基于物聯(lián)網(wǎng)的配電站輔控系統(tǒng)研究

毛姝旻

(上海電力設計院有限公司)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配電站輔助控制系統(tǒng)中的應用, 可以提高配電站運行的智能化和自動化水平, 優(yōu)化能源消耗和安全管理。

具體包括, 自動化巡檢, 傳感器、監(jiān)測設備等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 可以實時監(jiān)測配電站設備狀態(tài)、電路電流電壓等信息, 對配電站運行情況進行實時監(jiān)控和巡檢, 減少人工巡檢次數(shù), 縮短巡檢周期; 數(shù)據(jù)采集和分析: 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以幫助配電站對各種數(shù)據(jù)進行采集、處理、存儲和分析, 以便實現(xiàn)優(yōu)化控制、決策支持及故障預警等; 設備管理, 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)設備狀態(tài)監(jiān)測、遠程操作、自動化維保等功能, 提高設備管理的效率和準確性; 智能能源管理: 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)電力負荷平衡調(diào)節(jié)、節(jié)能減排、能源利用率提高等目標, 優(yōu)化配電站能源管理; 安全監(jiān)控: 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)對配電站的安全控制和監(jiān)控, 提高安全性和穩(wěn)定性。例如, 利用監(jiān)控系統(tǒng)對配電站進出口的車輛、人員、物品進行監(jiān)控和管理, 預防意外事故的發(fā)生。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用可以使配電站電站運行更高效、更安全, 提高能源利用效率, 對于降低電網(wǎng)運行成本和實現(xiàn)雙碳目標具有重大的意義。

1 運行優(yōu)化技術(shù)研究分析

基于物聯(lián)網(wǎng)的配電站輔控系統(tǒng)是將各種設備通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接起來, 實現(xiàn)對于設備數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、控制、分析和管理, 為配電站的安全穩(wěn)定運行提供有效的支持。具體來說, 該系統(tǒng)主要包含以下三個方面的功能: 實時監(jiān)測功能: 通過傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置實時地獲取配電站各個設備的溫度、濕度、電流等各種數(shù)據(jù), 并對這些數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測和分析。一旦發(fā)現(xiàn)設備出現(xiàn)異常, 系統(tǒng)便能夠及時地發(fā)送警報提醒管理人員, 以便及時地進行處理和維修。遠程控制功能: 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 該系統(tǒng)可以遠程控制配電站的各種設備, 包括變壓器、開關(guān)設備等, 通過遠程控制實現(xiàn)對于設備的開關(guān)、告警、診斷等操作, 從而確保設備的正常運行。數(shù)據(jù)分析功能: 基于大數(shù)據(jù)技術(shù), 該系統(tǒng)可以對配電站的歷史數(shù)據(jù)進行分析和建模, 以便對未來的設備運行狀況進行預測和評估。通過數(shù)據(jù)分析, 系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)設備運行中存在的問題和隱患, 提高配電站的設備可靠性和穩(wěn)定性。

目前, 配電站輔助設施雖然大多采用傳感器技術(shù), 但各設備之間相互獨立, 缺乏智能交互功能, 形成大量孤立的信息孤島。因此, 配電站需要人工處理這些設備信息, 不能滿足智能化配電站智能化運行管理的要求[1-2]。智能配電站的保護和控制系統(tǒng)必須迅速響應, 并提供更多的操作員安全[3-5]。為了滿足智能化配電站輔助設施的功能要求, 利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),構(gòu)建了一個實時識別、定位、跟蹤、監(jiān)控及相應設備的配電站輔助控制系統(tǒng), 實現(xiàn)了對配電站生產(chǎn)輔助系統(tǒng)的監(jiān)控。配電站輔助設施作為保證配電站安全運行的重要基礎(chǔ)設施, 其監(jiān)控工作至關(guān)重要, 其自動化監(jiān)控系統(tǒng)成為實現(xiàn)配電站無人值守不可或缺的組成部分?，F(xiàn)有的配電站輔助設施存在問題, 需要改進的地方如表1 所示。為了解決上述問題, 滿足更高層次的功能要求, 本文建立了一個統(tǒng)一的輔助控制平臺, 集成了系統(tǒng)的所有輔助功能。因此, 遠程人員可以通過輔助系統(tǒng)的綜合信息對配電站進行全面控制。

表1 變電站輔助設施存在的問題分析

2 架構(gòu)分析

2.1 輔助控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能配電站輔助控制系統(tǒng)以智能配電站網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ), 主要分為站控層、間隔層、感知層、應用層。整個系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)配電站系統(tǒng)架構(gòu)

各層作用如下:

1) 站控層: 站控層是物聯(lián)網(wǎng)中最高層次的部分,它負責處理和管理在過程層和間隔層中采集的大量數(shù)據(jù)。因為物聯(lián)網(wǎng)設備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量極大, 因此站控層的分數(shù)據(jù)通過協(xié)議傳輸?shù)皆贫撕推渌O備。析軟件可以對這些數(shù)據(jù)進行處理、分析和挖掘, 提供有用的信息和洞見, 以支持業(yè)務、生產(chǎn)等的決策制定。站控層還可以提供遠程控制、故障診斷和管理功能, 幫助企業(yè)監(jiān)測和維護設備的運行狀況。

2) 間隔層: 間隔層將傳感器、執(zhí)行器等物理設備連接起來, 將它們連接到云端和其他應用程序。在間隔層中, 一個網(wǎng)絡架構(gòu)被設立, 從而實現(xiàn)設備之間的相互通信和協(xié)議轉(zhuǎn)換。在這個層次上, 設備可以進行自動控制、數(shù)據(jù)采集和傳輸。

3) 感知層: 它負責采集、傳輸、處理和存儲物理世界中的各種信息, 將這些信息轉(zhuǎn)化為有價值的數(shù)據(jù), 為上層的應用和服務層提供決策和控制支持。感知層包括傳感器、執(zhí)行器、嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集設備、網(wǎng)絡傳輸設備等組件。

4) 應用層: 過程層是物聯(lián)網(wǎng)中最基本的層次,它包括物理設備、傳感器、執(zhí)行器等實際生產(chǎn)和業(yè)務過程中使用的設備和組件。在過程層中, 物聯(lián)網(wǎng)設備可以采集數(shù)據(jù)、執(zhí)行指令、監(jiān)測環(huán)境等功能, 并將這些數(shù)據(jù)和信息進行處理和傳輸。

2.2 子系統(tǒng)功能

本文提出的智能配電站輔助控制系統(tǒng)可分為五個子系統(tǒng): 視頻監(jiān)控、安全系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)優(yōu)化控制。功能架構(gòu)如圖2 所示。在下面的段落中, 我們將介紹五個子系統(tǒng)的功能, 并描述如何整合整個系統(tǒng)。

圖2 功能架構(gòu)圖

首先, 視頻監(jiān)控系統(tǒng)是保障配電站安全的重要手段之一。這一系統(tǒng)主要由監(jiān)控攝像機、視頻錄像及播放設備、監(jiān)控軟件等組成。通過視頻監(jiān)控系統(tǒng), 可以實時監(jiān)控配電站內(nèi)發(fā)生的相關(guān)現(xiàn)象和運行狀態(tài), 既可以對突發(fā)事件進行快速響應和處理, 也可以對配電站運行數(shù)據(jù)進行記錄和分析, 為運行安全提供可靠的依據(jù)。其次, 安全系統(tǒng)是保障配電站運行安全的重要保障。安全系統(tǒng)主要由火災報警系統(tǒng)、滲漏報警系統(tǒng)、氣體泄漏報警系統(tǒng)、人員定位監(jiān)控系統(tǒng)等等構(gòu)成。安全系統(tǒng)可以時刻監(jiān)測配電站運行環(huán)境, 實現(xiàn)全方位、無死角的監(jiān)控。一旦出現(xiàn)異常情況, 系統(tǒng)便能及時發(fā)出警報, 迅速給予相關(guān)搶救處理, 保障配電站的運行安全。第三, 配電站照明系統(tǒng)是保障工作效率的重要保障。照明系統(tǒng)可以使配電站的操作人員在夜間或低光照條件下安全高效的完成工作。照明系統(tǒng)主要由LED 照明燈、光敏傳感器等構(gòu)成, 可實現(xiàn)自動控制和節(jié)能減排。第四, 供電系統(tǒng)是支持配電站生產(chǎn)運行的重要保障。供電系統(tǒng)主要由主變、備用變、配電柜、配電站調(diào)度管理系統(tǒng)等構(gòu)成, 可實現(xiàn)電力分配、調(diào)節(jié)和保障, 確保配電站全面供電。最后, 配電站最優(yōu)控制子系統(tǒng)則是保證配電站運行高效穩(wěn)定的重要手段。這一子系統(tǒng)主要利用信息化技術(shù), 對配電站各個環(huán)節(jié)進行實時優(yōu)化控制, 實現(xiàn)安全穩(wěn)定、高效經(jīng)濟的運行狀態(tài)。

由于配電站基礎(chǔ)設施數(shù)量龐大, 需要對系統(tǒng)集成進行統(tǒng)一規(guī)劃。通過以下步驟將各個子系統(tǒng)整合成一個完整系統(tǒng)。a) 規(guī)劃系統(tǒng)結(jié)構(gòu): 制定整合方案, 并確定每個系統(tǒng)的功能及其在整合中所起的作用; b) 實施系統(tǒng)集成: 對各個子系統(tǒng)進行集成, 確保它們能夠互相交流, 并整合到一個統(tǒng)一的平臺中; c) 數(shù)字化管理: 將各系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為可以數(shù)字化管理的形式, 以方便監(jiān)控和控制; d) 開發(fā)聯(lián)動策略: 建立各子系統(tǒng)之間的聯(lián)動策略, 即在某些情況下, 當某個子系統(tǒng)發(fā)生異常時, 其他子系統(tǒng)能夠自動進行響應以保證配電站的穩(wěn)定運行; e) 實施監(jiān)控與管理: 利用統(tǒng)一平臺對整合后的系統(tǒng)進行監(jiān)控與管理, 能夠進行數(shù)據(jù)分析、預測及優(yōu)化, 從而實現(xiàn)對配電站整體的精細管理。進而實現(xiàn)配電站輔助控制系統(tǒng)運行的精細化管理和運營效率的最大化。系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)集成圖

3 實驗及分析

3.1 系統(tǒng)可靠性測試與無線網(wǎng)絡測試

配電站設備適當?shù)慕拥胤绞娇梢砸种聘蓴_。本文選擇單點接地方式。傳感器信號頻率在10MHz 左右,提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

每個集成電路的電源和接地之間都安裝了一個去耦電容。去耦電容有兩個功能: 濾波作用: 在電路中去除高頻噪聲信號。去耦電容連接到電路中的直流信號線和交流信號線之間, 可以濾除直流信號, 只留下交流信號, 達到濾波的目的。耦合作用: 在電路中連接兩個級別之間, 傳遞信號。例如, 放大器中的輸入信號需要傳遞到輸出級別, 去藕電容將直流偏置波分離, 傳遞信號, 達到耦合的目的。計算結(jié)果表示如下:

式中,PR為接收靈敏度,Pmin為接收端在一定的預定誤碼率下接收到的信號的最小平均功率。圖4 顯示了接收端接收靈敏度與露天測試傳輸距離之間的關(guān)系, 圖5 顯示了高壓測試下接收靈敏度與傳輸距離之間的關(guān)系。

圖4 室外測試結(jié)果

圖5 高壓條件下測試

從上圖分析得, 如果距離增加, 則驗收功率降低, 驗收靈敏度也隨之降低。同時, 經(jīng)過測試驗證分析, 接收靈敏度與通信距離的關(guān)系曲線類似。當通訊距離相同時, 由于設備和電磁干擾的阻礙, 室內(nèi)空間接收到的功率低于露天空間接收到的功率。

3.2 網(wǎng)絡節(jié)點能耗測試

使用專業(yè)儀表測試節(jié)點在活動和休眠期間的能量消耗。結(jié)果如表2 所示。將采樣周期設置為1s, 即每1 秒收集一次數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡運行周期為300ms, 占空比為30% (300ms/kms), 節(jié)點電壓變化包括在圖6 所示。

圖6 節(jié)點電壓

表2 節(jié)點能耗

測試參數(shù)加快模擬和便于監(jiān)測節(jié)點上的電壓變化, 實際應用價值遠遠低于測試參數(shù)。節(jié)點由兩個堿性電池供電, 電量為3000mA 時。根據(jù)實際電流消耗計算, 節(jié)點可以連續(xù)工作115h, 與測試結(jié)果一致。這些節(jié)點甚至可以在睡眠期間工作更長的時間。因此, IEC61850 適用于變電站環(huán)境, 實際測試可以為網(wǎng)絡方案的設計提供依據(jù)。

4 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能變電站輔助控制系統(tǒng), 利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立傳感器測控網(wǎng)絡, 通過統(tǒng)一的通信協(xié)議IEC61850, 實現(xiàn)了傳統(tǒng)變電站獨立的輔助系統(tǒng): 視頻監(jiān)控子系統(tǒng), 安全子系統(tǒng)等優(yōu)化控制子系統(tǒng)的集成。建立統(tǒng)一的智能變電站智能輔助控制系統(tǒng)是實現(xiàn)輔助子系統(tǒng)功能集成、信息共享、信息傳輸、結(jié)構(gòu)簡化的有效方法。并對系統(tǒng)可靠性及網(wǎng)絡節(jié)點能耗進行了實驗, 效果良好, 具有較高的靈敏度和抗感擾性, 可以在實際環(huán)境運行, 為配電站提供了智能化解決方案。