器的在線監測。

確定流經變壓器呼吸器的氣體體積大小，根據變壓器油溫的情況，確定變壓器內油的體積變化，得到油位上升下降的幅度，從而判斷油枕是否出現因金屬膨脹器導致的卡滯。為了保證流經呼吸器空氣微弱流量的正確監測，可以在呼吸器和防爆管中設置光電速度傳感器探針，對空氣流量進行數據采集。然后，在無強電磁干擾條件下，對設備的數據采集精度進行測試，通過比較后得到數據采集誤差在允許范圍內；最后對系統進行效果檢查，將空氣流量的速度設為、時間設為、面積設為，則空氣流量水平距離為；空氣體積為面積×，表示空氣流量水平距離。對變電站進行變壓器呼吸器在線監測子系統試驗，結果如表1所示。

表1 變壓器呼吸器在線監測子系統試驗結果Tab.1 Test results of online monitoring subsystem of transformer respirator

SF6泄露監測

SF6氣體無色無味，化學性質穩定，在變電站中，SF6主要功能是對高壓開關、設備進行絕緣操作；但在放電情況下，SF6會釋放有毒物質。隨著智能變電站的網絡化發展，電氣設備SF6氣體的含量監測越來越受重視。SF6泄露監測子系統的工作原理就是利用SF6對空氣中的氣體含量進行監測，將測得的SF6數值與氧氣進行比較，一旦發現數值沒有在此范圍內，會發出SF6監測異常警報，并開啟排放系統。為了保證工作人員的安全，當工作人員進入到設備內后，SF6泄露監測系統就會根據情況進行自動排風；滿足了電力配網自動化的需要，提高了系統運行的安全性。

溫度在線監測

在變電站中，溫度是一個非常重要的參數，是判斷設備運行是否安全的一個重要指標。當變電站在運行過程中，會受到設備制造工藝、自然環境的影響，設備的接觸電阻增大，會導致溫度升高。當溫度上升到不可控的范圍內時，設備的機械強度會下降，造成電氣設備的短路，對電網的安全運行是一個很大的隱患。溫度傳感器采用雙金屬片型光纖溫度傳感器，對傳感器的數據進行傳輸，內嵌監測儀，對數據進行控制。采用MAX45接口，保證信息傳輸的準確性。采用無線溫度傳感器，利用物聯網射頻識別技術，在線監測溫度，并將數據傳輸到后臺控制主機中。其工作原理是當溫度與其采集設備周圍的溫度超出范圍數據時，需要通過監測儀將采集的結果傳輸到控制主機中，后臺控制主機將反饋的溫度數據進行反饋。溫度在線IDE通過分析設備溫度與環境溫度的差值，啟動相應的命令，讓維修人員對設備情況進行處理。

4 結語

物聯網技術將各種供電和用電設備集成在一起，在智能電網領域中得到了廣泛應用和推廣。將物聯網技術應用到智能變電站的電力設備監測中，對于保障電力系統的穩定運行具有重要意義，對于提高變電站自動化水平具有實用價值。