智慧配電間巡檢系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

國網(wǎng)湖南省電力有限公司長沙市湘江新區(qū)供電分公司 劉 翀

配電間是配電網(wǎng)重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)末端配電網(wǎng)中傳輸、分配電能的重要電力設(shè)備場所，直接擔(dān)負(fù)為企業(yè)、商業(yè)、住宅小區(qū)等用戶供電的任務(wù)。配電間數(shù)量多，且離散分布在城市和農(nóng)村各處，運(yùn)行維護(hù)難度較大。目前，大多數(shù)配電間為無人值守，一旦發(fā)生設(shè)備運(yùn)行故障或事故，容易因設(shè)備缺陷發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，或運(yùn)維人員專業(yè)能力不足而導(dǎo)致缺陷處理不當(dāng)或失誤，給電網(wǎng)或用戶帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失和不利影響。因此，在配電間推廣智能巡檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)配電間內(nèi)環(huán)境和運(yùn)行設(shè)備的全面感知與智能分析，滿足配電網(wǎng)的智能監(jiān)測和安全穩(wěn)定運(yùn)行要求，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺技術(shù)的新型配電系統(tǒng)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 智慧配電間巡檢系統(tǒng)總體技術(shù)研究

1.1 智慧配電間巡檢系統(tǒng)概述

智慧配電間巡檢系統(tǒng)是為適應(yīng)配電間環(huán)境，對配電間進(jìn)行巡檢、監(jiān)控和消防的一體化智能巡檢系統(tǒng)。系統(tǒng)依托電力物聯(lián)網(wǎng)平臺，以“智能控制”為核心，采用物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析及人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)，配置巡檢機(jī)器人、環(huán)境監(jiān)測裝置、無線測溫裝置、智能配變終端、無線數(shù)據(jù)終端等智能設(shè)備，通過應(yīng)用新一代物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、精確傳感等先進(jìn)技術(shù)，對室內(nèi)環(huán)境、安防和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與管理，實(shí)現(xiàn)配電間內(nèi)環(huán)境狀況和設(shè)備狀態(tài)的全面感知和智能控制。

系統(tǒng)平臺可以實(shí)現(xiàn)配電間內(nèi)環(huán)境監(jiān)測、安防監(jiān)控、設(shè)備檢測及機(jī)器人巡檢等各子系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)，還可通過軟硬件結(jié)合的方式與站內(nèi)綜自系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自定義的聯(lián)動(dòng)功能。

系統(tǒng)平臺的核心交互設(shè)備是通訊管理機(jī)，集配電間的用電參數(shù)采集、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、即時(shí)智能分析與決策、主站信息交互及協(xié)同計(jì)算等功能于一體，采用云計(jì)算、通信信道、邊緣計(jì)算、智能終端相結(jié)合的系統(tǒng)架構(gòu)，基于數(shù)據(jù)中臺實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)。通過采用全面感知、數(shù)據(jù)融合、信息共享和個(gè)性化定制服務(wù)等技術(shù)，對配電間進(jìn)行監(jiān)測與管理，實(shí)現(xiàn)全采集、全感知和智能運(yùn)維[1-2]。智慧配電間巡檢系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 智慧配電間巡檢系統(tǒng)組成

1.2 智慧配電間巡檢系統(tǒng)架構(gòu)

智慧配電間巡檢系統(tǒng)通過對配電間的環(huán)境狀況和設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、異常告警、故障預(yù)警以及智能聯(lián)動(dòng)等，提升了配電間的運(yùn)行穩(wěn)定性和智能化水平。智慧配電間巡檢系統(tǒng)主要包括感知層、傳輸層、應(yīng)用層和終端層。感知層包括電流電壓傳感器、溫濕度傳感器、剩余電量檢測裝置、煙霧傳感器、水浸傳感器、門禁控制器等涉及配電間安全和運(yùn)行狀態(tài)的重要感知設(shè)備。傳輸層包括智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備、無線連接設(shè)備、電力專網(wǎng)等。應(yīng)用層包括配電間供配電設(shè)備測控平臺，負(fù)責(zé)采集、分析及應(yīng)用感知層獲取的配電間運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)。終端層包括手機(jī)終端、監(jiān)控大屏、計(jì)算機(jī)等，可以實(shí)時(shí)收到配電間的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，以及告警和預(yù)警信息。

智慧配電間巡檢系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)信息采集分為三部分，第一部分為10kV 側(cè)的電氣量信息，該信息通過RS485/網(wǎng)線，接入通信管理機(jī)，顯示在后臺監(jiān)控子站系統(tǒng)，并可上傳至調(diào)控中心。通信管理機(jī)具備4G/5G 電力專網(wǎng)傳輸?shù)墓δ?，且將相關(guān)數(shù)據(jù)加密傳輸。第二部分為變壓器低壓電氣量、傳感器感知非電氣量信息，該信息通過控制電纜、RS485或無線方式接入智能融合終端內(nèi)，融合終端通過無線專網(wǎng)或光纜等方式接入物聯(lián)網(wǎng)平臺主站。第三部分為智能機(jī)器人采集信息，該部分信息通過載波通信接入機(jī)器人站控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)配電間數(shù)據(jù)就地分析及控制。機(jī)器人站控系統(tǒng)信息實(shí)現(xiàn)一發(fā)雙收，一份通過光纜接入機(jī)器人遠(yuǎn)程控制中心；一份通過正反向隔離裝置接入物聯(lián)網(wǎng)平臺主站。

圖2 智慧配電間巡檢系統(tǒng)拓?fù)鋱D

融合終端采集的信息上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺主站，數(shù)據(jù)融合進(jìn)調(diào)控中心，后臺監(jiān)控子站系統(tǒng)自調(diào)控中心獲取數(shù)據(jù)，就地顯示在子站系統(tǒng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)就地?cái)?shù)據(jù)分析及顯示。后臺監(jiān)測子站系統(tǒng)可顯示全配電間的拓?fù)鋱D、電氣量參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等，并可實(shí)現(xiàn)就地計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制。

1.3 智慧配電間巡檢系統(tǒng)通信組網(wǎng)

在通信組網(wǎng)中主要的通信模式包括通信專網(wǎng)和無線公網(wǎng)。無線公網(wǎng)通信方式雖然簡單，但該通信方式穩(wěn)定性不強(qiáng)。采用無線公網(wǎng)進(jìn)行特殊要求的電力訪問時(shí)，不能夠滿足其數(shù)據(jù)的安全性，容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失和篡改，且容易受到天氣的影響。通信專網(wǎng)通信方式雖然信號穩(wěn)定，安全可靠，但鋪設(shè)時(shí)間長，成本高。終端接入通信網(wǎng)中一般采用多種類型的通信方式，如光纖通信、電力載波、電力無線寬帶專網(wǎng)等；配電網(wǎng)公網(wǎng)的通信，則采用4G/5G 等通信技術(shù)與主站進(jìn)行直接通信。

針對當(dāng)前智慧配電網(wǎng)通信的需求，設(shè)計(jì)一種多維度的電力專網(wǎng)組網(wǎng)模式。該通信組網(wǎng)包括通信專網(wǎng)和無線公網(wǎng)兩部分組成。在該組網(wǎng)模式中，包括骨干通信網(wǎng)絡(luò)和接入通信網(wǎng)絡(luò)兩部分。其中，骨干通信網(wǎng)絡(luò)主要用于110kV/35kV 變電站和主站之間的通信；接入網(wǎng)絡(luò)則主要實(shí)現(xiàn)35kV 以下變電站和10kV 配電間至380V 用電的通信。骨干網(wǎng)絡(luò)主要是采用數(shù)據(jù)網(wǎng)或者是傳輸網(wǎng)模式。接入網(wǎng)中的信息全部匯聚到骨干層中，對信息的處理要高，并且數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞蕉鄻覽3-4]。電力專網(wǎng)組網(wǎng)方案如圖3所示。

圖3 電力專網(wǎng)組網(wǎng)方案

3 智慧配電間巡檢系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 環(huán)境監(jiān)測

配電間環(huán)境監(jiān)測主要包括溫濕度、水浸、火災(zāi)報(bào)警、有毒有害及易燃易爆氣體檢測、視頻監(jiān)控、門禁管理、燈光照明控制等。環(huán)境因素變化超過一定限值可實(shí)現(xiàn)與相關(guān)調(diào)節(jié)裝置和告警裝置聯(lián)動(dòng)，并可實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)方的聲光電報(bào)警及應(yīng)急聯(lián)動(dòng)處理。通過采集配電間的環(huán)境狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對配電間調(diào)溫、通風(fēng)、除濕、水浸、煙感、有毒有害及易燃易爆氣體泄漏等狀態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測，并控制配電室環(huán)境調(diào)節(jié)裝置，為設(shè)備提供良好的運(yùn)行環(huán)境。

3.2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測

通過對配電間變壓器等重點(diǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、開關(guān)位置、電氣接點(diǎn)溫度等信息采集（如圖4所示），實(shí)現(xiàn)配電間電力設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測，包括設(shè)備狀態(tài)異常變化及缺陷告警信息提示等。傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)以有線或無線的方式傳送到通訊管理機(jī)。通訊管理機(jī)是配電間環(huán)境監(jiān)測的“中樞”，負(fù)責(zé)對配電間環(huán)境狀態(tài)與設(shè)備運(yùn)行信息進(jìn)行采集、傳輸與分析。實(shí)現(xiàn)傳感器設(shè)備與控制裝置之間的智能聯(lián)動(dòng)，并將任務(wù)處理完成后的結(jié)果信息上傳至調(diào)控平臺，也會及時(shí)執(zhí)行調(diào)控平臺下發(fā)的各項(xiàng)任務(wù)指令[5]。

3.3 安防監(jiān)控

通過可見光攝像機(jī)，紅外監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境、設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)的可視化監(jiān)視。輔助門禁監(jiān)視實(shí)現(xiàn)防止陌生人侵入監(jiān)測，也可以對室內(nèi)電力設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能巡視。在智慧配電間巡檢系統(tǒng)平臺上實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)監(jiān)測、遠(yuǎn)程監(jiān)控、專家診斷、故障預(yù)警等智能化分析功能。

3.4 巡檢機(jī)器人

室內(nèi)軌道智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)可輔助或替代人工進(jìn)行室內(nèi)設(shè)備巡檢。降低人工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，有利于運(yùn)維人員及時(shí)了解設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。機(jī)器人作為巡檢平臺通過搭載高清可見光攝像機(jī)和紅外等智能傳感器，沿吊裝軌道對電力屏柜等設(shè)備進(jìn)行非接觸巡檢，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)電力設(shè)備全方位（無死角）、全自動(dòng)智能化巡檢，獲取設(shè)備的圖像、狀態(tài)等重要信息（如圖5所示）。降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高配電間設(shè)備巡檢的智能化水平，減少安全管理成本，提升企業(yè)的行業(yè)地位和社會形象[6]。

圖5 室內(nèi)軌道巡檢機(jī)器人現(xiàn)場

4 智慧配電間巡檢系統(tǒng)特點(diǎn)和優(yōu)勢

4.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

一是數(shù)據(jù)可測化：實(shí)時(shí)監(jiān)測配電間內(nèi)電力設(shè)備，干路和支路電力線路，及室內(nèi)環(huán)境的狀態(tài)。二是狀態(tài)可視化：以圖形化方式提供重點(diǎn)突出、條理清晰、趨勢直觀的監(jiān)測數(shù)據(jù)展示。三是設(shè)備可控化：可智能聯(lián)動(dòng)或遠(yuǎn)程控制配電間內(nèi)空調(diào)、攝像機(jī)、聲光電報(bào)警器等設(shè)備。四是功能多樣化：實(shí)現(xiàn)視頻、紅外、局放、溫濕度、聲音、有毒氣體采集與監(jiān)測等多樣化功能。

4.2 系統(tǒng)優(yōu)勢

通過應(yīng)用智慧配電間巡檢系統(tǒng)對傳統(tǒng)配電房進(jìn)行升級改造，增設(shè)水浸傳感器、噪聲傳感器、超聲波驅(qū)鼠器、無線測溫收發(fā)器、可見光攝像機(jī)、門禁控制單元、巡檢機(jī)器人等檢測手段，可有效實(shí)現(xiàn)配電間電氣設(shè)備和環(huán)境狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制。通過智慧配電間系統(tǒng)，運(yùn)維人員可足不出戶完成對配電間巡查，減少運(yùn)維人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低運(yùn)維成本。將通過運(yùn)維人員巡檢獲取配電房內(nèi)部電氣設(shè)備和環(huán)境狀態(tài)信息的方式，改變?yōu)橥ㄟ^在線監(jiān)測手段，實(shí)現(xiàn)對配電房內(nèi)電氣設(shè)備和環(huán)境狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

綜上所述，配電間智能巡檢系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對配電間重要設(shè)備、線路、環(huán)境等的運(yùn)行監(jiān)測及開關(guān)的遠(yuǎn)程操作和控制，提高了配電間的運(yùn)行可靠性和智能化水平。通過構(gòu)建新型智能配電系統(tǒng)，將電網(wǎng)能源流、業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)更深層次、更高頻度的融合交互，為實(shí)現(xiàn)配電間數(shù)字化升級奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。