基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站運(yùn)行環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測方法

周仲強(qiáng)，李夢宇，韓銘雪，劉學(xué)超，張?jiān)迄i

（國網(wǎng)臨沂供電公司，山東 臨沂 273300）

0 引 言

變電站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測是其工作中不可缺少的一環(huán)[1]。通過自動(dòng)化手段，在變電站的主要設(shè)備和關(guān)鍵部位布置大量的傳感器、信號(hào)采集器以及攝像頭等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，采集與變電站運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)的信息。通過電力通信網(wǎng)絡(luò)將采集的信息傳遞到站控中心和遠(yuǎn)端的調(diào)度中心，運(yùn)用無人機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測變電站的運(yùn)行環(huán)境[2]。目前，控制中心和遠(yuǎn)端調(diào)度中心已配備變電站運(yùn)行狀態(tài)分析軟件，可以實(shí)時(shí)分析變電站的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)分析的結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警、調(diào)控等指令，并通過電力通信網(wǎng)絡(luò)將調(diào)控指令傳遞給變電站的智能開關(guān)和各類控制設(shè)備。同時(shí)，通過自動(dòng)化運(yùn)維，降低人工操作的風(fēng)險(xiǎn)。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站運(yùn)行環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測

1.1 采集變電站環(huán)境運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)

在監(jiān)測變電站運(yùn)行環(huán)境時(shí)，需要獲取精準(zhǔn)的溫度、濕度、水位以及油位等信息。利用基于射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）的具有短距離通信功能的智能器件進(jìn)行信息采集，實(shí)時(shí)捕獲監(jiān)測對(duì)象的相關(guān)狀態(tài)指標(biāo)數(shù)據(jù)。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集端的短距離通信特性，巡檢人員配備的智能手持終端可以在一定范圍內(nèi)直接讀取標(biāo)簽信息。此外，采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠提高信道利用率，通過基站與互聯(lián)網(wǎng)相連，進(jìn)一步擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，在變電站運(yùn)行時(shí)可以采集到更多的信息。

變電站運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測還需要從前置機(jī)中獲取變電站環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)。前置機(jī)包含多種類型的設(shè)備，如聲音采集前置機(jī)、圖像采集前置機(jī)、環(huán)境溫濕度采集前置機(jī)、油位水位采集前置機(jī)以及風(fēng)量采集前置機(jī)等。這些前置機(jī)通過通信網(wǎng)絡(luò)將采集的環(huán)境信息傳輸?shù)阶冸娬经h(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。由于采集的數(shù)據(jù)種類和類型存在較大的差異，變電站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要對(duì)這些環(huán)境量進(jìn)行相應(yīng)的處理，以便后續(xù)的存儲(chǔ)和分析[3]。

在采集溫度、濕度等數(shù)據(jù)時(shí)，以微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）等嵌入式芯片作為核心，接收高精密的傳感芯片所采集的控制柜內(nèi)和柜外的溫度、空氣濕度等信息。MCU 微處理器將溫度、濕度等信息以數(shù)字量的形式進(jìn)行濾波、剔除干擾數(shù)據(jù)等處理，然后通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將環(huán)境信息實(shí)時(shí)傳送到變電站控制中心[4]。通過計(jì)算得到溫度、濕度變化率，實(shí)現(xiàn)變電站控制柜的溫度與濕度調(diào)節(jié)。

1.2 建立變電站環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫

采集完變電站環(huán)境運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)后，需要結(jié)合數(shù)據(jù)庫軟件建立變電站環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫。采用經(jīng)典的SQL Serve 數(shù)據(jù)庫，其具有較好的兼容性。設(shè)計(jì)原理是根據(jù)變電站環(huán)境監(jiān)控自動(dòng)化的使用需求，分配對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)權(quán)限。為減少數(shù)據(jù)使用的交叉和混亂，避免使用權(quán)限過大的管理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，根據(jù)各個(gè)具體數(shù)據(jù)庫的屬性，分配對(duì)應(yīng)的權(quán)限限制在該數(shù)據(jù)庫的開發(fā)中。在開發(fā)數(shù)據(jù)庫時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在開始階段就設(shè)計(jì)好相應(yīng)的存儲(chǔ)空間，避免后期設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)空間不足而需要擴(kuò)展的情況。如果需要對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修改，應(yīng)使用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫查詢語言的統(tǒng)一接口進(jìn)行修改，避免隨意修改導(dǎo)致后續(xù)設(shè)計(jì)混亂。在數(shù)據(jù)傳輸方面，采用IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)變電站的數(shù)據(jù)通信。搭建環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫基本架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫架構(gòu)

1.3 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測報(bào)警

利用環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫獲取變電站相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)后，與預(yù)先構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)比，實(shí)時(shí)確定當(dāng)前的環(huán)境狀態(tài)。將物聯(lián)網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后利用監(jiān)測數(shù)據(jù)庫分析變電站實(shí)時(shí)采集的各種環(huán)境參數(shù)，并通過這些環(huán)境參數(shù)來評(píng)估變電站及其設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。一旦分析出變電站及其設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常情況，就需要及時(shí)通過報(bào)警模塊發(fā)出預(yù)警[5]。

由于變電站環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)主要是溫度、濕度以及水位等較為簡單的數(shù)據(jù)，文章采用閾值評(píng)定法來進(jìn)行變電站環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)警。當(dāng)采集的變電站環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)超出合理的閾值范圍時(shí)，變電站進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測過程中將發(fā)出預(yù)警。根據(jù)變電站環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)超出閾值的程度，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行相應(yīng)程度的預(yù)警。超出閾值的程度越大，預(yù)警的嚴(yán)重程度也越大。根據(jù)系統(tǒng)告警的嚴(yán)重程度，由運(yùn)行管理人員完成對(duì)報(bào)警信息的處理。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

為了實(shí)時(shí)有效地調(diào)節(jié)現(xiàn)場環(huán)境并最大限度保障設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要在現(xiàn)場環(huán)境中布設(shè)多個(gè)傳感器末端，以全面保障變壓器的平穩(wěn)運(yùn)行過程。具體而言，需要布置2 個(gè)油溫傳感器、1 個(gè)溶解氣體傳感器以及2 個(gè)繞組式溫度傳感器，還要為當(dāng)?shù)胤烹娺^程和放電區(qū)域預(yù)留實(shí)驗(yàn)口。此外，被屏蔽電流傳感器需采用避雷器作為基本使用單元進(jìn)行全面配置，至少配置1 個(gè)。所有變壓器都需要至少配備1 臺(tái)在線監(jiān)測設(shè)備，避雷器的配置應(yīng)與電壓等級(jí)相結(jié)合，同時(shí)全面配置智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED），并就地布置在線監(jiān)測IED。基于IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)，開展在線數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析，對(duì)IED 數(shù)值信號(hào)進(jìn)行檢測，確保變電站與監(jiān)測站之間信息交流與數(shù)據(jù)溝通的完整功能。

為了驗(yàn)證文章所設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站運(yùn)行環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測方法（以下簡稱本文監(jiān)測方法）的有效性，采用文獻(xiàn)[2]提出的基于無人機(jī)的變電站運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測方法（以下簡稱文獻(xiàn)[2]監(jiān)測方法）進(jìn)行對(duì)比測試。將監(jiān)測延時(shí)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，延時(shí)越短，表明對(duì)應(yīng)監(jiān)測方法的應(yīng)用效果越好。具體結(jié)果如表1所示。

表1 不同方法的測試延時(shí)對(duì)比 單位：ms

由表1 可知，在不同的時(shí)間，這2 種方法的監(jiān)測效果存在明顯的差異。在文獻(xiàn)[2]監(jiān)測方法的測試結(jié)果中，延時(shí)表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性。其中，延時(shí)的最小值為143.3 ms，最大值為150.0 ms，表明該監(jiān)測方法的精度仍需進(jìn)一步改善。相比之下，在本文監(jiān)測方法的測試結(jié)果中，不同時(shí)間的監(jiān)測結(jié)果波動(dòng)較小，具有較高的穩(wěn)定性，延時(shí)較短，最大延時(shí)僅為144.6 ms，監(jiān)測結(jié)果誤差較小。文章設(shè)計(jì)的方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站運(yùn)行環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié) 論

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在變電站中的廣泛應(yīng)用為我國變電站的運(yùn)行工作提供了有力的技術(shù)保障。該技術(shù)能夠針對(duì)目前變電站中的系統(tǒng)運(yùn)行異常進(jìn)行精確定位和反饋管理，避免內(nèi)部出現(xiàn)問題的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站運(yùn)行環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測方法能夠?qū)ψ冸娬具\(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測，為變電系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供保障，具有廣闊的應(yīng)用前景。