基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧祖帆

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司畢節(jié)供電局,貴州 畢節(jié) 551799)

0 引言

變電所是整個(gè)供電的關(guān)鍵環(huán)節(jié),不僅承擔(dān)著改變電力大小的工作,還承擔(dān)著重新分配供電的工作,影響著供電的效率、安全和穩(wěn)定。 現(xiàn)階段,變電所在監(jiān)控、平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)、管理等技術(shù)方面還存在缺陷。 在管理系統(tǒng)的方法、設(shè)備故障、監(jiān)控的自動(dòng)化水平方面還存在不足之處。 例如,較為傳統(tǒng)的手工數(shù)據(jù)錄入法,極易出錯(cuò)誤,不僅不利于數(shù)據(jù)的共享與存儲(chǔ),在設(shè)施編程、數(shù)據(jù)處理的格式上也缺乏規(guī)范性規(guī)定,容易造成數(shù)據(jù)孤島,約束數(shù)據(jù)的資源共享。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1.1 現(xiàn)代智能感應(yīng)器科學(xué)技術(shù)

傳感科技是信號(hào)識(shí)別和信息交換的測(cè)量有效手段,能夠分析采集數(shù)據(jù),以更加容易理解的形式傳遞數(shù)據(jù),使數(shù)據(jù)具有完整性。 傳感科技的優(yōu)點(diǎn)在于其敏感性。 將該技術(shù)應(yīng)用在智能變電站的在線監(jiān)測(cè)中,能夠有效提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量,保證其穩(wěn)定運(yùn)行。 傳感器技術(shù)在感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)中具備兩個(gè)功能:一是數(shù)據(jù)的分析與獲取;二是信息處理。 傳感器產(chǎn)品的應(yīng)用不但能夠滿足現(xiàn)代社會(huì)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)信息傳播的需要,還能滿足重傳過程中的信息處理需要,即系統(tǒng)能夠在接收到信號(hào)時(shí)把信息內(nèi)容轉(zhuǎn)化為所要求的形式,這是其他信號(hào)傳感器產(chǎn)品系統(tǒng)中所缺乏的。

1.2 數(shù)據(jù)通信技術(shù)

數(shù)據(jù)通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)人和機(jī)器之間的無(wú)障礙交流與信息傳遞,是數(shù)據(jù)通信技術(shù)技能上最大的突破。該技術(shù)是通過運(yùn)用信息排列組合的方法在人和機(jī)器的自由組合中完成信號(hào)的平穩(wěn)傳遞。 數(shù)據(jù)通信技術(shù)產(chǎn)品一般由以下3 個(gè)部分構(gòu)成:(1)業(yè)務(wù)應(yīng)用中樞。 該部分實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)使用目標(biāo)與消息傳遞目標(biāo);(2)無(wú)線傳輸端口。 該部分是數(shù)據(jù)傳輸中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息傳送裝置;(3)數(shù)據(jù)傳輸信道。 該部分是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸媒介。 由于信息技術(shù)的發(fā)展,數(shù)據(jù)通信技術(shù)應(yīng)用到各產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì),主要原因是由于該技術(shù)能夠有效解決人機(jī)之間的信息交流障礙。

2 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

RFID 數(shù)據(jù)中心資產(chǎn)信息監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)采用可跨平臺(tái)部署工作的Java 平臺(tái)技術(shù)管理系統(tǒng)。 該系統(tǒng)能夠把控各個(gè)信息管理場(chǎng)所設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)信息,統(tǒng)一由中央機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 而監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)除接收RFID 所收集的數(shù)據(jù)信息之外,還需要獲取管理用戶信息、權(quán)限信息、設(shè)備狀態(tài)信息等,并設(shè)定適當(dāng)?shù)木?應(yīng)用于Ajax數(shù)據(jù)交互處理。 通過傳遞前后臺(tái)的數(shù)據(jù),系統(tǒng)能夠?qū)⑿畔@示到終端上,這要求用戶在發(fā)送權(quán)限請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)務(wù)必要包括請(qǐng)求順序、響應(yīng)時(shí)間、優(yōu)先級(jí)和回調(diào)環(huán)節(jié)。 整個(gè)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)中,均采取了基于IP 技術(shù)的傳輸方法,將網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為純?yōu)g覽器/服務(wù)器模式(Browser/Server,B/S)架構(gòu)。 B/S 架構(gòu)是一種在Web 上的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式。 Web 服務(wù)器成為客戶的主要操作平臺(tái),使信息一目了然。 該服務(wù)器統(tǒng)一了客戶端,將核心部分集中到服務(wù)器上,有利于日后的二次開發(fā)。

控制系統(tǒng)包括RFID 電子產(chǎn)品標(biāo)志、RFID 標(biāo)識(shí)制度、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器以及中央監(jiān)測(cè)軟件4 個(gè)部分[1]。電子標(biāo)簽成為固定資產(chǎn)管理信息系統(tǒng)的唯一信息數(shù)據(jù)服務(wù)載體,利用放置于倉(cāng)庫(kù)大門口的RFID 識(shí)別系統(tǒng)來(lái)辨認(rèn)固定資產(chǎn)設(shè)備信息,由數(shù)據(jù)收集業(yè)務(wù)(中間件)對(duì)識(shí)讀的RFID 標(biāo)志信號(hào)經(jīng)過統(tǒng)計(jì)優(yōu)化過濾后,并上傳于中央監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。 如若不然,數(shù)據(jù)采集服務(wù)器則直接接受中央監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)傳來(lái)的指令,并通過監(jiān)測(cè)RFID 辨認(rèn)信息系統(tǒng)的工作狀況和IO 輸出狀況。

總體框架采用了4 層結(jié)構(gòu),與用戶界面性能相結(jié)合,利用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控、數(shù)據(jù)訪問與服務(wù)邏輯管理等將其徹底分離。 整個(gè)結(jié)構(gòu)非常靈活,具備較高的可擴(kuò)展性和分布式性能[2]。

物聯(lián)網(wǎng)智能技術(shù)認(rèn)知層一般通過超聲感應(yīng)器來(lái)工作,包括RFID 網(wǎng)絡(luò)電子標(biāo)志、溫濕度傳感器等設(shè)備以及檢測(cè)控制系統(tǒng)變壓器、電容器等用電設(shè)備。 物聯(lián)網(wǎng)智能技術(shù)能掌握電網(wǎng)或監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近的外界環(huán)境條件、地理環(huán)境資訊、設(shè)備自身屬性和運(yùn)行狀況等,從而為發(fā)電廠、監(jiān)測(cè)機(jī)關(guān)及其各網(wǎng)點(diǎn)的使用層供給所需求的信號(hào)。 通過此類傳感器的工作,能夠進(jìn)一步提高監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的精確程度。

電氣設(shè)備層有提高通信連接間的一致性工作能力,但不足之處在于變壓器裝置的復(fù)雜性較高[3]。 電氣設(shè)備層需依據(jù)使用環(huán)境的差異,選用有線和無(wú)線的通信方式,如UART,CAN,ZigBee,LoRa 等通信接口,通常會(huì)產(chǎn)生異構(gòu)性。 因此,在測(cè)試總線的機(jī)械振動(dòng)變化時(shí),因?yàn)榻^緣問題或者其他因素,宜采用無(wú)線通信方法;在測(cè)試電力變壓器參數(shù)變化時(shí),因電氣環(huán)境復(fù)雜多變,可能會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響,因此宜采用有線通信方法。

3 主要功能及工作原理

3.1 主要功能

為提高系統(tǒng)的信息化水平,通信平臺(tái)必須及時(shí)完成對(duì)信息的采集和處理,并監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況,保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 通信平臺(tái)不僅可以通過多種參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,通過傳感技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效控制,確保系統(tǒng)運(yùn)行的全過程均能夠受到傳感設(shè)備的監(jiān)控,還能夠收集系統(tǒng)運(yùn)行信息,保證系統(tǒng)不會(huì)頻繁出現(xiàn)故障。 在集成監(jiān)控系統(tǒng)的各控制單元中,建立具有統(tǒng)一特性、可靠性較高的接口,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部信息的多元化傳輸。 在此基礎(chǔ)上,確保系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控智能變電站的運(yùn)行,及時(shí)維修智能變電站運(yùn)行中的故障,并通過在線運(yùn)行代碼的方式,及時(shí)修改,減少智能變電站維護(hù)以及檢修的費(fèi)用支出。

數(shù)據(jù)采集單元不僅能夠監(jiān)控智能變電站的運(yùn)行情況,還能夠通過傳感器,采集智能變電站高壓開關(guān)、變壓設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù),保證變電站運(yùn)行的可靠性。 在對(duì)高壓開關(guān)以及變壓設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控時(shí),數(shù)據(jù)采集單元采用多種傳感器共同采集數(shù)據(jù),使智能變電站管理者能夠?qū)υO(shè)備的運(yùn)行情況有詳盡了解。 其中,變壓器傳感裝置中主要包括電流傳感器、溫度傳感器、避雷裝置以及水分傳感器組成。 數(shù)據(jù)采集單元能夠通過分析上述傳感器所收集的信息,并將其傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的智能電子裝置中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)管理單元內(nèi)主要包括變壓設(shè)備檢測(cè)智能電子裝置、監(jiān)控主機(jī)、計(jì)算機(jī)終端以及高低壓開關(guān)檢測(cè)智能電子裝置。 其中,各主智能電子裝置主要用于收集各子智能電子裝置所傳輸?shù)男畔?并將信息進(jìn)行整合處理,判斷信息類型,發(fā)出故障報(bào)警、超限報(bào)警等信號(hào)。報(bào)警控制單元收到信號(hào)后,通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、光纖傳輸?shù)接?jì)算機(jī)終端內(nèi),便于工作人員在收到信號(hào)后及時(shí)為檢修人員做出工作安排。 報(bào)警控制單元在接收到智能電子裝置傳輸?shù)男畔⒑?不僅能夠同時(shí)向其他報(bào)警裝置發(fā)出信號(hào),使其做出閃爍故障燈等操作,還可以暫時(shí)切斷供電線路,以保證智能變電站的其他設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生損壞。

網(wǎng)絡(luò)傳輸單元最大限度應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),通過射頻識(shí)別、電子標(biāo)簽等技術(shù),在智能變電站內(nèi)部運(yùn)行設(shè)備上安裝信息采集標(biāo)簽,用于計(jì)算機(jī)對(duì)其數(shù)據(jù)的讀取。計(jì)算機(jī)掌握讀取設(shè)備信息、設(shè)備運(yùn)行情況后,通過有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線局域網(wǎng)等方式,將監(jiān)控所采集的信息傳遞到網(wǎng)絡(luò)上,供技術(shù)人員進(jìn)行下載。 終端控制人員可以通過計(jì)算機(jī)查看智能變電站各部分的運(yùn)行情況,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能變電站運(yùn)行情況的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3.2 運(yùn)行原理

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)以智能變電站為基礎(chǔ),科學(xué)選擇通信協(xié)議,通過代碼運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的分層管理,對(duì)智能變電站內(nèi)所有設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)能通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況的收集,進(jìn)一步提高了監(jiān)控信息的精確性。

本系統(tǒng)采用IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)作為通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)作為國(guó)際電工委員會(huì)唯一認(rèn)可的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),具有極高的指導(dǎo)作用。 現(xiàn)階段的電力系統(tǒng),對(duì)變電站自動(dòng)化水平要求較高,在此背景下,就需采用此通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)智能變電站內(nèi)智能電子裝置的互聯(lián)以及管理。此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)公共通新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)范,進(jìn)一步提高了本系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。 目前,智能電子裝置在電力系統(tǒng)監(jiān)控中應(yīng)用水平不斷提高。 不同類型的智能電子裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)功能存在差異的傳感器的管理,不僅進(jìn)一步降低了系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)載,還能夠有效降低系統(tǒng)運(yùn)行所需的能源消耗。 在此系統(tǒng)中,負(fù)責(zé)采集高壓開關(guān)以及變壓器等設(shè)備運(yùn)行信息的傳感器以及信息采集設(shè)備位于最底層,其主要作用就是精確無(wú)誤地對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集,并通過通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方式,將所采集的信息輸出到智能電子裝置中。 智能電子裝置主要用于接收傳感器以及信息采集裝置所收集的信息,并將信息處理后,再次傳輸給數(shù)據(jù)管理單元。 數(shù)據(jù)管理單元會(huì)將信息呈現(xiàn)在終端計(jì)算機(jī)中,并篩選出其中故障信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)智能變電站的全面監(jiān)控。 該系統(tǒng)運(yùn)行后,可在電網(wǎng)公司內(nèi)建立出完善的監(jiān)控中心,并通過電信、移動(dòng)等通信公司系統(tǒng)的寬帶網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。 安裝與計(jì)算機(jī)連接的控制軟件,實(shí)現(xiàn)對(duì)智能變電站設(shè)備的監(jiān)控,監(jiān)控模塊通過與GPRS 通信模塊的連接,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。 除此之外,將用戶所使用的計(jì)算機(jī)終端與監(jiān)控中心連接,實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)庫(kù)的更新,進(jìn)一步提高了系統(tǒng)對(duì)變電設(shè)備故障的識(shí)別精確度。

采用分層結(jié)構(gòu)模式,系統(tǒng)能夠在不同層次部署不同的管理節(jié)點(diǎn),降低了統(tǒng)一管理模式中的風(fēng)險(xiǎn)。 此外,應(yīng)用此種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的分層處理,降低了大量數(shù)據(jù)傳輸過程中,對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成的傳輸負(fù)荷,同時(shí)也降低了對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)容量的需求。 應(yīng)用分層設(shè)計(jì),能夠使系統(tǒng)具有更為良好的可擴(kuò)展性。 在需要添加新功能時(shí),只需要對(duì)某一部分運(yùn)行代碼進(jìn)行修改,避免因小的改動(dòng),造成整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在變電站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中的應(yīng)用

4.1 變電站設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)

現(xiàn)階段,電力設(shè)施的維修與檢測(cè)通常通過定時(shí)試驗(yàn)和維修的方式,能夠在一定程度上改進(jìn)和克服設(shè)備的絕大多數(shù)問題。 但這些定時(shí)的預(yù)測(cè)試和維修的方式并不會(huì)直觀反映運(yùn)行設(shè)備的詳細(xì)信息和設(shè)備的實(shí)際工作狀況,也就無(wú)法及時(shí)預(yù)測(cè)意外故障[4]。 當(dāng)前,由于電力系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)的規(guī)模越來(lái)越大,人們對(duì)電能的需求也越來(lái)越高,因此原來(lái)的維護(hù)方式難以適應(yīng)將來(lái)的需求。為適應(yīng)未來(lái)的需要,電力設(shè)備應(yīng)采用更先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和故障診斷技術(shù)來(lái)監(jiān)控電力設(shè)備的在線狀況,比如采用變壓器設(shè)備、母線、電容器、避雷裝置等以及開展設(shè)備的突然故障告警,從而達(dá)到有效監(jiān)控的目的。

4.2 變電站檢查管理

在現(xiàn)階段,一般變電站檢測(cè)方法仍采用基于自動(dòng)記錄系統(tǒng)的檢測(cè)方式。 但此類型的檢查方法主要有3點(diǎn)弊端:(1)消息和數(shù)據(jù)的自動(dòng)錄入方式極易錯(cuò)誤,而且缺乏能夠反映電氣設(shè)備細(xì)節(jié)問題的圖片等材料。(2)難以查詢記錄,這也將會(huì)阻礙有關(guān)的責(zé)任人及其他維護(hù)人有效共享個(gè)人信息。 (3)缺少有效監(jiān)管。 由于主觀或客觀的原因,存在沒有檢查或無(wú)法有效完成檢查等問題[5]。

基于此,由于目前大部分變電站均采取人工檢測(cè)模式,所以很難完成從人工檢測(cè)到無(wú)人看守的轉(zhuǎn)換,需研發(fā)出從人工檢測(cè)到無(wú)人看守的轉(zhuǎn)變流程。 將RFID標(biāo)志和移動(dòng)端口部分裝配在電氣設(shè)備上,相關(guān)檢測(cè)設(shè)備的位置信息也能夠透過手持終端進(jìn)行查詢。 同時(shí),RFID 的通信距離也能夠使檢查人員能夠迅速到達(dá)相關(guān)區(qū)域并完成檢測(cè)。

首先,訪問檢查任務(wù)和手持終端設(shè)備需注冊(cè)記錄。其次,依次進(jìn)行檢查任務(wù)。 在整個(gè)檢測(cè)過程中,通過手持終端設(shè)備記錄和拍攝的圖片為檢查憑證[6],并實(shí)時(shí)上傳。 最后,當(dāng)檢查流程完成時(shí),將手持式設(shè)備放置回原先的檢查地點(diǎn),并證明檢測(cè)工作已經(jīng)完成。 在自查流程中,手持終端設(shè)備將提醒下一次的檢測(cè)位置和項(xiàng)目,但一旦在特定路徑上錯(cuò)過檢測(cè),將進(jìn)行錯(cuò)誤提示。

5 結(jié)語(yǔ)

變電站身為動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,其長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)營(yíng)環(huán)境和安全管理將對(duì)整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)和供電企業(yè)產(chǎn)生很大的影響。 通過建議和措施,提供了變電站物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的4 層應(yīng)用框架體系。 其中,設(shè)備分層主要是用來(lái)解決通信連接中的設(shè)備異構(gòu)性提問。 而數(shù)據(jù)分層則成為設(shè)備數(shù)據(jù)集中的消息預(yù)處理中樞,便于資源共享和提升信息系統(tǒng)效率。 設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)不僅能夠增強(qiáng)供電的安全性,利用設(shè)備在線檢測(cè)實(shí)時(shí)捕捉異常消息,還能夠及時(shí)預(yù)測(cè)供電設(shè)施的工作狀況,做好設(shè)備狀態(tài)保護(hù),防止設(shè)備發(fā)生故障。 在減少經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí),設(shè)備在線數(shù)據(jù)分析也比較客觀,大大減少設(shè)備因?yàn)榇翱谄诙鴨适шP(guān)鍵參考數(shù)據(jù)信息的可能性。 在檢驗(yàn)方面,它不但可以降低對(duì)傳統(tǒng)手工錄入數(shù)據(jù)信息的二次處理操作量,降低人為錯(cuò)誤的發(fā)生率,還能夠提高對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果的客觀支持材料質(zhì)量,有利于標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)管理,減少漏檢。