基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能傳感集中管理系統(tǒng)在變電站中的應(yīng)用

葉 武

（舟山電力局，浙江 舟山 316000）

變電站是電網(wǎng)的核心環(huán)節(jié)，擔(dān)負(fù)著所在區(qū)域的供電任務(wù)。隨著變電站自動(dòng)化程度的提高，少人或無(wú)人值守模式在電力系統(tǒng)得到大力推廣，變電站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行安全和治安管理日益受到重視，從而對(duì)變電站安全技術(shù)防范的要求也越來(lái)越高。

1 變電站管理存在的問題

舟山為島嶼性城市，素有“千島之城”的美譽(yù)，變電站的分布范圍廣，變電站數(shù)量眾多，地域分布廣且很多地處人煙稀少的海島區(qū)域，這些特點(diǎn)給變電站運(yùn)行管理帶來(lái)很大不便，存在的主要問題有：

（1）分別在不同的變電站內(nèi)建立了各自的單元安全設(shè)施，如視頻、消防、防盜等聯(lián)網(wǎng)告警系統(tǒng)。但受傳統(tǒng)管理模式的影響，各專業(yè)單元安全設(shè)施大多為獨(dú)立建設(shè)使用，各系統(tǒng)間信息不能共享，成為了“信息孤島”，缺乏縱向的有效監(jiān)控手段，不能及時(shí)了解變電站內(nèi)的實(shí)時(shí)情況，報(bào)警信息單一，報(bào)警性質(zhì)確認(rèn)困難，重要安保設(shè)備無(wú)聯(lián)動(dòng)功能，無(wú)法形成閉環(huán)管理，導(dǎo)致對(duì)整體安全防范形勢(shì)無(wú)法把握，不利于電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）變電站進(jìn)出人員管理不善。變電站一般建在偏僻的地方，雖然都有保安值守，但工作人員的進(jìn)出情況并不能很好地監(jiān)管記錄，應(yīng)使用門禁系統(tǒng)規(guī)范科學(xué)地管理電力工作人員的進(jìn)出，從而確保電力設(shè)施的安全和正常維護(hù)。

（3）由于各變電站之前的建設(shè)已經(jīng)完成各種安保傳感器的布線，要改變或重新進(jìn)行監(jiān)控設(shè)備的布線不僅破壞原有的格局，還要重新拉線，浪費(fèi)資源。

（4）當(dāng)變電站發(fā)生非法闖入、空調(diào)漏水報(bào)警、門鎖被撬等問題時(shí)，信息不能在第一時(shí)間告知集控站，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題會(huì)給變電站的設(shè)備和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)隱患。

針對(duì)以上變電站管理存在的問題，著眼于電力智能電網(wǎng)的發(fā)展方向，結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)ZigBee技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將智能傳感集中管理系統(tǒng)應(yīng)用于變電站日常管理，統(tǒng)一監(jiān)控變電站環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)等信息，可有效消除變電站在資產(chǎn)安全和信息管理上的盲區(qū)。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 Zigbee技術(shù)

作為物聯(lián)網(wǎng)感知層自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，Zigbee技術(shù)在無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方面有著重要的作用。它是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過(guò)的802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它工作在2.4 GHz的ISM頻段上，傳輸速率為20～250 kbps，傳輸距離為100～1 200 m不等。

Zigbee主要適合于工業(yè)控制、傳感和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。它在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)通信。Zigbee技術(shù)的通信數(shù)據(jù)速率以及靈活通信范圍的特點(diǎn)決定了它適合于承載工業(yè)數(shù)據(jù)通信的業(yè)務(wù)，Zigbee具有低復(fù)雜度、低功耗、低成本的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得其在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、安保系統(tǒng)等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。

2.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注的多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等。能夠通過(guò)各類集成化的微型傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，這些信息通過(guò)有線或無(wú)線的方式傳輸，并以多種網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物的全面互聯(lián)。

典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)通信網(wǎng)和用戶軟件接口等。其中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本組成包括：數(shù)據(jù)采集單元，由傳感器和協(xié)議轉(zhuǎn)換器組成，部署在被感知對(duì)象內(nèi)；數(shù)據(jù)處理單元，主要是具有嵌入式操作系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)；數(shù)據(jù)傳輸單元，由內(nèi)嵌在嵌入式監(jiān)控主機(jī)內(nèi)部的有線或無(wú)線通信模塊組成。

3 系統(tǒng)方案概述

3.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

變電站智能傳感集中管理系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場(chǎng)端系統(tǒng)和中心平臺(tái)兩大方面，如圖1所示。針對(duì)變電站日常管理需求，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，整合安全防范、消防報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測(cè)、動(dòng)力監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、門禁、遠(yuǎn)程控制、SF6泄漏報(bào)警等單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站的人員入侵、火警、漏水、溫度等環(huán)境情況與供電動(dòng)力系統(tǒng)等變電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與歷史數(shù)據(jù)記錄，為變電站設(shè)備等資產(chǎn)安全提供有力保障。

圖1 變電站智能傳感集中管理系統(tǒng)的構(gòu)成

同時(shí)，能在各單元間實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)的合理、穩(wěn)定對(duì)接，使各個(gè)單元協(xié)同操作成為可能，并將變電站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與環(huán)境數(shù)據(jù)接入中心端，為變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控提供統(tǒng)一、高效、智能的管理平臺(tái)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)端系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)傳感器技術(shù)特點(diǎn)，采集現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)、開關(guān)信號(hào)、數(shù)字信號(hào)，以總線的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)角度胧街鳈C(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。對(duì)于部分不能直接布線連接傳感器的區(qū)域（如室外），采用傳感器與Zigbee模塊相結(jié)合，自組無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送回中心端，使系統(tǒng)具有靈活的組網(wǎng)模式。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 變電站智能傳感集中管理系統(tǒng)拓?fù)鋱D

以舟山110 kV勾山變?yōu)槔?，現(xiàn)場(chǎng)端以智能傳感集中管理系統(tǒng)嵌入式主機(jī)為匯集點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了將變電站各個(gè)站房包括主控室、110 kV室、35 kV室、10 kV室等室內(nèi)溫度、濕度情況進(jìn)行統(tǒng)一實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在空調(diào)與門窗附近的地面安裝漏水監(jiān)測(cè)模塊，判斷是否溫度過(guò)高、是否漏水，為變電站設(shè)備提供適宜的運(yùn)行環(huán)境。通過(guò)遠(yuǎn)程控制開啟變電站內(nèi)的空調(diào)，并調(diào)至指定溫度與模式。根據(jù)變電站實(shí)際需求，將變電站外的射燈有機(jī)地與智能傳感集中管理系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，成為它的一個(gè)重要控制單元，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開啟、關(guān)閉燈光，降低了管理人員工作量，提高了工作效率。此外，由于變電站房門眾多，通過(guò)安裝門禁監(jiān)控系統(tǒng)控制和管理人員在建筑物內(nèi)相關(guān)區(qū)域的活動(dòng)，使用授權(quán)開門卡，變電站巡視不再需要攜帶大量開門鑰匙，解決了人為疏忽、鑰匙的丟失、被盜和復(fù)制等傳統(tǒng)保安防范存在的問題。

3.3 中心平臺(tái)軟件

變電站智能傳感集中管理系統(tǒng)軟件作為中心平臺(tái)控制核心，借助電力網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)Web的方式在電力網(wǎng)絡(luò)內(nèi)按照身份權(quán)限登錄，對(duì)變電站室內(nèi)溫度、濕度、漏水等環(huán)境情況，站內(nèi)門禁出入人員、時(shí)間記錄等數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)、分析，并支持對(duì)變電站內(nèi)門禁、空調(diào)等設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，當(dāng)有需要時(shí)可完成遠(yuǎn)程開門等動(dòng)作。變電站智能傳感集中管理系統(tǒng)可在中心平臺(tái)根據(jù)晝夜長(zhǎng)短使用情景模式，設(shè)定遠(yuǎn)程自動(dòng)燈光開啟、關(guān)閉時(shí)間。除此之外，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)還可以實(shí)現(xiàn)地區(qū)所轄變電站的統(tǒng)一管理，通過(guò)添加設(shè)置將白泉變、岑港變、南沙變等變電站多站點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。

中心平臺(tái)監(jiān)控軟件采用的模塊主要包含數(shù)據(jù)收集整理模塊、監(jiān)測(cè)設(shè)備控制模塊、數(shù)據(jù)入庫(kù)模塊、統(tǒng)計(jì)分析模塊、告警模塊，如圖3所示。軟件采用B/S構(gòu)架模塊化設(shè)計(jì)，部署方便，操作簡(jiǎn)便，還可根據(jù)電力行業(yè)自身管理需求和監(jiān)控現(xiàn)狀進(jìn)行定制。

圖3 變電站智能傳感集中管理系統(tǒng)中心端軟件功能

在中心平臺(tái)基礎(chǔ)之上，支持手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)移動(dòng)在線巡檢工作，便于用戶能遠(yuǎn)程查看各站位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)曲線、報(bào)警信息、環(huán)境信息等，并對(duì)報(bào)警情況進(jìn)行在線提醒，同時(shí)滿足突發(fā)事件下的現(xiàn)場(chǎng)指揮，為變電站管理提供多角度、立體化管理手段。

3.4 Zigbee組網(wǎng)

將各個(gè)傳感器與Zigbee模塊構(gòu)成1個(gè)無(wú)線傳輸節(jié)點(diǎn)，與主機(jī)內(nèi)嵌的Zigbee模塊組成1個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞、傳輸以及信息交互，每1個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)都會(huì)生成1條通往主節(jié)點(diǎn)的路徑，如圖4所示。

圖4 基于Zigbee的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

4 各子系統(tǒng)單元應(yīng)用

4.1 動(dòng)力系統(tǒng)監(jiān)控

變電站內(nèi)的動(dòng)力系統(tǒng)直接與變電站正常運(yùn)行相關(guān)，動(dòng)力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象包括變電站的全部站用電源設(shè)備，如配電柜等。

通過(guò)部署智能電量檢測(cè)模塊，監(jiān)測(cè)一級(jí)、二級(jí)交流配電柜的主回路和各分回路的各種參數(shù)如電壓、電流、頻率、有功功率、功率因數(shù)、無(wú)功功率、視在功率、有功電能、無(wú)功電能等；監(jiān)視各級(jí)開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)。顯示和記錄各種參數(shù)的變化曲線，并對(duì)各種報(bào)警狀態(tài)進(jìn)行記錄和報(bào)警處理。

4.2 環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)控

變電站內(nèi)的環(huán)境情況關(guān)系到設(shè)備的安全運(yùn)行，環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)控包括：變電站的空調(diào)設(shè)備、漏水監(jiān)控、溫/濕度監(jiān)控等。

4.3 安全防范監(jiān)控

安全防范系統(tǒng)通過(guò)部署人體紅外探測(cè)器等傳感器與監(jiān)控主機(jī)直接連接。當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)，報(bào)警信息能夠及時(shí)上傳給監(jiān)控主機(jī)，并且能聯(lián)動(dòng)相關(guān)設(shè)備，比如聲光報(bào)警器等，同時(shí)通知管理人員采取相應(yīng)措施。

對(duì)部分區(qū)域部署周界報(bào)警器、電子圍欄設(shè)置危險(xiǎn)區(qū)域邊界，當(dāng)巡檢人員踏入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)就會(huì)聽到報(bào)警。這相當(dāng)于在危險(xiǎn)點(diǎn)周圍布了一張安全網(wǎng)，全過(guò)程防護(hù)運(yùn)行檢修的現(xiàn)場(chǎng)操作。

4.4 消防系統(tǒng)監(jiān)控

當(dāng)發(fā)生火情時(shí)，通過(guò)部署在變電站內(nèi)的煙霧探測(cè)器，聯(lián)動(dòng)消防系統(tǒng)，第一時(shí)間進(jìn)行滅火并向管理員發(fā)送報(bào)警信息。按消防規(guī)范要求，聯(lián)動(dòng)門禁開門，保證人員逃生及火情撲救。

4.5 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控系統(tǒng)超越硬盤錄像技術(shù)，采用視頻組態(tài)的概念，將各通道的圖像以控件組態(tài)的方式隨意插入某個(gè)界面，對(duì)于大型的監(jiān)控系統(tǒng)而言，以電子地圖的方式來(lái)集中管理各個(gè)場(chǎng)地的數(shù)據(jù)和圖像的界面，十分方便。

由于智能傳感集中管理系統(tǒng)將動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控和閉路監(jiān)控合二為一，因而可以隨意實(shí)現(xiàn)動(dòng)力環(huán)境與圖像的聯(lián)動(dòng)控制，一旦有異常事件發(fā)生，監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)彈出現(xiàn)場(chǎng)圖像畫面，即時(shí)錄像并作報(bào)警提示和處理。

4.6 門禁系統(tǒng)監(jiān)控

通過(guò)門禁控制器提供的協(xié)議或門禁管理軟件對(duì)變電站人員進(jìn)出的時(shí)間、位置、姓名進(jìn)行監(jiān)控，可手動(dòng)遠(yuǎn)程控制變電站門的打開關(guān)閉，可對(duì)不同的工作人員發(fā)放不同權(quán)限的卡，通過(guò)不同權(quán)限的感應(yīng)卡開啟不同的門，進(jìn)入不同的設(shè)備區(qū)域（如為運(yùn)維人員遠(yuǎn)程開關(guān)繼電保護(hù)室的門等）。每張卡的權(quán)限可隨時(shí)更改，避免丟失的卡被人利用，解決了人為疏忽、鑰匙的丟失、被盜和復(fù)制等傳統(tǒng)保安防范存在的問題。此外，控制門的開關(guān)、門禁系統(tǒng)可與視頻系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，對(duì)進(jìn)出變電站的人員進(jìn)行自動(dòng)錄像等。

4.7 SF6泄漏監(jiān)測(cè)

變電站SF6電氣設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行后密封性可能下降，故在可能泄漏的接頭處部署傳感器。一旦有SF6氣體泄漏，異常信號(hào)立即送往系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)或遠(yuǎn)程手動(dòng)控制排風(fēng)系統(tǒng)，最大限度降低事故發(fā)生概率。

4.8 其他遠(yuǎn)程控制

當(dāng)變電站發(fā)生突發(fā)事件（如著火、漏水等）時(shí)，通知管理者進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，在第一時(shí)間自動(dòng)解決相應(yīng)問題，在節(jié)約資源的同時(shí)又提高了工作效率，為固定資產(chǎn)安全提供有力保障。

當(dāng)有人非法進(jìn)入變電站時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置，自動(dòng)打開照明系統(tǒng)，并向視頻系統(tǒng)傳輸信號(hào)，由視頻系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)非法入侵者進(jìn)行實(shí)時(shí)拍照和錄像，同時(shí)向中心站傳送報(bào)警信息并進(jìn)行聲光報(bào)警。

由于溫度過(guò)高會(huì)對(duì)變電站內(nèi)的設(shè)備和上報(bào)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，此時(shí)中心站可遠(yuǎn)程進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，如工作模式、工作狀態(tài)、溫度調(diào)節(jié)等。也可以和溫/濕度系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，當(dāng)溫度高于預(yù)設(shè)值時(shí)則自動(dòng)開啟空調(diào)，并按預(yù)設(shè)方案進(jìn)行溫度和模式的修改，當(dāng)溫度低于預(yù)設(shè)值時(shí)則自動(dòng)關(guān)閉空調(diào)。

當(dāng)變電站出現(xiàn)水侵時(shí)，系統(tǒng)將和抽水泵聯(lián)動(dòng)，進(jìn)行抽水作業(yè)。當(dāng)水位低于預(yù)設(shè)報(bào)警值時(shí)，將自動(dòng)停止抽水泵作業(yè)。

5 結(jié)語(yǔ)

舟山電力局與杭州鑫翔七迅科技有限公司合作開發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站智能傳感集中管理系統(tǒng)已投入使用。該系統(tǒng)通過(guò)全方位智能化的設(shè)計(jì)，融合先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)ZigBee技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，能夠?qū)⒆冸娬拘枰O(jiān)測(cè)的各種參數(shù)通過(guò)1個(gè)統(tǒng)一的信息平臺(tái)進(jìn)行顯示處理，并可隨時(shí)進(jìn)行Web瀏覽和查看，從根本上保證變電站管理工作能夠全天候、長(zhǎng)周期運(yùn)行。能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人值守監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的分布式監(jiān)控和集中式管理，并可與多種應(yīng)用系統(tǒng)集成，把變電站的管理控制從“四遙”變成“五遙”（遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)，遙視），進(jìn)一步提高電力供應(yīng)安全。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)變電站的無(wú)人值守或者少人值守，從而為推動(dòng)變電站管理逐步向自動(dòng)化、綜合化、集中化、智能化方向發(fā)展提供有力的信息技術(shù)保障。

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