基于物联网信息集成的箱式变电站运行状态综合监控系统研究

郑丽娟，郭强，胡翔，关山，李吉献

（1.杭州电力设备制造有限公司余杭群力成套电气制造分公司，杭州311100；2.东北电力大学机械工程学院，吉林吉林132012）

0 引言

箱式变电站（以下简称箱变）以其结构紧凑、安装方便、运行可靠、内部设备组合灵活等特点在电力系统中扮演着重要角色。箱变的巡检与维护是电力系统运行的重要工作。作为配电网的重要传输节点，箱变多深入负荷中心，最大限度降低了线损，但也导致箱变分布极其分散，对巡检与运维造成了极大的困难［1-2］。而且，当箱变内电气设备发生故障时，无法对电气设备进行实时有效的调整，亟须在就地监控、远程运维及运行状态评估等方面加以改进。如何对箱变运行状态进行实时监测和智能控制，是电力系统工作中存在的难点和重点［3-6］。

近年来，国内外学者和电力系统工作人员在箱变运行监控方面开展了大量的研究。针对人工巡检的弊端，巡检机器人被用来完成站内电力设备监测以及故障初步诊断［7-9］。文献［10］重点研究变电站监测系统中的管理问题；文献［11］提出了基于全球移动通信系统（GSM）技术的综合监测系统，但是此系统主要侧重于通信技术，对变电站的监测和控制系统研究较少；文献［12］通过知识发现系统从箱变历史数据和实时数据中提取重要参数，提高箱变的自动化水平。此外，当前应用的箱变监测系统仅采用阈值法进行预警，在大数据分析、故障诊断方面欠缺很大［13-14］。因此，本文设计了一种基于物联网信息集成的箱变运行状态在线综合监测系统，实现对箱变的就地监控与远程运维。

1 箱变综合监控系统架构设计

基于物联网信息集成的箱变运行状态在线综合监控系统整体设计方案如图1所示。系统分为现场层、平台层及表现层。现场层以箱变综合监控装置为核心，实现箱变多种监测信息的采集、分析、显示、控制、报警等功能；平台层为整个系统的协调调度中心，由多种微服务组成，实现对现场层数据的采集、存储以及与表现层数据的交互等；表现层主要用于接收用户请求，响应数据显示，为用户提供与机器交互的接口。

图1 箱变运行状态在线综合监控系统整体设计方案Fig.1 Overall structure of the online comprehensive monitoring system for in⁃service states of prefabricated substations

2 现场层

现场层为基于物联网连接的分布于不同物理位置的箱变的集合，每台箱变中均安装1 台综合监控装置，实现对箱变高压室、低压室和变压器室多种电气量、非电气量及开关状态的监测与智能化控制，具体的监测与控制功能如图2所示。

图2 监测与控制功能Fig.2 Monitoring and control function

2.1 箱变综合监控装置总体设计

箱变综合监控装置结构如图3所示。该结构采用模块化设计思想，由监测与控制核心组件（图3中虚线框内部分）、电源模块以及布置于箱变高压室、变压器室、低压室内的多个监控模块组成。多个监控功能模块通过RS-485 总线以“即插即用”的方式与集中监测与管理模块连接，实现箱变的就地监测与控制，为不同用户对箱变监控功能的个性化需求提供了柔性强、成本低的选择方案，也为后续智能箱变新测控功能模块的开发与应用提供了基础。

2.2 监测与控制核心组件

监测与控制核心组件由集中监测与管理模块、通信模块和人机接口模块3 部分组成，为箱变综合监控装置的固定部分，通过RS-485 总线分时与其他各监控模块建立通信联系。集中监测与管理模块为综合监控装置的可选部分，用户可依据需求进行选择或增加更多监控功能的新模块。采用这种结构设计，当监控功能改变时，只需要对软件进行适当的更新即可，增加了设计的柔性。

图3 箱变综合监控装置结构Fig.3 Structure of the comprehensive monitoring device in the fabricated substation

2.2.1 集中监测与管理模块

集中监测与管理模块主要包括由STM32F103 RCT6 为主控芯片的核心电路及RS-485 通信电路2部分。STM32F103RCT6 主控芯片以32 位Cortex-M3 为内核，最高主频达72 MHz，程序存储器容量是256 KB，具有2 个通用同步/异步串行接收/发送器（USART）接口，分别用于实现与通信模块及各监控模块的RS-485通信。STM32F103RCT6芯片外围电路如图4所示，RS-485通信模块电路如图5所示。

图4 STM32F103RCT6芯片外围电路Fig.4 STM32F103RCT6 chip peripheral circuit

2.2.2 通信模块

通信模块原理示意如图6 所示，主要包括EC20无线通信模块、RS-485 转换模块、用户识别（SIM）卡以及用于4G 通信和北斗卫星定位的天线。通信模块的主要功能是将箱变的实时监测数据、报警信息、位置信息上传至平台层数据库，并接收来自展现层的遥控、遥调指令。当箱变出现异常报警信息时，可通过4G网络以短消息的方式点对点发送至具体运维人员，同时在展现层地理位置查询界面闪烁显示，协助运维人员及时排除故障。

图5 RS-485通信模块电路Fig.5 RS-485 communication module circuit

图6 通信模块原理示意Fig.6 Principle of the communication module

2.2.3 人机接口模块

人机接口模块通过集中监测与管理模块获取各种类型的监测数据，经规范化处理后，进行分类显示，供巡检人员查看。同时结合开关量监测模块返回的各分/合闸状态数据，依据安全操作规范或“五防”连锁逻辑，对箱变的可操作状态进行智能化判断，并通过输入/输出（I/O）监测控制界面，实现对箱变进行程序化控制，有效避免了由于人为因素产生的误操作。

人机接口模块的主要功能包括：高/低压侧电气参数监测、母线及变压器室温度监测、高低压开关量状态监测、远程输出控制、环境温/湿度监测、变压器油温/油位监测、泄漏电流及局部放电监测等。当报警情况出现时，可通过人机接口模块实现就地报警，同时通过通信模块实现远程报警，并在展现层箱变地理位置查询界面显示报警箱变的准确地理位置，供运维人员快速定位、及时检修。电气参数监测界面如图7所示，I/O高/低压开关量状态监测界面如图8所示。

图7 电气参数监测界面Fig.7 Electrical parameter display interface

图8 I/O高/低压开关量状态监测界面Fig.8 I/O switching quantity of high and low voltage displayed on the state monitoring interface

2.3 变压器室温度监测模块

基于STM32F103RCT6 单片机与MLX90640 红外阵列温度传感器研发了红外扫描测温模块。该模块克服了传统点式测温模块安装不便、测温点固定等缺陷［15-19］，实现了在115°×75°或55°×35°范围内768（32×24）个任意点温度的监测，模块具有RS-485/RS-422/无线射频3 种通信方式，通信距离可达1 km，可测量温度范围为-40～300 ℃，测量精度可达±1 ℃，非常适用于箱变等监测点多、空间狭小、布线不便等场合，红外扫描测温模块测温示意如图9 所示，温度监测界面如图10所示。

2.4 其他监控模块

高/低压侧电气参数监测模块实现对箱变内部的高/低压室电压、电流等电气量的实时监测，并依据此参数进一步计算出有功、无功、视在功率及功率因数等，可直接反映箱变的运行状态，也为有载调压和无功补偿提供依据。

变压器室局部放电监测模块、泄漏电流监测模块、变压器油位/油温监测模块以及环境温/湿度监测模块可以为箱变的安全运行、故障诊断及基于大数据的箱变状态评估提供支撑。

图9 红外扫描测温模块测温示意Fig.9 Infrared scanning temperature measurement module

图10 温度监测界面Fig.10 Temperature monitoring interface

开关量状态监测模块、就地/远方控制模块可实现对负荷开关、断路器、有载调压等的位置，熔断器、无功补偿投切等的状态进行监测并依据联锁逻辑实现箱变的智能化控制；带电显示模块可直观显示进线母线、断路器、主变压器等电气设备是否带有运行电压，并与柜门上的电磁锁形成联锁，为箱变的安全运维提供保障。

电源模块具备多回路调压功能，以交流220 V为电源输入，根据各监控模块工作电压不同，将输入电压调整至3.3，5.0 或24.0 V 等不同等级，完成对上述各模块的供电。

3 平台层

平台层为部署于云服务器上的1套管理分析软件与数据集合，为整个系统的协调调度中心，由多种微服务组成。其中数据采集服务直接与现场层连接，定时以巡检的方式向各箱变发送数据请求，当箱变内综合监控装置接收到数据请求后，通过4G网络将箱变的当前状态监测数据上传，存入数据库中对应的数据表内；后台服务响应展现层监控中心电脑端和移动应用平板端的各种数据请求，例如状态监控、数据分析等，并将结果反馈展现层供用户与系统进行交互。

另外，后台服务可接受来自展现层的控制命令，以4G 通信的方式实现对现场层各箱变的控制；采用SQL Server 云数据库实现对现场层各箱变多类监控数据的存储，包含用户表、箱变信息总表、箱变型号信息表以及对应每台箱变的多种监测信息的存储表等。

数据库的物理模型如图11 所示。用户表中用户可分为管理员级用户和普通用户，管理员级用户可对数据库进行维护，包括新增/删除用户、用户权限分配、箱变的增加/删除以及对应监控信息存储表的创建/删除等。

普通用户可实现对权限范围内箱变的信息查询与控制，用户权限范围通过箱变编码字段中的编码列表来指定。箱变信息总表中的每1条记录对应网络内1 台箱变的具体信息，从第4 个字段开始存储的内容为该箱变多种监控信息存储数据表的名称，通过提取该字段的内容确定该箱变某一监控信息存储数据表的表名，进而实现信息的存储与检索。

图11 数据库物理模型Fig.11 Database physical model

4 展现层

展现层主要用于接收用户请求，响应数据显示或实现对现场层箱变的远程控制，为用户与综合监控系统交互的人机界面。展现层提供了2种人机交互模式：监控中心电脑端和移动应用平板端。

电脑端为基于JaveScript、第5 代超文本标记语言（HTML 5）及层叠样式表（CSS）开发的浏览器/服务器（B/S）结构的网络应用程序；平板端为基于Jave语言开发的应用程序（App），安装于平板电脑或手机中，方便运维人员携带并随时运维。

电脑端在功能上较平板端增加了数据库维护和用户管理2 项，并且只有以系统管理员身份登录的用户才有权对此2 项进行操作，普通用户只能进行信息浏览和有限权限的远程控制，具体实现的功能如图12所示，虚线框内为平板端具有的功能。

图12 展现层人机接口软件功能Fig.12 Human⁃computer interaction interface on the presentation layer

本文研究的箱变综合监控系统除具有其他监控系统提供的监测信息显示、历史数据查询、数据统计打印等常规功能外，其最大特点如下。

（1）可与地理信息结合，每台箱变在地图中以1个红色气球标记，单击标记可进入该箱变的实时监控界面查看运行状态。当报警或故障时，代表该箱变的标记闪烁。监控中心电脑端箱变地理位置信息显示界面如图13所示。

图13 箱变地理位置信息界面Fig.13 Interface of geographic locations of prefabricated substations

（2）具有箱变图纸管理功能，尤其是该功能在平板端App 的应用，极大地方便了运维人员。当箱变出现故障时，运维人员可快速抵达现场，节省了技术资料的准备时间。手机端图纸管理界面如图14所示。

图14 手机端图纸管理界面Fig.14 Drawing management interface on mobile terminals

5 结论

（1）提出了基于物联网与云服务的箱式变电站的智能化监控体系，提出了适于多类信息存储的数据库结构，实现了箱变多类型信息（运维信息、定位信息等）的集成化管理及远程监控，并与地理信息结合起来，实现了箱变的快速定位。

（2）现场层采用模块化的设计构建监测装置单元。各功能模块通过总线以“即插即用”的方式与主控模块连接，为不同用户对箱变功能的个性化定制提供了柔性强、成本低的选择方案，也为后续智能箱变新测控功能模块的开发与应用提供了基础。