基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程可視化智能變電站運維實施方案研究

黃 亮

(國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司)

0 引言

我國經(jīng)濟(jì)在快速發(fā)展的背后, 電力企業(yè)的發(fā)展也得到了相應(yīng)的提升。自改革開放之后, 電力工業(yè)的發(fā)展速度大幅度加快, 已經(jīng)逐漸建設(shè)形成一套相對完善的電力系統(tǒng), 為群眾的基礎(chǔ)的生活和工作提供了更多的保障。尤其是在一些大型變電站供配電線路的建設(shè)過程中, 對其運維工作開展提出了更高的要求及標(biāo)準(zhǔn)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用, 中國已經(jīng)逐漸步入了“智聯(lián)型”智能物聯(lián)網(wǎng)(AIOT) 的時代, 而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)則是其中一個重要的組成部分。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)前信息技術(shù)的核心, 它在通信系統(tǒng)、物聯(lián)體系中起到了十分關(guān)鍵的作用。把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用到智能變電站運維管理系統(tǒng)中, 利用編碼技術(shù)、射頻識別技術(shù)、RFID、傳感器技術(shù)等來實現(xiàn)對二次設(shè)備臺賬信息等數(shù)據(jù)的智能采集, 為智能變電站系統(tǒng)的運行維護(hù)與管理打下堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ), 同時也能為變電站各項數(shù)據(jù)處理工作的開展提供一定的指導(dǎo)[1]。因此, 分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中遠(yuǎn)程可視化智能變電站運維實施方案的重難點,綜合變電站運維的實際需求制定出針對性的對策有助于提升整體工作的效率與質(zhì)量, 提升運維的高效性。

1 變電站運維工作的現(xiàn)狀分析

變電所是一種以電壓變換、功率交換、電能集中、分配為主要功能的變電所。變電站內(nèi)設(shè)備一般包括了一次設(shè)備、二次設(shè)備及其他輔助設(shè)備。隨著計算機(jī)及通信技術(shù)的發(fā)展, 變電站內(nèi)出現(xiàn)了在線監(jiān)測、圖像監(jiān)控識別、巡檢機(jī)器人、智能控制等智能化設(shè)備。通過對其設(shè)備的實際分布情況可以看出主要有以下幾個方面的設(shè)備組成: ①平臺級(供電部門) 都配備有調(diào)度自動化系統(tǒng), 五防系統(tǒng), 安全通信系統(tǒng), 在線監(jiān)視系統(tǒng), 機(jī)器人巡視系統(tǒng), 視頻監(jiān)視系統(tǒng), 輔助監(jiān)視系統(tǒng), 主站等。②子站層(站端聚合), 因站點而異, 如自動化子站、遠(yuǎn)動機(jī)、五防子站等, 在安全I(xiàn)區(qū)的所有變電站都有設(shè)置; 而在安全Ⅱ區(qū)中, 大多數(shù)配置在220kV 及以上的變電站中, 使用的是故障錄波組網(wǎng)子站和綜合處理單元 (用于匯集在線監(jiān)測數(shù)據(jù)); 在安全Ⅲ區(qū)中, 硬盤錄像機(jī)基本上已經(jīng)覆蓋了全部的變電站, 但是一些站點卻沒有足夠的能力來進(jìn)行巡檢, 機(jī)器人巡檢的主要范圍是220kV 及以上的站點, 輔控系統(tǒng)的配置比較分散, 沒有能夠在站端對信息流進(jìn)行集中管理。③在設(shè)備層面上, I 區(qū)的保護(hù)裝置、測控裝置和五防鑰匙都是通用的, 但是為了實現(xiàn)智能化, 安裝刀閘壓力傳感器和刀閘姿態(tài)傳感器的比例卻很小。安全Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)的故障錄波裝置、油色譜等在線監(jiān)測終端、輔助監(jiān)控各類終端等是為智能巡檢、智能安全而配置的設(shè)備, 配置率也不高。同時,還對供電公司安全Ⅱ區(qū)的在線監(jiān)控、安全Ⅲ區(qū)可視化和輔助控制等方面的情況進(jìn)行了調(diào)研[2]。表1 的研究結(jié)果表明: 隨著電力系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展, 電力系統(tǒng)中的智能終端將越來越多。

表1 智能物聯(lián)網(wǎng)終端的覆蓋情況調(diào)查結(jié)果

當(dāng)前, 我國變電站在實際運行的過程中, 現(xiàn)代化和智能化理念的提出給變電站建設(shè)工作的開展提出了更多的要求, 變電站在進(jìn)行各項運維工作的過程中需要利用現(xiàn)代化的智能設(shè)備、技術(shù)以及手段等對運維工作的開展進(jìn)行操控。但是綜合分析智能變電站在實際運行過程中對于設(shè)備的部署還存在以下幾個方面的問題。第一, 設(shè)備分布分散, 安裝分散, 沒有統(tǒng)一規(guī)劃。第二, 通信和控制信道是單獨設(shè)置的, 每個應(yīng)用系統(tǒng)都是單獨操作的。第三, 各個信息系統(tǒng)之間不存在相關(guān)關(guān)系, 缺少智能的推理和聯(lián)系的能力。第四, 在運行中的設(shè)備很難得到及時的報警, 實時的預(yù)報和監(jiān)控,造成了設(shè)備的安全隱患和運行效率的降低。第五, 沒有將實際和密集的改造和建設(shè)統(tǒng)籌考慮, 造成了智能終端設(shè)備的工作環(huán)境不穩(wěn)定, 造成了大量的傳輸信道資源的浪費, 使得實現(xiàn)困難。因為, 為更好地解決上述存在的問題, 本研究將從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的角度出發(fā), 將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及數(shù)據(jù)融合技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程可視化智能變電站運維實施工作當(dāng)中, 幫助改善傳統(tǒng)變電站運行存在的問題,提升其整體運維工作的效率與質(zhì)量。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程可視化智能變電站運維實施思路

綜合當(dāng)前我國變電站運維工作的現(xiàn)狀以及實際需要, 本研究提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程可視化智能變電站運維實施方案及思路。本實施方案采用智能電能表和傳感器, 將組合變電站的工作參數(shù)和環(huán)境參數(shù)收集到智能數(shù)據(jù)采集終端, 再通過GPRS 和無線傳輸, 將數(shù)據(jù)傳送到工業(yè)云服務(wù)器, 并采用云計算技術(shù),對操作數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和處理。其實施架構(gòu)如圖1 所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層采取的是分布式采集方式, 可以動態(tài)地展開采集工作。通過安裝傳感器和智能電能表, 并在視頻圖像采集位置安裝相應(yīng)的攝像機(jī), 與配電設(shè)備的管理和視頻監(jiān)控相結(jié)合, 實現(xiàn)可變運行參數(shù)的同時, 還可以利用主機(jī)、虛擬器、存儲器和網(wǎng)絡(luò)等軟件, 構(gòu)建出“有線+ 無線”數(shù)據(jù)采集平臺, 最終達(dá)到對變電站電力數(shù)據(jù)全覆蓋水平。智能儀表板上的數(shù)據(jù)以ModBus 協(xié)議為基礎(chǔ), 以無線通訊的方式將各輸變電裝置上的數(shù)據(jù), 傳送至智能化數(shù)據(jù)采集終端[3]。

2.2 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層在實際運行的過程中通過在數(shù)據(jù)傳輸終端將所有的數(shù)據(jù)信息應(yīng)用于其中, 能夠?qū)⒆罱K采集獲得的數(shù)據(jù)直接以傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)街贫ǖ脑铺幚碇行漠?dāng)中, 并將其存儲在云數(shù)據(jù)庫中, 以便后續(xù)的查找和處理。

2.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用層

在數(shù)據(jù)應(yīng)用層面本研究重點研究了基于工業(yè)云的變電所綜合管理系統(tǒng)的實現(xiàn)。在綜合變電所采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析、處理后能夠很好地為組合式變電所提供狀態(tài)監(jiān)測服務(wù)。同時, 它還具有實時監(jiān)控、運行統(tǒng)計分析、故障預(yù)警、實時視頻監(jiān)控等多種功能, 從而大大降低了用戶對它的要求。

綜上所述, 本研究提出的遠(yuǎn)程可視化智能變電站運維實施方案不僅可以實現(xiàn)高效的在線運行、運維以及監(jiān)督結(jié)果, 同時還可以有效減少各人力資源的投入, 對于實現(xiàn)高效化、遠(yuǎn)程化、可視化的智能變電站運維工作具有重要的意義。

3 遠(yuǎn)程可視化智能變電站運維平臺設(shè)計

將智能化的安全管控融入到變電站的整體工作過程中, 用安全輔助手段對傳統(tǒng)的管控方式進(jìn)行調(diào)整和變革,用智能化的計劃代替?zhèn)鹘y(tǒng)的管控方式。為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化智能變電站運行管理的智能化, 就必須要對變電站進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控, 在此基礎(chǔ)上本文設(shè)計了遠(yuǎn)程可視化智能變電站運維平臺。在線分析與處理是大數(shù)據(jù)分析的重要手段, 它可以使多維度的數(shù)據(jù)共享與在線化。將大數(shù)據(jù)分析技術(shù)與變電站狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺相結(jié)合, 可以方便地實現(xiàn)對變電站狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲與分析。

融合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的變電站監(jiān)測平臺結(jié)構(gòu), 具體的變電站運維平臺設(shè)計如圖2 所示。

圖2 變電站運維平臺設(shè)計

根據(jù)存儲中數(shù)據(jù)維表與事實表之間的映射方式的差異, 在在線分析過程中使用了分布式ROLAP 服務(wù)。當(dāng)變電設(shè)備被大數(shù)據(jù)分析時, 分布式ROLAP 服務(wù)中的Hive 會進(jìn)行在線分析, 而其變電設(shè)備數(shù)據(jù)則會被存儲在Hive 存儲表的目錄中。將元數(shù)據(jù)存儲在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL 中, Hive 與MySQL 合作, 分別控制其內(nèi)部數(shù)據(jù), 共同完成對變電站數(shù)據(jù)的處理和分析[4]。在具體的應(yīng)用中, 使用者按照自己的需要, 向使用者發(fā)出數(shù)據(jù)解析要求, 并按照要求查閱數(shù)據(jù)庫中元數(shù)據(jù)和對應(yīng)表格中所包含的相關(guān)信息。在具體的應(yīng)用過程中使用者按照自己的需要, 向使用者發(fā)出數(shù)據(jù)解析要求, 并按照要求查閱數(shù)據(jù)庫中元數(shù)據(jù)和對應(yīng)表格中所包含的相關(guān)信息。監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以SCD 文檔的形式傳送到工作站。工作站能夠采集到變電所輔助系統(tǒng)中的溫度、濕度、風(fēng)速、開關(guān)三相值、SF6、油溫、變壓器液位、繞組溫度等數(shù)據(jù)。同時, 該工作站還可作為變電所內(nèi)部系統(tǒng)的擴(kuò)充使用。

4 實驗數(shù)據(jù)分析

為了分析基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程可視化智能變電站運維實施方案的可行性, 本研究將對其實驗數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 實驗環(huán)境與數(shù)據(jù)樣本的選擇

在實驗中我們使用的是64 位的Windows 10, 我們使用的是Visual Studio 2017, OpenCY3.0。電腦的硬體環(huán)境是中央處理器: 中間(R) 核心; 主頻率2.58 GHz, 16 GB; 利用Matlab 軟件建立了該系統(tǒng)的仿真模型。本研究以江蘇南瑞電網(wǎng)公司下屬的X 站為研究對象, 利用該數(shù)據(jù)庫對2019 年X 站的運行狀況進(jìn)行了分析, 得到了10856 個數(shù)據(jù)項。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗數(shù)據(jù)分析

與傳統(tǒng)通訊方式相比, 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最大的優(yōu)點就是持續(xù)時間長.因此, 本研究選擇的標(biāo)簽芯片為英頻杰MonzaX-2k, 該芯片可以通過二代UHF 物聯(lián)網(wǎng)的閱讀器與電子器件中的處理器實現(xiàn)無線通訊?；谟㈩l杰MonzaX-2k 將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的三種工作模式分別為休眠模式、接收數(shù)據(jù)模式、發(fā)送數(shù)據(jù)模式, 并利用數(shù)字萬用表對數(shù)據(jù)包傳輸在不同周期中的損耗進(jìn)行了測試, 測試結(jié)果見表2。

表2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通信模塊損耗測試數(shù)據(jù)

分析表2 數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出, 遠(yuǎn)程可視化智能變電站在1min 內(nèi)發(fā)送一個數(shù)據(jù)傳輸包, 通訊模組的能量消耗很大, 但是能維持很久。在1h、1d 的情況下物聯(lián)網(wǎng)通信模塊的能耗很低, 可持續(xù)使用5 -10 年。通過實驗結(jié)果證明了本方案設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通信性能具有功耗較低, 可用時間久的優(yōu)勢[5]。

5 結(jié)束語

本研究介紹了一種基于遠(yuǎn)程可視化智能變電站綜合調(diào)度與等級化運維優(yōu)化的方法。該系統(tǒng)通過建立一個統(tǒng)一的平臺, 實現(xiàn)了運維所需要的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測分析和運維管理的綜合功能, 并將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)數(shù)據(jù)通信部分應(yīng)用到其中從而提升了傳感器或電能表采集的各項數(shù)據(jù)的傳輸效率。利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)中的分布式ROLAP 服務(wù), 利用數(shù)據(jù)模型進(jìn)行在線分析處理確保數(shù)據(jù)采樣的完整性, 可以實現(xiàn)對變電站運維監(jiān)測數(shù)據(jù)的更加精確化。