變電站智能測控系統(tǒng)設(shè)計與分析

遲 娜

（煙臺仲伯企業(yè)管理咨詢有限公司，山東 煙臺 264003）

雖然變配電站正逐步向高水平發(fā)展，并在開展階段性工作后引進(jìn)了自動控制、互聯(lián)網(wǎng)信息化以及設(shè)備集成等先進(jìn)的科技作為變電站運維管理的支撐，但是現(xiàn)階段電力系統(tǒng)管理的覆蓋面較小、統(tǒng)籌性較低，設(shè)備之間、設(shè)備與控制中心之間的信息交流方式還需要完善，當(dāng)面對突發(fā)狀況時，監(jiān)控系統(tǒng)的反應(yīng)速度較慢。雖然已經(jīng)對變電所和配電系統(tǒng)進(jìn)行綜合、自動化改造，但是仍然存在一些問題[1]。例如，當(dāng)電氣一次和二次設(shè)備與控制中心進(jìn)行信息交互時，一般都采用光纖有線的方式進(jìn)行通信，該方法費用較高且布線比較煩瑣，不易排除線路的故障。另外，其通信接口和通信協(xié)議也沒有固定的模式，沒有達(dá)到較高的信息化水 平[2]。電氣設(shè)備彼此之間沒有太多的聯(lián)系，就如同一個個孤立的小島，需要人工才能將其運行并建立連接。當(dāng)發(fā)生大量故障時，由于不能對其進(jìn)行自動處理，因此必須由專門人員進(jìn)行干預(yù)，才能將其恢復(fù)到正常的狀態(tài)。綜上所述，現(xiàn)階段的變電站測控工作存在自動化和智能化程度較低的問題[3]。因此，采用一種可靠的智能測控系統(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)變電站在運行中存在的問題，從而減少電力事故的危害，保證電力設(shè)備順利運行。

1 變電站測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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，實現(xiàn)了集成變電站環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、自動報警、智能處理、視頻監(jiān)控以及目標(biāo)識別等功能的目標(biāo)，可以對整個變電站進(jìn)行智能化、自動化管理[4]。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該文設(shè)計的變配電站運行環(huán)境智能測控系統(tǒng)由6個部分構(gòu)成，其目標(biāo)是對變電站環(huán)境中的溫度、濕度、SF6氣體濃度、水浸、燈光、局部放電以及目標(biāo)圖像等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)視和報告。設(shè)計該系統(tǒng)的目的是對變電所及配電網(wǎng)中的主要環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，并與執(zhí)行器進(jìn)行聯(lián)動作業(yè)[5]。子系統(tǒng)可以有效地收集各種環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點將其匯總并上傳到控制中心，確保控制中心可以實時、準(zhǔn)確地掌握變配電站運行環(huán)境的狀況[6]。為了保證系統(tǒng)設(shè)計達(dá)到預(yù)期效果，掌握系統(tǒng)基本架構(gòu)后，圍繞主控芯片設(shè)計系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、軟件功能，如圖2、圖3所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

2 變電站智能測控系統(tǒng)硬件設(shè)計

在系統(tǒng)LoRa 模塊中引入無線電接收裝置，該裝置采用TCXO 晶振，可以實現(xiàn)長距離無線數(shù)據(jù)傳輸功能。要求該硬件的有效頻率覆蓋范圍為200 MHz～1 000 MHz，無線電接收裝置引腳功能見表1。

表1 無線電接收裝置引腳功能說明

采用溫濕度傳感器芯片檢測變電站溫度、濕度。要求溫度測量范圍為-40 ℃ ～+125 ℃，相對濕度測量范圍為0%～99%。采用I2C 通信協(xié)議接口[7]。在通信方面，利用CRC 校驗產(chǎn)生器可以提高數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性、可靠性，以滿足不同的要求。溫濕度傳感器芯片檢測的溫度如公式（1）所示。

式中：T為溫濕度傳感器芯片檢測到的溫度；ST為溫度輸出信號二進(jìn)制碼。

利用公式（1）得到的溫度參數(shù)不會受分辨率的影響。同理，將濕度輸出信號二進(jìn)制碼代入公式（2）就可以得到相對濕度。

式中：RH為溫濕度傳感器芯片檢測的濕度；SRH為濕度輸出信號二進(jìn)制碼。

在該文的測控系統(tǒng)中設(shè)計電源既要考慮效率，又要考慮經(jīng)濟(jì)性，而且輸出必須具有一定的抗干擾能力。該文設(shè)計的電源模塊采用降壓開關(guān)變壓器芯片，輸出范圍為0.8 V～4.5 V，能夠連續(xù)輸出2 A 的穩(wěn)定電流，限流保護(hù)和過溫保護(hù)的效果較好。電源模塊的輸入為12.0 V 直流電，輸出為3.3 V 直流電[8]。該系統(tǒng)中的傳感器采用有限RS485 的方式進(jìn)行通信和下載更新程序。RS485 為半雙工通信方式，根據(jù)總線接口的電氣特性表示邏輯信號“0”和“1”，采用差分信號傳輸方式，有助于抑制噪聲信號。

3 通信協(xié)議選擇

星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的整體可靠性更強(qiáng)，更適用于該測控系統(tǒng)中傳感器設(shè)備類型狀況。在通信協(xié)議中，通過FDMA 區(qū)分業(yè)務(wù)信道和控制信道，利用TDMA 將時間平均劃分為小時隙，將相同時長的小時隙分配給不同的傳感器。每個信道都需要完成劃分時間、配置時間參數(shù)的任務(wù)。不同時間參數(shù)類型及對應(yīng)時長見表2。

表2 不同時間參數(shù)類型及對應(yīng)時長

4 傳感器誤差補償算法計算

要對傳感器誤差進(jìn)行補償，就需要對小波軟閾值進(jìn)行去噪處理。結(jié)合時間和頻率2 個不同尺度，分別在時域和頻域內(nèi)對信號進(jìn)行正交小波分解，以獲取小波系數(shù)。通過時間窗使小波能夠在時間軸上進(jìn)行平移，從而突出信號局部和整體特征。假設(shè)閾值為λ，新的小波系數(shù)如公式（3）所示。

式中：wλ為新的小波系數(shù)；w為通過正交小波分解得到的小波系數(shù)。

通過小波逆變換的方式重構(gòu)小波系數(shù)，以解析有效信號。如果隨機(jī)變量X服從一個期望為μ、標(biāo)準(zhǔn)差為σ2的正態(tài)分布，那么X滿足（μ～σ2）的關(guān)系，根據(jù)這一關(guān)系對傳感器誤差進(jìn)行補償。將采集的測量值輸入高斯過程回歸數(shù)學(xué)模型中，得到更接近真實值的擬合結(jié)果，從而對測控誤差進(jìn)行補償。

5 智能監(jiān)控算法設(shè)計

高清相機(jī)獲取的人臉圖像多為彩色，這些彩色圖像中蘊含豐富的信息量，但是并不適用于采用人臉識別技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)檢測。此外，灰度圖像還可以代表整幅圖像的亮度等級分布特征，因此要對彩色面部圖像進(jìn)行灰度化，只保留容易識別特征的圖像信息，這樣可以提高識別效率，減少后續(xù)處理的計算量。圖像灰度化是指三路彩色圖像中原有的RGB 色彩模式被轉(zhuǎn)換成單路灰度圖，其實質(zhì)是一種灰度值矩陣。R、G和B分別對應(yīng)紅色、綠色和藍(lán)色，其取值為0～255。灰度圖像上的每個像素點在0～255 變化，它代表圖像的亮度信息，通過對不同點之間亮度的差異進(jìn)行分析，就能識別面部輪廓。灰度轉(zhuǎn)換的函數(shù)如公式（4）所示。

式中：Grey為灰度轉(zhuǎn)換函數(shù)；R、G和B分別為RGB 值。

在測控系統(tǒng)中，防護(hù)檢測器主要以Pycharm 和Python 軟件為基礎(chǔ)，它的工作流程如下：將采集的圖像送入訓(xùn)練好的Yolo5.n 模型中進(jìn)行檢測，對圖像中的人體和防護(hù)安全帽進(jìn)行識別。如果識別失敗，就繼續(xù)進(jìn)行圖像采集。如果識別成功，就會進(jìn)入置信度判斷。該文設(shè)置的置信度閾值為0.3，當(dāng)置信度大于0.3 時，就會輸出結(jié)果；當(dāng)置信度小于0.3 時，就會返回，繼續(xù)進(jìn)行圖像采集。

6 系統(tǒng)測試

搭建測試平臺檢驗該系統(tǒng)在實際應(yīng)用中是否能發(fā)揮預(yù)期的效果。在測試平臺中，將各類傳感器上電，并通過數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點與主機(jī)進(jìn)行無線通信，以前端監(jiān)控主機(jī)作為控制中心的核心管理設(shè)備，集成各種環(huán)境參數(shù)顯示報警。

在完成測試平臺的搭建工作后，使用該系統(tǒng)測試無線通信的準(zhǔn)確率，設(shè)定測試環(huán)境溫度為22 ℃，測試環(huán)境濕度為50%～60%，測試信號的發(fā)射信號為433 MHz。在規(guī)范環(huán)境下測試系統(tǒng)報文上傳、下發(fā)的準(zhǔn)確率，在測試過程中，將無線通信距離作為變量，將不同距離下傳感器的報文收發(fā)準(zhǔn)確率作為檢驗指標(biāo)，結(jié)果見表3。

表3 不同距離下傳感器的報文收發(fā)準(zhǔn)確率

在完成上述測試后，對系統(tǒng)的運行過程進(jìn)行安全測試，測試結(jié)果見表4。

表4 系統(tǒng)運行過程中的安全測試

7 結(jié)語

變電站是新時代智能電網(wǎng)中不可或缺的一部分，有效管理變電站的工作環(huán)境是確保變電站安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。變電站多位于邊遠(yuǎn)山區(qū)，所處自然環(huán)境復(fù)雜，各種電氣設(shè)備須長時間滿負(fù)荷運行。由于傳統(tǒng)變電站沒有對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行有效監(jiān)測，且視頻監(jiān)控的智能程度較低，因此在一定程度上給變電站的生產(chǎn)環(huán)境帶來了嚴(yán)重的影響。為了保障變電站的運行安全，管理單位建立嚴(yán)格的電氣設(shè)備檢修制度，在每年或每季選擇數(shù)個工作日，由員工對變電站運行設(shè)備進(jìn)行逐一檢查、排查。截至目前，雖然已有了一定的研究成果，但是仍然不能及時地反映電力系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)。

該文設(shè)計相關(guān)系統(tǒng)并對系統(tǒng)進(jìn)行測試，得出以下結(jié)論：由不同距離下傳感器的報文收發(fā)準(zhǔn)確率、系統(tǒng)運行過程中的安全測試結(jié)果可知，該系統(tǒng)中的傳感器基本可以在＜1000m 條件下對報文信息進(jìn)行高精度無線傳輸；同時，系統(tǒng)中的各個傳感器與硬件設(shè)備均通過了安全測試，說明根據(jù)該文設(shè)計的方法進(jìn)行測試系統(tǒng)開發(fā)可以提高系統(tǒng)運行的可靠性、連續(xù)性和穩(wěn)定性。