基于物聯(lián)網(wǎng)的繼電保護設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與遠程維護

陳嘉薇

（國網(wǎng)鎮(zhèn)江供電公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引 言

在電力系統(tǒng)自動化技術(shù)不斷發(fā)展完善的背景下，具有在線監(jiān)測和遠程維護功能的繼電保護設(shè)備管理平臺受到行業(yè)廣泛關(guān)注。如今，大量無人值守變電站投入使用，其采用集控站的控制模式，實現(xiàn)調(diào)控一體化。繼電保護設(shè)備是確保電力系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行的重要設(shè)施。加強繼電保護設(shè)備的監(jiān)測和運維管理，可及時了解繼電保護設(shè)備的運行狀況（如參數(shù)標準、性能狀態(tài)等），分析繼電保護設(shè)備的隱藏故障或未來可能發(fā)生的故障，做到事前分析、事中控制以及事后總結(jié)的全過程管理。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打造繼電保護設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與遠程維護相結(jié)合的系統(tǒng)平臺（以下簡稱繼電保護設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測維護系統(tǒng)），加強一次設(shè)備、二次設(shè)備以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的多方聯(lián)動，切實保障繼電保護設(shè)備的安全、穩(wěn)定運行。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的繼電保護設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與遠程維護系統(tǒng)設(shè)計

1.1 整體框架設(shè)計

在現(xiàn)有繼電保護系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，集成傳感器、狀態(tài)監(jiān)測器以及數(shù)字采集單元等，增設(shè)光纜用于各設(shè)備間的信息傳輸，引用智能操作箱實現(xiàn)遠程維護。基于此，設(shè)計繼電保護設(shè)備的閉環(huán)在線監(jiān)測框架，并對原有的繼電保護設(shè)備系統(tǒng)進行升級。

整個系統(tǒng)分為3個層級：一是站控層（控制中心），主要由監(jiān)控主機和監(jiān)控從機組成，顯示其他層級的采集信息，具備查詢、設(shè)備調(diào)控、下達指令、在線檢測以及在線維修等功能；二是間隔層，安裝各種物聯(lián)網(wǎng)的測控裝置，包括傳感器、狀態(tài)監(jiān)測器等部件，主要負責(zé)采集繼電保護設(shè)備和線路信息，并將其傳遞給可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和控制中心；三是過程層，主要包括各類智能終端和二次設(shè)備，通過控制中心下達操控指令實現(xiàn)開入開出，保護電力系統(tǒng)的運行安全[1]。

1.2 功能分析

1.2.1 就地采集模擬量

利用傳感器和狀態(tài)監(jiān)測器開展數(shù)據(jù)信息采集工作，其中狀態(tài)監(jiān)測器主要負責(zé)監(jiān)測設(shè)備運行情況，傳感器負責(zé)監(jiān)測設(shè)備運行環(huán)境質(zhì)量。采集繼電保護設(shè)備運行的電流、電壓以及環(huán)境溫度、濕度等數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為PLC系統(tǒng)可識別的數(shù)據(jù)，并將轉(zhuǎn)化完畢的數(shù)據(jù)傳輸給PLC系統(tǒng)進行分析。繼電保護設(shè)備與控制中心借助通信接口實現(xiàn)信息實時傳遞?？刂浦行哪茏詣由杀O(jiān)測信息報告，并將其存儲到數(shù)據(jù)庫，作為后續(xù)繼電保護設(shè)備開展運維的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.2.2 整合處理信息

PLC系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)信息的整合處理，通過國際電工委員會（International Electro technical Commission，IEC）協(xié)議與監(jiān)測設(shè)備連接，整合分析采集的信息。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可以同步轉(zhuǎn)換監(jiān)測設(shè)備采集的數(shù)據(jù)信息，為PLC信息的處理分析提供支撐。此外，整合處理信息有助于分析網(wǎng)絡(luò)故障，記錄故障信息（電流、電壓等信息）和日常運行信息。通過對信息的整合處理，即可實現(xiàn)繼電保護設(shè)備的統(tǒng)一操作、統(tǒng)一管控[2]。

1.2.3 檢測評估狀態(tài)

控制中心的監(jiān)控主機和從機均采用高分辨率的發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）顯示器，配備可視化軟件。PLC系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)信息進行處理分析后，將評估結(jié)果傳遞給控制中心，并在主機上顯示信息數(shù)據(jù)。狀態(tài)監(jiān)測器和視頻傳感器可以將經(jīng)過PLC處理后的保護元件狀態(tài)信息呈現(xiàn)在顯示屏上，包括各項參數(shù)的運行曲線和狀態(tài)圖等，實現(xiàn)信息的實時監(jiān)測和評估[3]。在發(fā)現(xiàn)故障或潛在故障時，借助報警系統(tǒng)發(fā)出警報，并將故障信息通過顯示器進行顯示。管理人員通過顯示器即可直觀看到設(shè)備故障，及時進行遠程維護。如果是設(shè)備自身發(fā)生故障（如短路、斷路等），系統(tǒng)會自動開啟保護裝置。

1.3 二次系統(tǒng)狀態(tài)評估

1.3.1 二次系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息

通過傳感器即可全方位采集電流、電壓、有功以及無功等數(shù)據(jù)信息，并在顯示器上直接呈現(xiàn)。采集的信息通過PLC系統(tǒng)進行處理分析，判定二次系統(tǒng)是否存在錯誤運行或故障運行。此外，系統(tǒng)會自動對采集的數(shù)據(jù)進行細化處理與存儲，實現(xiàn)全過程監(jiān)測。通過在各項數(shù)據(jù)分析時設(shè)定權(quán)重值，減少數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分析對整個系統(tǒng)造成的壓力。權(quán)重值越高，數(shù)據(jù)分析的優(yōu)先級越大。具備高優(yōu)先級的是電能效應(yīng)、供電傳輸，保障對繼電保護設(shè)備的不間斷監(jiān)測。

1.3.2 結(jié)合數(shù)據(jù)判定系統(tǒng)狀態(tài)

為第一時間發(fā)現(xiàn)存在故障的繼電保護設(shè)備，還要設(shè)定繼電保護設(shè)備的運行參數(shù)閾值，即運行數(shù)據(jù)的上下限。通過對比繼電保護設(shè)備的實際運行數(shù)據(jù)和系統(tǒng)設(shè)定閾值，一旦設(shè)備運行數(shù)據(jù)超出設(shè)定閾值，會自動啟動保護裝置實現(xiàn)自我防護，并通過PLC系統(tǒng)分析產(chǎn)生數(shù)據(jù)波動的原因，將分析結(jié)果傳遞給控制中心。工作人員根據(jù)系統(tǒng)所提供的信息，可以選擇線上運維或現(xiàn)場運維。

1.3.3 故障狀態(tài)運維

當(dāng)系統(tǒng)檢測到繼電保護設(shè)備存在運行故障時，PLC系統(tǒng)會自動分析產(chǎn)生故障的原因，并將信息傳遞給控制中心?？刂浦行脑诳刂婆_通過遠程操控進行運維。如果是開關(guān)誤動，通過控制臺即可讓開關(guān)恢復(fù)到正常狀態(tài)；如果是繼電保護設(shè)備損壞，則無法線上解決，可以通過控制臺指揮現(xiàn)場工作人員排除故障。PLC故障分析采用內(nèi)部分析和外部分析相結(jié)合的方法，例如傳感器檢測到設(shè)備局部發(fā)熱嚴重或運行環(huán)境濕度過大時，可以根據(jù)所提供的分析結(jié)果采取針對性檢查，找出問題根源。借助處理分析結(jié)果還可以進一步分析繼電保護設(shè)備的相關(guān)部件是否正常，若部件損壞，應(yīng)及時更換[4]。如果二次系統(tǒng)突發(fā)警報（如被雷電擊中），系統(tǒng)會自動開啟保護裝置、切斷系統(tǒng)電源，或者通過操控臺進行提示。技術(shù)人員根據(jù)提示及時趕到現(xiàn)場維修，實現(xiàn)人工切斷。除此之外，系統(tǒng)可以監(jiān)測線路故障。若繼電保護設(shè)備的線路出現(xiàn)故障，檢測系統(tǒng)會直接向報警系統(tǒng)和配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送故障信息，同時嘗試自動排解線路故障，將結(jié)果上傳到控制中心。如果沒有解決，再進行人工遠程維護。如果依然無法解決，則安排技術(shù)人員現(xiàn)場排除故障。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的繼電保護設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與遠程維護系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

2.1 繼電保護設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測維護

從繼電保護設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測維護角度來看，保證信息數(shù)據(jù)的及時性和實時性尤為重要。借助5G無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）和全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）識別繼電保護設(shè)備的身份，實現(xiàn)精準定位。5G無線射頻識別技術(shù)可以收集整理二次系統(tǒng)運行的各項信息，實現(xiàn)對二次系統(tǒng)運行的全過程在線監(jiān)測。借助物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以對信息進行快速的采集、傳輸、整理以及存儲，為技術(shù)人員制定運維計劃提供數(shù)據(jù)支持[5]。

在繼電保護設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測維護系統(tǒng)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、處理及分析，可以更有針對性地開展遠程維護工作。同時，現(xiàn)場設(shè)備的檢修效率有所提升，降低了技術(shù)人員的工作量，使其可以有更多的精力去研究如何優(yōu)化繼電保護設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測維護系統(tǒng)，形成良性循環(huán)?？梢姡锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用除了能夠?qū)崿F(xiàn)繼電保護設(shè)備的在線狀態(tài)監(jiān)測與遠程維護，還能有效降低人工成本，提高電力企業(yè)經(jīng)營效益。

2.2 功能模塊設(shè)計

在繼電保護設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測維護系統(tǒng)基礎(chǔ)上應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進一步完善系統(tǒng)功能，實現(xiàn)移動監(jiān)控、設(shè)備定位以及身份識別功能。

2.2.1 移動終端監(jiān)測模塊

移動終端監(jiān)測模塊是整個繼電保護設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測維護系統(tǒng)的核心模塊之一，在保證在線狀態(tài)監(jiān)測的效率、準確性以及時效等方面起著重要作用。由于系統(tǒng)增加了無線網(wǎng)絡(luò)模塊，信息的采集、處理（預(yù)處理）以及傳輸均可在傳感器和狀態(tài)監(jiān)測器中完成。數(shù)據(jù)采集可以通過無線網(wǎng)絡(luò)直接傳輸?shù)绞謾CApp，從手機界面上即可看到繼電保護設(shè)備的運行數(shù)據(jù)[6]。系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，通過計算機主機或手機App在數(shù)據(jù)庫中搜索指定的數(shù)據(jù)信息。借助PLC可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時分析、傳遞，同時生成相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)報告，并將報告呈現(xiàn)在顯示頁面，存入數(shù)據(jù)庫。

2.2.2 地理位置定位模塊

在繼電保護設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測維護運行中，為確保維護工作能夠及時展開，需要確定和校對繼電保護設(shè)備的位置。利用GPS將設(shè)備位置通過無線網(wǎng)傳遞給主機或手機，一旦繼電保護設(shè)備出現(xiàn)突發(fā)狀況，技術(shù)人員可第一時間到現(xiàn)場檢修[7]。同時，地理位置定位模塊可在區(qū)域地圖中顯示繼電保護設(shè)備的分布情況，用于判定繼電保護設(shè)備布局的合理性，為后續(xù)電力系統(tǒng)的改建提供信息支撐。

2.2.3 設(shè)備身份識別模塊

依托設(shè)備身份識別模塊，繼電保護設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測維護系統(tǒng)可以快速判定哪個設(shè)備出現(xiàn)故障。整個二次系統(tǒng)中，每個繼電保護設(shè)備均設(shè)有唯一的身份識別碼和身份識別標簽。實際操作中，技術(shù)人員將設(shè)備標簽傳輸給監(jiān)測模塊，使用5G無線射頻識別技術(shù)即可獲取檢測設(shè)備的基礎(chǔ)信息，包括地理位置、運行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)以及維修歷史數(shù)據(jù)等[8]。與此同時，繼電保護設(shè)備的身份可以按照用戶需求更改，通過計算機控制中心或手機App登錄繼電保護設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測維護系統(tǒng)，在設(shè)備監(jiān)測模塊的設(shè)置界面更改設(shè)備編碼或名稱，有效提高設(shè)備查找效率。

3 結(jié) 論

為保障電氣系統(tǒng)的安全運行，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計一種繼電保護設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測維護系統(tǒng)，實現(xiàn)繼電保護設(shè)備信息的實時監(jiān)測，并具備相應(yīng)的遠程維護和操控功能。除此之外，增設(shè)移動監(jiān)測、地理位置定位以及設(shè)備身份識別等模塊，有效提升繼電保護設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測維護系統(tǒng)的性能。