智能变电站监测预警系统设计与开发

吴立勇 王焕 曹艺

国网河南省电力公司镇平县供电公司 河南 镇平 474250

引言

智能变电站不是在传统的有人值守变电站的基础上不进行任何技术操作的无人管理形式，而是一种以变电站设备可靠性、自动化为前提，借助现代计算机技术手段，变电站设备的远程控制和管理由传统的现场值班人员改为远程值班人员[1]。目前，智能变电站具有运行管理成本低、供电质量高、工作量小、应用过程安全性高等优点，受到各地电力企业的广泛关注。然而，在实际应用中，智能变电站监控系统不能满足变电站运行管理和控制的实际需要，存在信息显示不完整、可视化程度低、未配备相应的报警功能、报警不及时等问题。

物联网的快速发展本身其实就是一个非常高度的安全信息化、自动化以及一个互动性很强的安全信息网络，不仅需要将广大智能化的传感器都合理分布收集到各个特定的可能需要安全监测和日常维护的工作地点，并且还要确保这些智能化的传感器尽可能不要出现任何安全故障。在基本构建好了监控信息实时收集和分析传感器的智能测控处理网络之后就可以集中精力来构建一个新型的监控信息收集平台，将搜集、分析和存储整理起来的各种监控数据都直接进行了能数据化的分类和分析处理，实现对于电站实时的监控数据采集、监控自动预警、数据实时传递和信息存储等各个系统的智能集中管理，再通过整个智能变电站集控系统与其他物联网智能终端的相互结合多种形式直接组成一个一套具有实时智能自动监控、智能自动判别、智能数据管理等多种功能的集控系统为数据核心，从而为用户自身构建一个更加完善的智能变电站系统智能监测辅助监控系统。物联网利用感知技术和智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策目的。

对于智能变电站来说，需要监控的主要数据有环境温度，环境湿度，设备的限变电压以及当前电量等。对于上述数据，系统需要能够进行实时的监测，并在危险即将发生时提前报警[2]。

本文提出的基于物联网技术的智能变电站监测预警系统，通过物联网技术将设备的运行数据进行采集、传输、分析，从而实现变电站的自动化与智能化，响应国家对电网“五网”的政策要求，提高变电站的工作效率，安全性以及降低运营维护成本。

1 LoRa无线技术

LoRa是一种低损率功耗无线网络局域网技术标准，低损耗功率的无线局域网通常很难完全无线覆盖连接到无线遥感器。LoRa除了城域网的 2G / 3G / 4G 外，还包括无线局域网及其他各种短距无线通信网络技术，最大限度地实现长时间、长距离的高频数据无线通信，同时成本更低廉。在实际工作现场，监测点多且分散决定了如果采用传统的有线信号的传输方式，存在布线困难、维护工作量大、不可移动等缺点。而无线信号的传输则摆脱了线缆的束缚，具有安装周期短、易于维护、扩容能力强等优点，同时组网灵活，无须考虑为新添加的设备铺设网络，易于扩展设备后，即可实现远程监测[3]。

在LoRaWAN节点网络中，每个联络网关节点都会把从网络终端端到节点网络连接接收到的网络数据库封包直接经过一些网络返路（又比如蜂巢、以太网等），然后将其转发给基于云和云计算的移动互联网网络服务器。智能化和安全网络的处理复杂性被数据存储处理起来后并放在一个服务器上，服务器系统负责管理和对网络和接口数据流的过滤冗余，对接口感受到的网络数据执行安全特性测试，通过最优化的网关对其数据进行自动调度和安全确认，并对其实现自动相适应的处理数据流以增加处理速率。

2 数据采集与存储

根据当前无人值守变电站运行需求，为实现对关键数据的采集与分析，本文将系统采集信息划分为3种类型，分别为限变电压、温度、湿度、变电站电力参数变化信息，实现对变电站设备的工作状态、工作环境的监测，以及对各项工作数据进行分析，限定安全工作范围，从而达到对非正常工作状态下的变电站设备的分析与预警。系统结构如图1所示。

图1 智能变电站系统结构

变电站设备状态实时数据采集频率高、数据量大，对于数据的传输和存储带来很大的压力[4]。因此，需要选择合适的数据压缩算法来解决这些问题。不同的应用领域可以针对根据数据特点采用不同的数据压缩处理技术，比如，图形处理技术领域的jpeg压缩处理技术，声音图像处理技术领域的mp3压缩处理技术等。本文针对变电站设备状态数据的特点选用旋转门算法。这是一种有损压缩的算法，其主要原理便是存储少量数据并且保存其变化趋势，这样在还原数据时可以通过一个阶段内的起始数据与变化趋势预测出想要得到的数据。其优点在于相对于无损压缩，所需存储的数据量大幅减少，压缩率得到极大的提高；缺点则是由于很难找到完全相符的变化函数，因此只能预测一个相近的数据。在工业生产中，设备数据往往是线性变化的，并且在预测时是允许一定的误差的，因此旋转门算法能够很好地适应这样的工作需求。

3 系统设计

本系统兼容C/S和B/S架构，可本地管理和远程管理，保证数据的安全和便捷性，同时提供对数据终端的分组、分析、预警服务，进一步将管理数据化、自动化[5]。需要监测的变电站设备类型包括除湿设备、测温设备、泄漏电流监测设备和门禁设备。设备信息包括：①设备名称：在设备管理界面中编辑，通常是所监测的位置点的名称；②湿度：智能除湿设备所在的密闭空间的湿度；③目标湿度：智能除湿器在初始设置时设置的湿度目标，即湿度降到此数值停止工作；④温度：智能除湿设备所在的密闭空间的温度；⑤泄漏电流：监测电气线路或设备绝缘性；⑥电量：智能除湿设备为外供电，电量默认为100；⑦状态：有正常和异常两种；⑧实时曲线：设定时间范围内的数据构成的曲线；⑨历史数据：数据的查询窗口。

同时实时曲线与历史数据将结合采集时间段归纳总结为对应的图表进行直观的展现。对于状态异常的设备，系统将会实时显示在异常信息中，并采用声光字报警的形式进行报警。

3.1 数据库设计

本系统采用SQLServer存储设备信息和实时数据，设计数据表如表1、表2所示。

表1 设备信息表

表2 设备数据表

续表

3.2 运行界面

系统自投入运行以来状况良好，能实时监测温度、湿度、泄漏电流等信息，并提供报警、预警功能，运行界面如图2-图4所示。

图2 系统运行主界面

图3 测温设备监测界面

4 结束语

本文从系统应用需求分析到总体设计，阐述了智能变电站监测预警系统的设计方案。根据智能变电站的技术要求，采用物联网技术采集变电站设备的运行数据，并对数据进行压缩处理，通过LoRa技术实现数据的无线传输，将处理后的数据存储在数据库中，最终通过后台管理软件对数据进行管理、监测和预警，并对数据进行可视化展示。系统的运行对提升变电站自动化、智能化有着重要意义，具备推广价值。