基于物联网技术的智能变电站在线监测系统设计

邓祖帆

(贵州电网有限责任公司毕节供电局,贵州 毕节 551799)

0 引言

变电所是整个供电的关键环节,不仅承担着改变电力大小的工作,还承担着重新分配供电的工作,影响着供电的效率、安全和稳定。 现阶段,变电所在监控、平稳运转、管理等技术方面还存在缺陷。 在管理系统的方法、设备故障、监控的自动化水平方面还存在不足之处。 例如,较为传统的手工数据录入法,极易出错误,不仅不利于数据的共享与存储,在设施编程、数据处理的格式上也缺乏规范性规定,容易造成数据孤岛,约束数据的资源共享。

1 物联网技术

1.1 现代智能感应器科学技术

传感科技是信号识别和信息交换的测量有效手段,能够分析采集数据,以更加容易理解的形式传递数据,使数据具有完整性。 传感科技的优点在于其敏感性。 将该技术应用在智能变电站的在线监测中,能够有效提高数据传输质量,保证其稳定运行。 传感器技术在感应器网络中具备两个功能:一是数据的分析与获取;二是信息处理。 传感器产品的应用不但能够满足现代社会实现互联网信息传播的需要,还能满足重传过程中的信息处理需要,即系统能够在接收到信号时把信息内容转化为所要求的形式,这是其他信号传感器产品系统中所缺乏的。

1.2 数据通信技术

数据通信技术能够实现人和机器之间的无障碍交流与信息传递,是数据通信技术技能上最大的突破。该技术是通过运用信息排列组合的方法在人和机器的自由组合中完成信号的平稳传递。 数据通信技术产品一般由以下3 个部分构成:(1)业务应用中枢。 该部分实现业务使用目标与消息传递目标;(2)无线传输端口。 该部分是数据传输中无线网络信息传送装置;(3)数据传输信道。 该部分是无线网络传输媒介。 由于信息技术的发展,数据通信技术应用到各产业已成为当前社会发展的必然趋势,主要原因是由于该技术能够有效解决人机之间的信息交流障碍。

2 物联网架构设计

RFID 数据中心资产信息监测管理系统采用可跨平台部署工作的Java 平台技术管理系统。 该系统能够把控各个信息管理场所设备的相关数据信息,统一由中央机进行监测。 而监测计算机除接收RFID 所收集的数据信息之外,还需要获取管理用户信息、权限信息、设备状态信息等,并设定适当的警告,应用于Ajax数据交互处理。 通过传递前后台的数据,系统能够将信息显示到终端上,这要求用户在发送权限请求数据时务必要包括请求顺序、响应时间、优先级和回调环节。 整个监测环节中,均采取了基于IP 技术的传输方法,将网络系统设计为纯浏览器/服务器模式(Browser/Server,B/S)架构。 B/S 架构是一种在Web 上的网络结构模式。 Web 服务器成为客户的主要操作平台,使信息一目了然。 该服务器统一了客户端,将核心部分集中到服务器上,有利于日后的二次开发。

控制系统包括RFID 电子产品标志、RFID 标识制度、数据采集服务器以及中央监测软件4 个部分[1]。电子标签成为固定资产管理信息系统的唯一信息数据服务载体,利用放置于仓库大门口的RFID 识别系统来辨认固定资产设备信息,由数据收集业务(中间件)对识读的RFID 标志信号经过统计优化过滤后,并上传于中央监测网络平台。 如若不然,数据采集服务器则直接接受中央监测网络平台传来的指令,并通过监测RFID 辨认信息系统的工作状况和IO 输出状况。

总体框架采用了4 层结构,与用户界面性能相结合,利用现场设备的监控、数据访问与服务逻辑管理等将其彻底分离。 整个结构非常灵活,具备较高的可扩展性和分布式性能[2]。

物联网智能技术认知层一般通过超声感应器来工作,包括RFID 网络电子标志、温湿度传感器等设备以及检测控制系统变压器、电容器等用电设备。 物联网智能技术能掌握电网或监测点附近的外界环境条件、地理环境资讯、设备自身属性和运行状况等,从而为发电厂、监测机关及其各网点的使用层供给所需求的信号。 通过此类传感器的工作,能够进一步提高监控数据的精确程度。

电气设备层有提高通信连接间的一致性工作能力,但不足之处在于变压器装置的复杂性较高[3]。 电气设备层需依据使用环境的差异,选用有线和无线的通信方式,如UART,CAN,ZigBee,LoRa 等通信接口,通常会产生异构性。 因此,在测试总线的机械振动变化时,因为绝缘问题或者其他因素,宜采用无线通信方法;在测试电力变压器参数变化时,因电气环境复杂多变,可能会对其产生影响,因此宜采用有线通信方法。

3 主要功能及工作原理

3.1 主要功能

为提高系统的信息化水平,通信平台必须及时完成对信息的采集和处理,并监控系统的运行情况,保证整个系统的正常运行。 通信平台不仅可以通过多种参数对数据进行采集,通过传感技术对数据处理节点进行有效控制,确保系统运行的全过程均能够受到传感设备的监控,还能够收集系统运行信息,保证系统不会频繁出现故障。 在集成监控系统的各控制单元中,建立具有统一特性、可靠性较高的接口,实现系统内部信息的多元化传输。 在此基础上,确保系统实时监控智能变电站的运行,及时维修智能变电站运行中的故障,并通过在线运行代码的方式,及时修改,减少智能变电站维护以及检修的费用支出。

数据采集单元不仅能够监控智能变电站的运行情况,还能够通过传感器,采集智能变电站高压开关、变压设备的运行数据,保证变电站运行的可靠性。 在对高压开关以及变压设备的运行进行监控时,数据采集单元采用多种传感器共同采集数据,使智能变电站管理者能够对设备的运行情况有详尽了解。 其中,变压器传感装置中主要包括电流传感器、温度传感器、避雷装置以及水分传感器组成。 数据采集单元能够通过分析上述传感器所收集的信息,并将其传输到对应的智能电子装置中进行数据处理。

数据管理单元内主要包括变压设备检测智能电子装置、监控主机、计算机终端以及高低压开关检测智能电子装置。 其中,各主智能电子装置主要用于收集各子智能电子装置所传输的信息,并将信息进行整合处理,判断信息类型,发出故障报警、超限报警等信号。报警控制单元收到信号后,通过内部网络、光纤传输到计算机终端内,便于工作人员在收到信号后及时为检修人员做出工作安排。 报警控制单元在接收到智能电子装置传输的信息后,不仅能够同时向其他报警装置发出信号,使其做出闪烁故障灯等操作,还可以暂时切断供电线路,以保证智能变电站的其他设备不会产生损坏。

网络传输单元最大限度应用了物联网技术,通过射频识别、电子标签等技术,在智能变电站内部运行设备上安装信息采集标签,用于计算机对其数据的读取。计算机掌握读取设备信息、设备运行情况后,通过有线网络、无线局域网等方式,将监控所采集的信息传递到网络上,供技术人员进行下载。 终端控制人员可以通过计算机查看智能变电站各部分的运行情况,进而实现对智能变电站运行情况的远程监控。

3.2 运行原理

网络监控系统以智能变电站为基础,科学选择通信协议,通过代码运行,实现对系统的分层管理,对智能变电站内所有设备进行监控。 网络监控系统能通过物联网技术,实现对设备运行情况的收集,进一步提高了监控信息的精确性。

本系统采用IEC61850 标准作为通信协议标准,该标准作为国际电工委员会唯一认可的国际标准,具有极高的指导作用。 现阶段的电力系统,对变电站自动化水平要求较高,在此背景下,就需采用此通信协议标准,实现智能变电站内智能电子装置的互联以及管理。此标准对公共通新标准进行了规范,进一步提高了本系统运行的稳定性。 目前,智能电子装置在电力系统监控中应用水平不断提高。 不同类型的智能电子装置能够实现对功能存在差异的传感器的管理,不仅进一步降低了系统运行负载,还能够有效降低系统运行所需的能源消耗。 在此系统中,负责采集高压开关以及变压器等设备运行信息的传感器以及信息采集设备位于最底层,其主要作用就是精确无误地对数据信息进行采集,并通过通信协议标准规定的方式,将所采集的信息输出到智能电子装置中。 智能电子装置主要用于接收传感器以及信息采集装置所收集的信息,并将信息处理后,再次传输给数据管理单元。 数据管理单元会将信息呈现在终端计算机中,并筛选出其中故障信息,实现对智能变电站的全面监控。 该系统运行后,可在电网公司内建立出完善的监控中心,并通过电信、移动等通信公司系统的宽带网络实现数据传输。 安装与计算机连接的控制软件,实现对智能变电站设备的监控,监控模块通过与GPRS 通信模块的连接,能够实现数据的双向传输。 除此之外,将用户所使用的计算机终端与监控中心连接,实现故障数据库的更新,进一步提高了系统对变电设备故障的识别精确度。

采用分层结构模式,系统能够在不同层次部署不同的管理节点,降低了统一管理模式中的风险。 此外,应用此种技术能够实现数据的分层处理,降低了大量数据传输过程中,对网络造成的传输负荷,同时也降低了对存储设备存储容量的需求。 应用分层设计,能够使系统具有更为良好的可扩展性。 在需要添加新功能时,只需要对某一部分运行代码进行修改,避免因小的改动,造成整个系统的瘫痪。

4 物联网技术在变电站网络监控中的应用

4.1 变电站设备状态检测

现阶段,电力设施的维修与检测通常通过定时试验和维修的方式,能够在一定程度上改进和克服设备的绝大多数问题。 但这些定时的预测试和维修的方式并不会直观反映运行设备的详细信息和设备的实际工作状况,也就无法及时预测意外故障[4]。 当前,由于电力系统经营的规模越来越大,人们对电能的需求也越来越高,因此原来的维护方式难以适应将来的需求。为适应未来的需要,电力设备应采用更先进的物联网技术和故障诊断技术来监控电力设备的在线状况,比如采用变压器设备、母线、电容器、避雷装置等以及开展设备的突然故障告警,从而达到有效监控的目的。

4.2 变电站检查管理

在现阶段,一般变电站检测方法仍采用基于自动记录系统的检测方式。 但此类型的检查方法主要有3点弊端:(1)消息和数据的自动录入方式极易错误,而且缺乏能够反映电气设备细节问题的图片等材料。(2)难以查询记录,这也将会阻碍有关的责任人及其他维护人有效共享个人信息。 (3)缺少有效监管。 由于主观或客观的原因,存在没有检查或无法有效完成检查等问题[5]。

基于此,由于目前大部分变电站均采取人工检测模式,所以很难完成从人工检测到无人看守的转换,需研发出从人工检测到无人看守的转变流程。 将RFID标志和移动端口部分装配在电气设备上,相关检测设备的位置信息也能够透过手持终端进行查询。 同时,RFID 的通信距离也能够使检查人员能够迅速到达相关区域并完成检测。

首先,访问检查任务和手持终端设备需注册记录。其次,依次进行检查任务。 在整个检测过程中,通过手持终端设备记录和拍摄的图片为检查凭证[6],并实时上传。 最后,当检查流程完成时,将手持式设备放置回原先的检查地点,并证明检测工作已经完成。 在自查流程中,手持终端设备将提醒下一次的检测位置和项目,但一旦在特定路径上错过检测,将进行错误提示。

5 结语

变电站身为动力系统的关键部分,其长期稳定的运营环境和安全管理将对整个动力系统和供电企业产生很大的影响。 通过建议和措施,提供了变电站物联网技术的4 层应用框架体系。 其中,设备分层主要是用来解决通信连接中的设备异构性提问。 而数据分层则成为设备数据集中的消息预处理中枢,便于资源共享和提升信息系统效率。 设备状态检测不仅能够增强供电的安全性,利用设备在线检测实时捕捉异常消息,还能够及时预测供电设施的工作状况,做好设备状态保护,防止设备发生故障。 在减少经济损失的同时,设备在线数据分析也比较客观,大大减少设备因为窗口期而丧失关键参考数据信息的可能性。 在检验方面,它不但可以降低对传统手工录入数据信息的二次处理操作量,降低人为错误的发生率,还能够提高对检验结果的客观支持材料质量,有利于标准化检验管理,减少漏检。