基于物联网的智能变电站监控与运维系统研究

翟文亚

（山东理工职业学院 山东 济宁 272000）

0 引言

普通变电站和信息技术结合为现代电力行业生产工作的发展基础，信息技术的特点为自动化、智能化，对传统变电站设备运行管理工作进行升级。 技术人员通过专门的软件程序对变电站内部设备状态数据进行监测，如果出现异常问题，系统装置能够及时解决问题。 技术人员以系统反馈结果实现针对性对策，使智能变电站设备的运行隐患得到降低。 因此，本文分析变电站监控运维系统的设计［1］。

1 系统的架构设计

通过物联网技术架构分析，设计人员通过网络层、感知层和应用层构成系统架构，图1 为系统的设计架构。

图1 系统的设计架构

1.1 应用层

主站应用软件平台能够细化不同的输入性质，通过数据库软件、通信软件与监视软件构成。 在创建应用软件平台时，根据相应的标准优化商业数据库，使系统开放性程度得到加强。 通过客观分析，应用软件平台为一体化系统，能够实现系统纵横向的集成管理，并且为各个系统网络节点提供运行环境。

1.2 网络层

基于物联网的智能变电站监控与运维系统的智能数据采集终端特点为：

（1）设计人员通过高集成微电子技术灵活配置通信方式，并且实现安装维护，提高终端集成度；

（2）利用液晶显示器汉字显示功能将数据资源提供给终端配置和告警管理装置，对运行状态数据进行保存和管理，设计人员使用大容量存储器保管运行状态数据；

（3）监控信息实现双向传输，通过以太网、无线射频网络等方式，加强设备信息的传输效率；

（4）在对集中器进行选择时，要对支持环境远程监控设备进行优先选择［2］。

1.3 感知层

利用数字式传感器结合有源无线射频传输，加强变电站环境信号的传输效率。 另外，利用软件选择电路板和无线传感器设备，监测湿度和温度并以氟化硫（SF）气体传感器监测，随后反馈结果，精准评估变电站设备等运行环境。

2 系统的硬件设计

2.1 无线物联传感器

以物联网内数据的流向和处理方式，将物联网划分成为应用层、网络层和感知层。 在感知层中安装红外线、摄像头、读写器等终端，此类传感器能够对物理事件与数据进行采集。 因此设计系统的数据是通过智能变电站系统在监测处理器中流入，所以将摄像头、温湿度传感器等设备安装在智能变电站环境中［3］。

2.2 分布式变电站通信体系

根据变电站通信协议网络和协议，划分智能变电站通信体系包括变电站层、间隔层和设备层，实现分层分布式结构的创建。 变电站层能够实现数据传输，根据一次设备组织划分间隔层，包括机电保护和测量等。 假如在线传输智能变电站数据在网络中，就要制定针对性网络通信协议。 此协议为IEC6185 标准网络协议，基于此对通信网络逻辑节点与数据进行确定，和通信服务器连接构成智能变电站和监测服务器的逻辑通路，图2 为分层分布式结构。

图2 分层分布式结构

2.3 主控芯片和微处理器选型

智能变电站在线监测系统主控芯片为CC2530，此芯片中具备收发器功能，并且满足分层分布式通信网络协议标准需求，在运行过程中的稳定性较高。 智能变电站监测不仅包括数据，还要对视频图像收集，所以占据系统内存比较大。 为了保证系统在运行过程中的效率高，要将增强型8051 MCU 设置在主控芯片中，能够直接实现闪存编程。 在线监测系统具有较高的数据运算要求，利用数字信号处理器（digital signal processor，DSP），能够在无故障的状态下连续工作，并且外界电磁信号不会对其造成影响［4］。

2.4 人员定位终端设计

人员定位终端为无线传感器（ZigBee）网络终端设备，在本文系统设计过程中，此模块利用参考点的位置设置定位人员。 智能变电站辅助管理系统的软件能够在视频监控系统云台实现人员位置信息的发送，调整视角后对拍摄人员进行追踪。 也可根据相应的位置划分工作区域，实现电子围栏的功能。

人员定位终端由工作人员随身携带，可以通过电池进行供电，终端一般处于实时工作状态，能够实时判断参考点的位置并上传位置信息。

2.5 设备电源系统

针对系统设备电源的供电问题，以不同的场所和用途划分为电感供电、感应电源供电等。 本文系统可实现对于无线传感器外的设备供电。 对于无线传感网设备来说，要求协调器与路由同时工作，保证系统通信网络的正常功能，利用电池进行供电。

在实现线缆、母排节点、开关触点等温度监控时，设备在运行过程中改变温度的状态，从而实现监控系统的设计。 在监控节点终端设备供电时，通过感应电能拾取线圈。 以此，避免出现有线供电布线等情况，还能够使电池取电过程中需要频繁更换电池的问题得到解决。

取能电源的构成包括补偿铁心与线圈、整流滤波单元、取能铁心与线圈、降压稳压单元，使用软磁材料，取能铁心初始磁导率比补偿铁心要高，并且两者反向串联，抵消大电流感应电动势，从而降低热耗。 冲击保护单元吸收脉冲尖峰、前端饱和等，缓冲高频能量。 在正路滤波单元中将交流电整流作为脉冲直流电，然后进行谐波的滤波。通过降压稳压单元保护输出电压，利用斩波器变换，从而输出直流恒压。

3 系统的软件设计

3.1 开关触点温度检测

高压开关柜为电力系统主要高压成套设备，根据线路方案使一次、二次设备在柜内组装，不仅节约空间、供电可靠、安装方案，还能够美化环境。 此测温系统触头指的是开关柜和断路器的触头，利用触指构成断路器的触头。 开关柜在工作中会出现热损耗，在周围介质中通过传导、对流散失。 因为动静触头接触内部空气的对流比较缓慢，在热分析中充分考虑触头接触的内部传导散热等情况，所以在触头中安装测温模块，实现开关柜开关触点的温度检测，由于触点接触比较紧密，可以使用温度传感器在温度标签外部进行安装。 在温度检测标签工作的过程中，ZigBee 无线传感器模块能够定时工作。 在唤醒标签后，检测温度传感器对温度型号进行检测，换算成为数字量之后向就近路由器发送，从而转发管理系统。 通过管理系统能够接收各个触点传感器发送的温度信号，并且描述曲线。假如曲线超过上限值就会报警，提示及时维护［5-6］。

3.2 变电站环境监测

变电站站内的微环境监测主要为电缆沟、站内温湿度等：针对户外微气象六要素监测使用分布式，简单来说就是利用六要素的不同设备检测，利用无线传感器网络实现管理系统的设计。 由于变电站的区域是有限的，所以各个微环境的差别并不大。 本文利用集中式的方式在路由器合适位置处设置，检测信息利用路由器对管理系统传输；针对室内温湿度的检测，可以使用室内型温度检测标签，或者将温湿度传感器设置在室内ZigBee 路由器中；在漏浸水检测过程中，用托辨式和检测标签结合实现［7］。 将漏浸水检测标签安装在电缆沟等地方，如果对漏水进行检测，就会利用无线传感网将告警信息在管理系统发送。

针对水浸、温湿度监测标签，利用ZigBee 芯片工作在定时的时间段进行唤醒工作。 在唤醒标签中全面检测温湿度信号和水浸信号，换算数字量后发送路由器，向管理系统转发。 管理系统对各触点传感器传输的信号进行记录，如果超过上限值就会报警，提醒维修人员及时维护［8］。

3.3 安全设计

实现无线高压测温、环境监测预警和变电站容设备监测等合理设计，在设计变压器指令的过程中，针对变压器故障以监测反馈的运行异常情况分析准确工位，根据具体原因使用相应的对策，使变压器绝缘安全预警功能得到加强。 在变电站容设备监测过程中，结合自动管理和智能控制，实时监测变电站重要场所和等效电容，从而保证信号传输的安全性。

为了进一步地提高变电站运行环境监测系统的安全性，要求设计人员将物联网结合网络检测技术（general packet radio service，GPRS），利用物联网技术对变电站运行环境进行动态监测。 比如，在传感器网络监测技术应用过程中，运营商通过分组无线业务网络检测技术对设备图像和温度进行检测，通过分组无线业务技术实现异常情况的定位，使现场运行中的问题得到解决［9］。

3.4 视频监控联动模块

变电站内监控摄像头的主要功能为位置预设和云台，使视频动态跟踪需求得到满足。 云台包括电动云台和固定云台两种，在监视范围小的时候可以使用固定云台，在云台中固定摄像头，对摄像机角度进行调整，从而满足最佳工作姿态。

在大范围监控区域扫描监视中使用电动云台，从而扩大摄像机的监视范围。 利用相应原理可以看出来，利用两个交流电机实现云台安装平台的设计，实现水平、垂直的运动，控制器信号能够定位精准控制电动机［10-11］。 利用控制器信号实现精准控制，电动云台摄像机对监视区自动扫描，并且跟踪监视对象的行动轨迹。

云台根据其回转的特点可分为只能左右旋转的水平旋转云台和既能左右旋转又能上下旋转的全方位云台。电动云台水平旋转和垂直旋转角度分别为0°～350°、90°。云台旋转速度主要包括变速和恒速，部分高速摄像头应用系统中的云台水平旋转速度超过480°／s，垂直方向旋转速度超过120°／s。 本文云台和照相器材云台不同，视频监控系统的云台能够利用控制系统远程控制［12］。 视频监控联动功能和人员定位与电动云台功能特点结合，跟踪拍摄确定人员。 在对变电站区域人员进行定位之后，系统通过计算对当前人员地点视角良好摄像头进行选择，从而拍摄当前区域。 在改变人员位置之后，要求重新计算人员的位置，并且以摄像头的变化角度对跟踪拍摄需求进行调整。

此过程为实时动态切换，能够通过摄像头动态实时跟踪拍摄定位人员，以人员的运动轨迹回放运动轨迹的视频摄像，对运维人员进行防误和安防操作。

4 实验和分析

4.1 实验数据

本文实验数据使用某电网公司变电站数据库中的数据，表1 为数据信息。

4.2 实验分析

和传统通信手段对比，本文设计系统的主要优势是可用时间比较久。 表2 为通信模块损耗测试结果，在传输数据包周期为1min 以内时，通信模块的功耗比较高，并且可用时间比较长。 在传输数据包为1d 或者1h 的时候，通信模块功耗低，能够用10a 或者5a。 此实验结果证明本文设计的通信性能功耗低，并且可用时间久。

表2 通信模块损耗测试结果

5 结语

物联网技术的推广能够为我国变电站运行工作提供良好的技术保证，使变电站的运维人员能够结合物联网技术进行宏观调控，对变电站运行环境与工作状态进行监督。 基于此，研究人员将物联网技术与自动化技术相结合，及时定位变电站内部设备的运行异常问题，避免内部出现隐患，促进我国电力生产领域的可持续发展。