數(shù)字化變電站直流電源故障遠程檢測系統(tǒng)設計

蒙小胖，梁泓泉，齊安新

（陜西地方電力公司 寶雞供電分公司，陜西 寶雞 721013）

0 引 言

變電站可以用來交流電壓和電流，但在實際應用中，受高熱量和高風險等原因影響，其只能設在相對偏移的位置，缺乏遠程監(jiān)控，當變電站設備健康狀況不佳時，維護管理人員不能及時發(fā)現(xiàn)和處理，甚至在事故發(fā)生后才知道設備存在問題，造成了巨大的安全隱患，這是亟待解決的現(xiàn)實問題[1,2]。作為二次系統(tǒng)的重要電源，變電站的DC系統(tǒng)對于變電站的安全運行至關重要。

以往大都使用C/S和B/S兩種組網(wǎng)架構檢測數(shù)字化變電站的直流電源故障，其中使用C/S架構是一個典型的兩層體系結構，客戶機的主程序部分在客戶機上運行，服務器通過數(shù)據(jù)庫等向客戶機用戶程序提供需要的數(shù)據(jù)，而C/S體系結構只有一個信息交互層，沒有安全保障。B/S模式是對C/S模式的改進和擴展，采用TCP/IP協(xié)議雖然邏輯接口顯示有效，但遠程測控和電報數(shù)據(jù)傳輸速度較慢。為此，提出了基于Web的數(shù)字化變電站直流電源故障遠程檢測系統(tǒng)設計。

1 系統(tǒng)硬件結構設計

設計的數(shù)字化變電站直流電源故障遠程檢測系統(tǒng)硬件結構由變電站現(xiàn)場和遠程監(jiān)控中心兩部分組成，其中主要包括控制系統(tǒng)、水浸報警器、火災報警器、溫濕度報警器、IP電話機以及故障采集電路等[3]。

1.1 控制系統(tǒng)

以反饋原理為基礎的閉環(huán)控制系統(tǒng)可通過輸出偏差達到預期控制效果，檢查輸出的真值，比較輸出的真值和給定的輸入值得出偏差，利用偏差值產生控制調整動作，以消除偏差，使輸出保持在預期的輸出水平[4,5]。

1.2 水浸報警器

水浸式報警器通過水浸式探頭實時監(jiān)控安裝區(qū)有無積水，并發(fā)出語音和短信報警。各洪澇警報主機需安裝電話卡，可通過短信綁定，設定相關參數(shù)。每個水浸式報警裝置配備兩個水浸式探頭，當其發(fā)現(xiàn)有水時會發(fā)出語音報警，然后將短信發(fā)送給綁定的遠程移動端，該報警器可以同時綁定3個遠程移動終端，還可以通過GSM網(wǎng)絡信號進行水災報警，保證水災報警正常[6-8]。

1.3 火災報警器

火災報警器需要遠離強電設備，為防止受到電磁影響導致系統(tǒng)發(fā)生故障，將線路的電阻設置為20 MΩ以上。系統(tǒng)檢查線路時易出現(xiàn)短路、斷路、部件失效以及電源失效等問題，該系統(tǒng)能夠在緊急情況下警示周圍工作人員檢查附近設備的故障[9,10]。

1.4 溫濕度報警器

溫濕度報警器的溫度和濕度報警采用分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS），上位機為微機，下位機為智能溫度記錄儀，具有報警功能，并配有數(shù)字溫度傳感器DS18B20。其中，溫度記錄儀表采用VisualBasic語言設計方式，無需配置軟件平臺，根據(jù)設定的時間間隔自動記錄歷史數(shù)據(jù)。

1.5 IP電話機

IP電話機是以IP網(wǎng)絡協(xié)議為主的通信協(xié)議，以網(wǎng)絡端口（或WiFi）為主接口的獨立電話設備，具有撥號和呼叫功能。經(jīng)常需要結合IPPBX電話交換機或IMS使用，提供RJ45接口或WiFi信號的IP電話不提供RJ11普通電話線接口。

1.6 故障采集電路

數(shù)字變電所DC電源故障模塊收集電纜上方感應線圈的故障信息，經(jīng)修正后的故障信息將被過濾，為此設計故障信息采集電路。設置一個截止線圈通電，利用感應線圈采集交流電，經(jīng)過全橋整流電路得到兩個相同的故障信息采集結果，并將其作為故障信息檢測模塊的輸入。采用整流方案，在整流后優(yōu)化多層差分電路，以獲得明顯的脈沖信號。若電流無突變，則可用二極管進行低電平電壓定位，以檢測故障信息。

2 系統(tǒng)軟件部分設計

軟件開發(fā)過程中，為實現(xiàn)最優(yōu)的服務器效率，系統(tǒng)采用分布式應用開發(fā)模式，在該模式下的多種運行平臺可分別面對不同對象進行項目開發(fā)，且運行服務器可以通過多層結構使系統(tǒng)的功能邏輯更加清楚，使得系統(tǒng)各模塊之間互相配合和分組，有助于項目團隊確定項目目標，從而得到明確的分工和職責。

2.1 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)能對終端采集的數(shù)據(jù)進行讀、解、存，資料處理系統(tǒng)所處理的資料包括兩類參數(shù)及索引。數(shù)據(jù)采集參數(shù)是前端采集設備實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集，這些參數(shù)是系統(tǒng)的基本原始數(shù)據(jù)，可用于計算、顯示以及分析系統(tǒng)所需的各項指標數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)得到的最終數(shù)據(jù)為指標，該指標主要包括由采集參數(shù)直接產生、由采集參數(shù)計算產生以及由其他指標與采集參數(shù)混合計算得出的3種。指標是數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)后期顯示、查詢、統(tǒng)計以及分析等功能的直接數(shù)據(jù)源。

2.1.1 數(shù)據(jù)讀取

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)定期（在設定的收集周期內）閱讀表格或資料緩存中的資料，包括為各種監(jiān)測參數(shù)而收集的資料。在臨時表或緩存區(qū)中讀取數(shù)據(jù)的格式必須相同。該系統(tǒng)能根據(jù)采集點參數(shù)設置的要求自動讀取采集點的信息和參數(shù)。

2.1.2 數(shù)據(jù)存儲

當指標計算完成后，數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)參數(shù)和指標存儲到數(shù)據(jù)庫相關表中，供數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)進行調用和處理。

2.2 數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)實現(xiàn)了對實時采集參數(shù)和指標的實時顯示、查詢及分析，包括實時數(shù)據(jù)列表顯示和電源線框顯示兩個子功能模塊。實時性數(shù)據(jù)顯示以電源線連接方框圖的形式提供資料顯示，框圖顯示主要是通過變電站內DC電源的實際接線圖等，實時顯示所監(jiān)測的DC供電系統(tǒng)的參數(shù)數(shù)據(jù)，用圖像和聲音來通知系統(tǒng)產生異常數(shù)據(jù)。

集成查詢模塊為系統(tǒng)提供全面的統(tǒng)計查詢功能，該系統(tǒng)從縱向和橫向兩個角度進行構建，同時，對信息進行深度挖掘。從縱向角度以單一變電站為依托，包括變電站的基本數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。從橫向角度以電力系統(tǒng)中心為出發(fā)點，提供基本資料、作業(yè)數(shù)據(jù)以及工況等統(tǒng)計匯總功能。該系統(tǒng)以深度為起點，融入時間概念，提供各變電站各時段、各年期間、各年度全電力局同期以及各年期間的數(shù)據(jù)對比。查詢類別和查詢條件由系統(tǒng)選擇，不同類別提供不同的查詢條件。用戶可以點擊任何字段名，系統(tǒng)就會對該字段的數(shù)據(jù)進行排序并顯示，還會顯示一個升序或降序符號。

2.3 故障遠程檢測流程設計

依據(jù)數(shù)據(jù)分析結果，檢測數(shù)字化變電站直流電源故障，獲取符合實際需求故障檢測結果。故障遠程檢測流程如圖1所示。

圖1 故障遠程檢測流程圖

第一步，計算實際出現(xiàn)故障信號與本周預期故障信號差值。第二步，判斷第一步的值與某個周期出現(xiàn)故障信號差值是否小于設定的閾值，如果是則啟動遠程檢測系統(tǒng)，開始進行區(qū)間檢測，如果不是則需構建故障檢測模型。第三步，分析實際故障數(shù)據(jù)量是否高于系統(tǒng)設定的故障數(shù)據(jù)量，如果是則需計算故障檢測耗能，如果不是則需根據(jù)第二步構建的模型分析系統(tǒng)實際故障情況。第四步，系統(tǒng)自動提交庫存故障檢測結果，否則繼續(xù)檢測。

3 實 驗

為了驗證基于Web的數(shù)字化變電站直流電源故障遠程檢測系統(tǒng)設計合理性，進行實驗驗證分析。

3.1 檢測精確率

分別使用C/S架構、B/S架構以及基于Web檢測系統(tǒng)檢測數(shù)字化變電站直流電源故障，檢測精確率對比結果如下。使用C/S架構在檢測時間為10 s時，檢測精確率達到最低為60%，在檢測時間為20 s時，檢測精確率達到最高為88%；使用B/S架構在檢測時間為10 s時，檢測精確率達到最低為33%，在檢測時間為20 s時，檢測精確率達到最高為60%；使用基于Web檢測系統(tǒng)在檢測時間為10 s時，檢測精確率達到最低為90%，在檢測時間為20 s時，檢測精確率達到最高為96%。

通過上述分析結果可知，使用基于Web檢測系統(tǒng)在檢測時間為20 s時，檢測精確率達到最高為96%。

3.2 系統(tǒng)召回率

分別使用C/S架構、B/S架構以及基于Web檢測系統(tǒng)檢測數(shù)字化變電站直流電源故障，系統(tǒng)召回率對比結果如表1所示。

由表1可知，使用基于Web檢測系統(tǒng)召回率始終低于0.1，而使用C/S架構系統(tǒng)召回率在0.39～0.45之間，使用B/S架構系統(tǒng)召回率在0.35～0.44之間。通過上述分析結果可知，使用基于Web檢測系統(tǒng)召回率較低，具有良好運行效果。

4 結 論

設計的基于Web的數(shù)字化變電站直流電源故障遠程檢測系統(tǒng)，在數(shù)字變電站的基礎上，采用監(jiān)測與控制技術實現(xiàn)了對變電站DC系統(tǒng)運行信息與健康狀況的自動監(jiān)測與分析，為自動化、信息化以及智能化的運輸巡檢提供依據(jù)。