基于物聯(lián)網(wǎng)的10kV變配電系統(tǒng)智能監(jiān)控與管理分析

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；10 kV變配電系統(tǒng)；智能監(jiān)控管理；實(shí)施

引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力需求日益上升，對(duì)供電系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和效率提出了更高的要求。在現(xiàn)代電力基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集成，為加強(qiáng)關(guān)鍵系統(tǒng)的監(jiān)控和管理提供了重要支持。因此，文章深入分析了物聯(lián)網(wǎng)在10 kV變配電系統(tǒng)智能監(jiān)控管理中的應(yīng)用。通過(guò)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)的解決方案，電力企業(yè)可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行智能監(jiān)控管理，從而主動(dòng)解決故障問(wèn)題，最大限度地減少停機(jī)時(shí)間，確保變配電系統(tǒng)的良好運(yùn)行。

一、物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于10 kV變配電系統(tǒng)的作用

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)革命性的概念，指的是嵌入傳感器、軟件和其他技術(shù)的互連設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)收集和交換數(shù)據(jù)。這些設(shè)備的應(yīng)用范圍涉及家用電器和可穿戴設(shè)備等，也包括配電系統(tǒng)中的變壓器等復(fù)雜的工業(yè)機(jī)械和基礎(chǔ)設(shè)施組件。物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)這些設(shè)備之間的通信和數(shù)據(jù)交換，從而提高各種應(yīng)用的自動(dòng)化、效率和智能化。

現(xiàn)代電網(wǎng)是龐大且互連的網(wǎng)絡(luò)，管理如此復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施，需要采用先進(jìn)的監(jiān)控工具，才能夠從配電網(wǎng)中的各個(gè)點(diǎn)捕獲數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。首先，電力系統(tǒng)可借助智能電表和其他監(jiān)控設(shè)備獲取大量數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理并提取可行的見(jiàn)解。其次，太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源的普及率不斷提高，增加了發(fā)電的可變性和不確定性。將這些間歇性能源整合到電網(wǎng)中后，為了保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，電力企業(yè)需要復(fù)雜的監(jiān)控和管理機(jī)制。再次，電網(wǎng)運(yùn)行容易受到各種干擾，包括自然災(zāi)害、設(shè)備故障和物理攻擊。采取有效的主動(dòng)監(jiān)控和管理策略，能夠增強(qiáng)電網(wǎng)彈性，對(duì)于減少停機(jī)時(shí)間和確保服務(wù)連續(xù)性至關(guān)重要。此外，隨著電力需求的不斷增長(zhǎng)，優(yōu)化需求側(cè)管理對(duì)于平衡供需至關(guān)重要。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的監(jiān)控管理模式存在不足，所以需要探索實(shí)施更加科學(xué)的技術(shù)方法。

在10 kV變配電系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)引入智能設(shè)備和傳感器，在改變傳統(tǒng)監(jiān)控和管理實(shí)踐方面發(fā)揮著重要作用。基于物聯(lián)網(wǎng)的解決方案，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、性能指標(biāo)和潛在問(wèn)題，并為工作人員提供可操作的見(jiàn)解，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能并有效降低風(fēng)險(xiǎn)[1]。

二、基于物聯(lián)網(wǎng)的智能監(jiān)控管理措施

（一）電力參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

各種電力參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于保證10 kV變配電系統(tǒng)的高效運(yùn)行和維護(hù)至關(guān)重要。利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器連接，電力企業(yè)可以持續(xù)監(jiān)控電壓、電流、功率因數(shù)、頻率和諧波失真等關(guān)鍵參數(shù)，從而強(qiáng)化變配電系統(tǒng)的智能監(jiān)控管理。具體監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括以下五個(gè)方面。

1.電壓監(jiān)測(cè)

安裝在配電網(wǎng)絡(luò)各個(gè)點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)傳感器，可以實(shí)時(shí)測(cè)量電壓水平、監(jiān)控電壓波動(dòng)，有助于識(shí)別潛在問(wèn)題，如電壓驟降、驟升或中斷等。這些問(wèn)題會(huì)影響向消費(fèi)者供電的質(zhì)量。

2.電流監(jiān)測(cè)

基于物聯(lián)網(wǎng)的電流傳感器可以測(cè)量流經(jīng)配電系統(tǒng)不同部分的電流，通過(guò)監(jiān)控電流水平，發(fā)現(xiàn)過(guò)載、短路或不平衡負(fù)載等問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞或系統(tǒng)故障[2]。

3.功率因數(shù)監(jiān)測(cè)

功率因數(shù)是衡量電力傳輸和分配效率的關(guān)鍵參數(shù)。物聯(lián)網(wǎng)傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)控功率因數(shù)，并發(fā)現(xiàn)功率因數(shù)校正的機(jī)會(huì)，從而提高系統(tǒng)效率，并減少能源損失。

4.頻率監(jiān)控

監(jiān)控頻率與標(biāo)稱值的偏差有助于檢測(cè)異常運(yùn)行狀況，例如發(fā)電機(jī)或電網(wǎng)不穩(wěn)定等。物聯(lián)網(wǎng)傳感器可以提供實(shí)時(shí)頻率測(cè)量，確保電力企業(yè)能夠采取糾正措施，從而保持系統(tǒng)穩(wěn)定性。

5.諧波失真監(jiān)測(cè)

諧波失真是指由于電氣系統(tǒng)中存在諧波，導(dǎo)致電壓或電流正弦波形失真的情況。配備諧波分析儀的物聯(lián)網(wǎng)傳感器，可以監(jiān)測(cè)諧波失真水平，并識(shí)別潛在的諧波源，例如非線性負(fù)載電力電子設(shè)備等。

（二）使用物聯(lián)網(wǎng)傳感器進(jìn)行故障檢測(cè)和隔離

故障檢測(cè)和隔離是管理10 kV變配電系統(tǒng)的關(guān)鍵方面，能夠最大限度地減少停機(jī)時(shí)間、防止設(shè)備損壞，并確保服務(wù)的連續(xù)性。物聯(lián)網(wǎng)傳感器在檢測(cè)故障、定位故障源和隔離受影響的組件方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。具體應(yīng)用包括以下幾方面。

1.故障檢測(cè)

部署在整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)中的物聯(lián)網(wǎng)傳感器，持續(xù)監(jiān)測(cè)電壓、電流、溫度和絕緣電阻等各種參數(shù)。當(dāng)發(fā)生短路或接地故障等故障時(shí)，這些傳感器會(huì)檢測(cè)到異常情況并觸發(fā)警報(bào)。

2.故障定位

先進(jìn)的故障檢測(cè)算法結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)傳感器提供的空間信息，能夠準(zhǔn)確定位故障源。通過(guò)分析從多個(gè)傳感器收集的數(shù)據(jù)，電力企業(yè)可以確定故障存在的確切位置——變壓器、開(kāi)關(guān)設(shè)備、電纜或其他組件。

3. 故障隔離

一旦識(shí)別出故障源，基于物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)化系統(tǒng)可以自動(dòng)隔離配電網(wǎng)受影響的部分，防止故障蔓延，并最大限度地減少對(duì)系統(tǒng)其他部分的影響。例如，配備物聯(lián)網(wǎng)連接的智能斷路器或重合器，可以跳閘或斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的特定部分，從而隔離故障區(qū)域，同時(shí)維持對(duì)未受影響區(qū)域的服務(wù)[3]。

（三）物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的分析、支持及預(yù)測(cè)性維護(hù)

利用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析，電力企業(yè)可以預(yù)測(cè)設(shè)備故障、確定維護(hù)需求，并主動(dòng)優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃。通過(guò)分析部署在整個(gè)配電系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)傳感器收集的大量數(shù)據(jù)，電力企業(yè)能夠識(shí)別出潛在設(shè)備故障或性能下降的模式、趨勢(shì)及早期指標(biāo)，進(jìn)而加強(qiáng)變配電系統(tǒng)的管理。具體應(yīng)用包括以下幾方面。

1.狀態(tài)監(jiān)測(cè)

物聯(lián)網(wǎng)傳感器通過(guò)測(cè)量溫度、振動(dòng)、油質(zhì)和絕緣電阻等參數(shù)，持續(xù)監(jiān)控變壓器、斷路器、開(kāi)關(guān)和電纜等關(guān)鍵部件的狀態(tài)。電力企業(yè)通過(guò)分析從這些傳感器收集的數(shù)據(jù)，可以評(píng)估設(shè)備的健康狀況，并檢測(cè)出潛在的惡化跡象或異常行為。

2.設(shè)備健康分析

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法和預(yù)測(cè)模型，分析歷史數(shù)據(jù)，識(shí)別操作條件和設(shè)備故障之間的相關(guān)性，并預(yù)測(cè)未來(lái)的故障概率。通過(guò)分析負(fù)載狀況、環(huán)境條件、運(yùn)行時(shí)間和維護(hù)歷史等數(shù)據(jù)，電力企業(yè)可以評(píng)估設(shè)備資產(chǎn)的健康狀況和剩余使用壽命，并相應(yīng)地確定維護(hù)工作的優(yōu)先級(jí)。

3.異常檢測(cè)

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)采用異常檢測(cè)算法，識(shí)別系統(tǒng)與正常操作條件或預(yù)期行為的偏差。電力企業(yè)通過(guò)標(biāo)記數(shù)據(jù)中的異常模式或異常值，就可以檢測(cè)需要進(jìn)一步調(diào)查或干預(yù)的潛在設(shè)備故障與性能異常問(wèn)題。

4.預(yù)測(cè)診斷

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)通過(guò)關(guān)聯(lián)多個(gè)數(shù)據(jù)源，識(shí)別影響因素，提供設(shè)備故障或性能問(wèn)題的診斷見(jiàn)解。

（四）實(shí)現(xiàn)集成自動(dòng)化以提高問(wèn)題響應(yīng)速度

將自動(dòng)化集成應(yīng)用于10 kV變配電系統(tǒng)中，對(duì)于系統(tǒng)更快地響應(yīng)問(wèn)題和優(yōu)化性能至關(guān)重要?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)和智能自動(dòng)化的故障診斷解決方案，變配電系統(tǒng)可以自動(dòng)執(zhí)行日常響應(yīng)任務(wù)，加快決策過(guò)程，及時(shí)采取干預(yù)措施來(lái)解決問(wèn)題。具體應(yīng)用包括以下幾方面。

1.自動(dòng)故障響應(yīng)

自動(dòng)化集成可以快速檢測(cè)和響應(yīng)配電系統(tǒng)中的故障或異常。物聯(lián)網(wǎng)傳感器持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)是否偏離正常運(yùn)行條件，如電壓波動(dòng)、電流過(guò)載或設(shè)備故障等。當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)可以啟動(dòng)預(yù)定義的響應(yīng)操作，例如隔離網(wǎng)絡(luò)的故障部分，重新配置潮流，或激活備用系統(tǒng)，確保服務(wù)的連續(xù)性。通過(guò)自動(dòng)化故障響應(yīng)流程，系統(tǒng)可以最大限度地減少停機(jī)時(shí)間、防止級(jí)聯(lián)故障，并提高可靠性。

2.動(dòng)態(tài)負(fù)載管理

自動(dòng)化集成促進(jìn)動(dòng)態(tài)負(fù)載管理，有助于優(yōu)化變配電系統(tǒng)設(shè)備和資源的利用率。通過(guò)持續(xù)監(jiān)控負(fù)載狀況、需求模式和系統(tǒng)狀況，自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以調(diào)整負(fù)載的分配，在變壓器或饋線之間重新分配負(fù)載并優(yōu)化電壓調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)匹配供應(yīng)與需求。通過(guò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化負(fù)載分配，系統(tǒng)可以提高運(yùn)行效率，減少能量損失，增強(qiáng)整體性能。

3.預(yù)測(cè)性維護(hù)的優(yōu)化

自動(dòng)化分析物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，安排維護(hù)活動(dòng)，有助于優(yōu)化預(yù)測(cè)性維護(hù)策略。自動(dòng)化數(shù)據(jù)分析平臺(tái)可以分析歷史數(shù)據(jù)、識(shí)別趨勢(shì)，并根據(jù)預(yù)定義的標(biāo)準(zhǔn)和算法預(yù)測(cè)設(shè)備故障或維護(hù)需求[5]。通過(guò)自動(dòng)化維護(hù)計(jì)劃流程，電力企業(yè)可以優(yōu)化資源分配，確定維護(hù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，最大限度地減少運(yùn)營(yíng)中斷，同時(shí)提高關(guān)鍵設(shè)備的可靠性和可用性。

4.自適應(yīng)控制和優(yōu)化

自適應(yīng)控制和優(yōu)化算法，能夠不斷調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)和操作條件，響應(yīng)不斷變化的需求、環(huán)境條件或系統(tǒng)動(dòng)態(tài)。通過(guò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制策略，自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以最大限度地提高系統(tǒng)效率，降低能耗，并在不同的運(yùn)行條件下保持最佳性能。自適應(yīng)控制算法可以學(xué)習(xí)以往經(jīng)驗(yàn)，適應(yīng)不斷變化的情況，并實(shí)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)性能，確保變配電系統(tǒng)的彈性和可靠性[4]。

三、智能解決方案的具體實(shí)施

（一）選擇合適的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器

選擇正確的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器，對(duì)于捕獲準(zhǔn)確且相關(guān)的數(shù)據(jù)至關(guān)重要，要確保變配電系統(tǒng)監(jiān)控和管理的有效性，主要考慮因素包括以下幾方面。第一，兼容性：確保所選設(shè)備和傳感器，與配電系統(tǒng)中使用的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施兼容。第二，功能：選擇能夠高精度測(cè)量電壓、電流、溫度、濕度、電能質(zhì)量等相關(guān)參數(shù)的設(shè)備和傳感器，同時(shí)設(shè)備應(yīng)該具有無(wú)線連接、遠(yuǎn)程配置和自診斷功能等附加功能。第三，可靠性和耐用性：選擇堅(jiān)固、可靠且能夠適應(yīng)系統(tǒng)環(huán)境中容易遇到的惡劣操作條件的設(shè)備和傳感器。它們應(yīng)該具有堅(jiān)固的外殼、寬工作溫度范圍，以及可靠性和耐用性認(rèn)證。第四，可擴(kuò)展性：確保所選設(shè)備和傳感器可以擴(kuò)展，能適應(yīng)配電系統(tǒng)未來(lái)的擴(kuò)展或升級(jí)。為此，電力企業(yè)應(yīng)當(dāng)挑選那些能夠輕松融入現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施、模塊化設(shè)計(jì)且具備互操作性的設(shè)備，確保它們能夠根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行無(wú)縫擴(kuò)展。第五，成本效益：考慮總成本，包括前期采購(gòu)成本、安裝成本、維護(hù)成本和持續(xù)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。電力企業(yè)需要根據(jù)系統(tǒng)生命周期內(nèi)的成本效益和投資回報(bào)，進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，并選擇適合的傳感器設(shè)備。

（二）安裝集成過(guò)程

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備傳感器在變配電系統(tǒng)中的安裝和集成，需要經(jīng)過(guò)仔細(xì)的規(guī)劃、執(zhí)行和協(xié)調(diào)，確保其運(yùn)行的高效性和互操作性，關(guān)鍵步驟包括以下幾個(gè)方面。第一，進(jìn)行全面的現(xiàn)場(chǎng)勘察，根據(jù)可訪問(wèn)性、與關(guān)鍵組件的接近程度、覆蓋區(qū)域等因素，確定安裝物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器的最佳位置；然后制定詳細(xì)的安裝計(jì)劃，規(guī)定每個(gè)設(shè)備的安裝位置、朝向以及所應(yīng)遵循的安裝標(biāo)準(zhǔn)等具體要求。第二，按照安裝規(guī)劃，安裝所選的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器，保接線、接地和絕緣處理準(zhǔn)確無(wú)誤，以最大限度地減少干擾并確保安全使用；同時(shí)，在安裝、連接和配置每個(gè)設(shè)備的過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格遵循制造商提供的指南及行業(yè)最佳實(shí)踐。第三，在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備傳感器與集中式數(shù)據(jù)收集管理系統(tǒng)之間建立連接，配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，例如IP地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)設(shè)置等，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫通信和數(shù)據(jù)交換。第四，將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器集成至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，例如數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）或云端物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中。在此過(guò)程中，電力企業(yè)需配置數(shù)據(jù)采集協(xié)議、設(shè)定數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)參數(shù)，以確保數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)及傳輸過(guò)程既可靠又安全。第五，對(duì)于已安裝的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器，電力企業(yè)需要進(jìn)行徹底的測(cè)試和調(diào)試，驗(yàn)證其功能、準(zhǔn)確性和可靠性；執(zhí)行診斷測(cè)試、校準(zhǔn)程序和驗(yàn)證檢查，確保每個(gè)設(shè)備的運(yùn)行達(dá)到預(yù)期的性能標(biāo)準(zhǔn)。

（三）數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)和分析方法

為了有效管理數(shù)據(jù)，電力企業(yè)需要做到以下幾點(diǎn)。第一，電力企業(yè)需要建立強(qiáng)大的數(shù)據(jù)收集機(jī)制，從分布在整個(gè)電力系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器中捕獲實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；實(shí)施數(shù)據(jù)采集協(xié)議，例如輪詢或事件驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)采集，定期檢索數(shù)據(jù)或響應(yīng)預(yù)定義的觸發(fā)器。第二，電力企業(yè)應(yīng)選擇合適的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案，確保能適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備傳感器生成的數(shù)據(jù)量、速度和種類；在選擇本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)、云存儲(chǔ)服務(wù)，或分布式文件系統(tǒng)等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)選項(xiàng)時(shí)，要考慮可擴(kuò)展性、可靠性、安全性和合規(guī)性要求等因素。第三，電力企業(yè)可以利用統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)建模等先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，從收集到的數(shù)據(jù)中得出可行的見(jiàn)解；開(kāi)發(fā)算法和模型，以檢測(cè)數(shù)據(jù)中的模式、趨勢(shì)、異常和相關(guān)性，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)決策和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

結(jié)語(yǔ)

電力能源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成到10 kV變配電系統(tǒng)的監(jiān)控管理中，有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效和可靠運(yùn)行。通過(guò)優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的選擇、安裝，以及數(shù)據(jù)管理解決方案，電力企業(yè)能夠更好地利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，加強(qiáng)智能監(jiān)控與管理，從而優(yōu)化電力系統(tǒng)性能，提高供電的穩(wěn)定性。