基于物聯(lián)網的智能變電站監(jiān)控與運維系統(tǒng)研究

翟文亞

（山東理工職業(yè)學院 山東 濟寧 272000）

0 引言

普通變電站和信息技術結合為現代電力行業(yè)生產工作的發(fā)展基礎，信息技術的特點為自動化、智能化，對傳統(tǒng)變電站設備運行管理工作進行升級。 技術人員通過專門的軟件程序對變電站內部設備狀態(tài)數據進行監(jiān)測，如果出現異常問題，系統(tǒng)裝置能夠及時解決問題。 技術人員以系統(tǒng)反饋結果實現針對性對策，使智能變電站設備的運行隱患得到降低。 因此，本文分析變電站監(jiān)控運維系統(tǒng)的設計［1］。

1 系統(tǒng)的架構設計

通過物聯(lián)網技術架構分析，設計人員通過網絡層、感知層和應用層構成系統(tǒng)架構，圖1 為系統(tǒng)的設計架構。

圖1 系統(tǒng)的設計架構

1.1 應用層

主站應用軟件平臺能夠細化不同的輸入性質，通過數據庫軟件、通信軟件與監(jiān)視軟件構成。 在創(chuàng)建應用軟件平臺時，根據相應的標準優(yōu)化商業(yè)數據庫，使系統(tǒng)開放性程度得到加強。 通過客觀分析，應用軟件平臺為一體化系統(tǒng)，能夠實現系統(tǒng)縱橫向的集成管理，并且為各個系統(tǒng)網絡節(jié)點提供運行環(huán)境。

1.2 網絡層

基于物聯(lián)網的智能變電站監(jiān)控與運維系統(tǒng)的智能數據采集終端特點為：

（1）設計人員通過高集成微電子技術靈活配置通信方式，并且實現安裝維護，提高終端集成度；

（2）利用液晶顯示器漢字顯示功能將數據資源提供給終端配置和告警管理裝置，對運行狀態(tài)數據進行保存和管理，設計人員使用大容量存儲器保管運行狀態(tài)數據；

（3）監(jiān)控信息實現雙向傳輸，通過以太網、無線射頻網絡等方式，加強設備信息的傳輸效率；

（4）在對集中器進行選擇時，要對支持環(huán)境遠程監(jiān)控設備進行優(yōu)先選擇［2］。

1.3 感知層

利用數字式傳感器結合有源無線射頻傳輸，加強變電站環(huán)境信號的傳輸效率。 另外，利用軟件選擇電路板和無線傳感器設備，監(jiān)測濕度和溫度并以氟化硫（SF）氣體傳感器監(jiān)測，隨后反饋結果，精準評估變電站設備等運行環(huán)境。

2 系統(tǒng)的硬件設計

2.1 無線物聯(lián)傳感器

以物聯(lián)網內數據的流向和處理方式，將物聯(lián)網劃分成為應用層、網絡層和感知層。 在感知層中安裝紅外線、攝像頭、讀寫器等終端，此類傳感器能夠對物理事件與數據進行采集。 因此設計系統(tǒng)的數據是通過智能變電站系統(tǒng)在監(jiān)測處理器中流入，所以將攝像頭、溫濕度傳感器等設備安裝在智能變電站環(huán)境中［3］。

2.2 分布式變電站通信體系

根據變電站通信協(xié)議網絡和協(xié)議，劃分智能變電站通信體系包括變電站層、間隔層和設備層，實現分層分布式結構的創(chuàng)建。 變電站層能夠實現數據傳輸，根據一次設備組織劃分間隔層，包括機電保護和測量等。 假如在線傳輸智能變電站數據在網絡中，就要制定針對性網絡通信協(xié)議。 此協(xié)議為IEC6185 標準網絡協(xié)議，基于此對通信網絡邏輯節(jié)點與數據進行確定，和通信服務器連接構成智能變電站和監(jiān)測服務器的邏輯通路，圖2 為分層分布式結構。

圖2 分層分布式結構

2.3 主控芯片和微處理器選型

智能變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)主控芯片為CC2530，此芯片中具備收發(fā)器功能，并且滿足分層分布式通信網絡協(xié)議標準需求，在運行過程中的穩(wěn)定性較高。 智能變電站監(jiān)測不僅包括數據，還要對視頻圖像收集，所以占據系統(tǒng)內存比較大。 為了保證系統(tǒng)在運行過程中的效率高，要將增強型8051 MCU 設置在主控芯片中，能夠直接實現閃存編程。 在線監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的數據運算要求，利用數字信號處理器（digital signal processor，DSP），能夠在無故障的狀態(tài)下連續(xù)工作，并且外界電磁信號不會對其造成影響［4］。

2.4 人員定位終端設計

人員定位終端為無線傳感器（ZigBee）網絡終端設備，在本文系統(tǒng)設計過程中，此模塊利用參考點的位置設置定位人員。 智能變電站輔助管理系統(tǒng)的軟件能夠在視頻監(jiān)控系統(tǒng)云臺實現人員位置信息的發(fā)送，調整視角后對拍攝人員進行追蹤。 也可根據相應的位置劃分工作區(qū)域，實現電子圍欄的功能。

人員定位終端由工作人員隨身攜帶，可以通過電池進行供電，終端一般處于實時工作狀態(tài)，能夠實時判斷參考點的位置并上傳位置信息。

2.5 設備電源系統(tǒng)

針對系統(tǒng)設備電源的供電問題，以不同的場所和用途劃分為電感供電、感應電源供電等。 本文系統(tǒng)可實現對于無線傳感器外的設備供電。 對于無線傳感網設備來說，要求協(xié)調器與路由同時工作，保證系統(tǒng)通信網絡的正常功能，利用電池進行供電。

在實現線纜、母排節(jié)點、開關觸點等溫度監(jiān)控時，設備在運行過程中改變溫度的狀態(tài)，從而實現監(jiān)控系統(tǒng)的設計。 在監(jiān)控節(jié)點終端設備供電時，通過感應電能拾取線圈。 以此，避免出現有線供電布線等情況，還能夠使電池取電過程中需要頻繁更換電池的問題得到解決。

取能電源的構成包括補償鐵心與線圈、整流濾波單元、取能鐵心與線圈、降壓穩(wěn)壓單元，使用軟磁材料，取能鐵心初始磁導率比補償鐵心要高，并且兩者反向串聯(lián)，抵消大電流感應電動勢，從而降低熱耗。 沖擊保護單元吸收脈沖尖峰、前端飽和等，緩沖高頻能量。 在正路濾波單元中將交流電整流作為脈沖直流電，然后進行諧波的濾波。通過降壓穩(wěn)壓單元保護輸出電壓，利用斬波器變換，從而輸出直流恒壓。

3 系統(tǒng)的軟件設計

3.1 開關觸點溫度檢測

高壓開關柜為電力系統(tǒng)主要高壓成套設備，根據線路方案使一次、二次設備在柜內組裝，不僅節(jié)約空間、供電可靠、安裝方案，還能夠美化環(huán)境。 此測溫系統(tǒng)觸頭指的是開關柜和斷路器的觸頭，利用觸指構成斷路器的觸頭。 開關柜在工作中會出現熱損耗，在周圍介質中通過傳導、對流散失。 因為動靜觸頭接觸內部空氣的對流比較緩慢，在熱分析中充分考慮觸頭接觸的內部傳導散熱等情況，所以在觸頭中安裝測溫模塊，實現開關柜開關觸點的溫度檢測，由于觸點接觸比較緊密，可以使用溫度傳感器在溫度標簽外部進行安裝。 在溫度檢測標簽工作的過程中，ZigBee 無線傳感器模塊能夠定時工作。 在喚醒標簽后，檢測溫度傳感器對溫度型號進行檢測，換算成為數字量之后向就近路由器發(fā)送，從而轉發(fā)管理系統(tǒng)。 通過管理系統(tǒng)能夠接收各個觸點傳感器發(fā)送的溫度信號，并且描述曲線。假如曲線超過上限值就會報警，提示及時維護［5-6］。

3.2 變電站環(huán)境監(jiān)測

變電站站內的微環(huán)境監(jiān)測主要為電纜溝、站內溫濕度等：針對戶外微氣象六要素監(jiān)測使用分布式，簡單來說就是利用六要素的不同設備檢測，利用無線傳感器網絡實現管理系統(tǒng)的設計。 由于變電站的區(qū)域是有限的，所以各個微環(huán)境的差別并不大。 本文利用集中式的方式在路由器合適位置處設置，檢測信息利用路由器對管理系統(tǒng)傳輸；針對室內溫濕度的檢測，可以使用室內型溫度檢測標簽，或者將溫濕度傳感器設置在室內ZigBee 路由器中；在漏浸水檢測過程中，用托辨式和檢測標簽結合實現［7］。 將漏浸水檢測標簽安裝在電纜溝等地方，如果對漏水進行檢測，就會利用無線傳感網將告警信息在管理系統(tǒng)發(fā)送。

針對水浸、溫濕度監(jiān)測標簽，利用ZigBee 芯片工作在定時的時間段進行喚醒工作。 在喚醒標簽中全面檢測溫濕度信號和水浸信號，換算數字量后發(fā)送路由器，向管理系統(tǒng)轉發(fā)。 管理系統(tǒng)對各觸點傳感器傳輸的信號進行記錄，如果超過上限值就會報警，提醒維修人員及時維護［8］。

3.3 安全設計

實現無線高壓測溫、環(huán)境監(jiān)測預警和變電站容設備監(jiān)測等合理設計，在設計變壓器指令的過程中，針對變壓器故障以監(jiān)測反饋的運行異常情況分析準確工位，根據具體原因使用相應的對策，使變壓器絕緣安全預警功能得到加強。 在變電站容設備監(jiān)測過程中，結合自動管理和智能控制，實時監(jiān)測變電站重要場所和等效電容，從而保證信號傳輸的安全性。

為了進一步地提高變電站運行環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的安全性，要求設計人員將物聯(lián)網結合網絡檢測技術（general packet radio service，GPRS），利用物聯(lián)網技術對變電站運行環(huán)境進行動態(tài)監(jiān)測。 比如，在傳感器網絡監(jiān)測技術應用過程中，運營商通過分組無線業(yè)務網絡檢測技術對設備圖像和溫度進行檢測，通過分組無線業(yè)務技術實現異常情況的定位，使現場運行中的問題得到解決［9］。

3.4 視頻監(jiān)控聯(lián)動模塊

變電站內監(jiān)控攝像頭的主要功能為位置預設和云臺，使視頻動態(tài)跟蹤需求得到滿足。 云臺包括電動云臺和固定云臺兩種，在監(jiān)視范圍小的時候可以使用固定云臺，在云臺中固定攝像頭，對攝像機角度進行調整，從而滿足最佳工作姿態(tài)。

在大范圍監(jiān)控區(qū)域掃描監(jiān)視中使用電動云臺，從而擴大攝像機的監(jiān)視范圍。 利用相應原理可以看出來，利用兩個交流電機實現云臺安裝平臺的設計，實現水平、垂直的運動，控制器信號能夠定位精準控制電動機［10-11］。 利用控制器信號實現精準控制，電動云臺攝像機對監(jiān)視區(qū)自動掃描，并且跟蹤監(jiān)視對象的行動軌跡。

云臺根據其回轉的特點可分為只能左右旋轉的水平旋轉云臺和既能左右旋轉又能上下旋轉的全方位云臺。電動云臺水平旋轉和垂直旋轉角度分別為0°～350°、90°。云臺旋轉速度主要包括變速和恒速，部分高速攝像頭應用系統(tǒng)中的云臺水平旋轉速度超過480°／s，垂直方向旋轉速度超過120°／s。 本文云臺和照相器材云臺不同，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的云臺能夠利用控制系統(tǒng)遠程控制［12］。 視頻監(jiān)控聯(lián)動功能和人員定位與電動云臺功能特點結合，跟蹤拍攝確定人員。 在對變電站區(qū)域人員進行定位之后，系統(tǒng)通過計算對當前人員地點視角良好攝像頭進行選擇，從而拍攝當前區(qū)域。 在改變人員位置之后，要求重新計算人員的位置，并且以攝像頭的變化角度對跟蹤拍攝需求進行調整。

此過程為實時動態(tài)切換，能夠通過攝像頭動態(tài)實時跟蹤拍攝定位人員，以人員的運動軌跡回放運動軌跡的視頻攝像，對運維人員進行防誤和安防操作。

4 實驗和分析

4.1 實驗數據

本文實驗數據使用某電網公司變電站數據庫中的數據，表1 為數據信息。

4.2 實驗分析

和傳統(tǒng)通信手段對比，本文設計系統(tǒng)的主要優(yōu)勢是可用時間比較久。 表2 為通信模塊損耗測試結果，在傳輸數據包周期為1min 以內時，通信模塊的功耗比較高，并且可用時間比較長。 在傳輸數據包為1d 或者1h 的時候，通信模塊功耗低，能夠用10a 或者5a。 此實驗結果證明本文設計的通信性能功耗低，并且可用時間久。

表2 通信模塊損耗測試結果

5 結語

物聯(lián)網技術的推廣能夠為我國變電站運行工作提供良好的技術保證，使變電站的運維人員能夠結合物聯(lián)網技術進行宏觀調控，對變電站運行環(huán)境與工作狀態(tài)進行監(jiān)督。 基于此，研究人員將物聯(lián)網技術與自動化技術相結合，及時定位變電站內部設備的運行異常問題，避免內部出現隱患，促進我國電力生產領域的可持續(xù)發(fā)展。