王哲，孫純軍

(1.江蘇省電力科學(xué)研究院，南京市，210103;2.江蘇省電力設(shè)計院，南京市，210103)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)一般是指“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，是機器與機器的對話，通過射頻信號自動識別物體并獲取數(shù)據(jù)信息，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)［1］，為新一代信息通信技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展引起了廣泛關(guān)注，物聯(lián)網(wǎng)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展已被納入國家戰(zhàn)略，國家科技部、工業(yè)與信息化部等部委先后在多項國家重大科技專項中設(shè)立課題支持物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化［2］。

近年來，隨著堅強智能電網(wǎng)概念的提出，許多與智能電網(wǎng)相融合的新技術(shù)也不斷被提出，智能電網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的融合作為一種具有極高戰(zhàn)略意義的新型產(chǎn)業(yè)技術(shù)，被世界各國高度重視。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展到一定程度的必然產(chǎn)物，能有效地對電力系統(tǒng)設(shè)施資源進行整合，提高設(shè)施的利用率，進而促進電力系統(tǒng)管理水平的提高［3］。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能變電站應(yīng)用前景分析

智能變電站是堅強智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐，具有信息化、自動化、互動化的特征，由先進、可靠、節(jié)能、環(huán)保、集成的設(shè)備組合而成，以高速網(wǎng)絡(luò)通信平臺傳輸信息，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級應(yīng)用功能［4］。

目前，智能變電站的建設(shè)大多關(guān)注智能開關(guān)、數(shù)字式保護監(jiān)控合一裝置、設(shè)備在線監(jiān)測以及后臺功能的高級應(yīng)用等方面［5］，對于變電站配置的輔助系統(tǒng)關(guān)注度還不是很高。目前變電站配置的圖像監(jiān)視及安全警衛(wèi)［6］、火災(zāi)報警［7］、主變消防、給排水、采暖通風(fēng)［8］等輔助生產(chǎn)系統(tǒng)，依然是各自獨立的、不具備智能對話功能的小型自動化裝置，需要更多的人工來關(guān)注、理解和處理這些設(shè)備的信息。變電站的輔助系統(tǒng)配置功能及不足如表1所示。

伴隨著對智能變電站理解的不斷深入，新的智能化功能要求將不斷提出。從智能管理角度來看［9］，搭建一個公用的監(jiān)測輔助控制平臺，集成所有的輔助系統(tǒng)功能，方便新的智能化功能擴充，有利于設(shè)備管理;規(guī)范各類輔助系統(tǒng)的信息傳輸方式及通信規(guī)約，有利于統(tǒng)一化管理;通過集成輔助系統(tǒng)的信息，有利于遠方人員對站內(nèi)狀況全盤掌控，提高監(jiān)管質(zhì)量。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了人類社會與物理系統(tǒng)的整合，實現(xiàn)了對設(shè)備的實時管理和控制。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過對外界的感知，構(gòu)建傳感網(wǎng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，對影響變電站運行的因素實施全方位智能監(jiān)測。在傳感網(wǎng)監(jiān)測平臺基礎(chǔ)上建立一套全站公用的智能監(jiān)測與輔助控制系統(tǒng)，集成目前圖像監(jiān)視、安全警衛(wèi)、火災(zāi)報警、主變消防、采暖通風(fēng)等輔助系統(tǒng)的系統(tǒng)功能，實現(xiàn)對站內(nèi)人員的巡檢、操作運行維護等正確行為的驗證，從而達到“智能監(jiān)測、智能判斷、智能管理、智能驗證”的要求，實現(xiàn)變電站智能運行管理。

表1 變電站的輔助系統(tǒng)配置功能和不足Tab.1 The main function and its shortcoming of the substation's auxiliary system

智能監(jiān)測是指對影響變電站運行的因素采用全方位、多手段的實時監(jiān)測，自動評估變電站運行狀態(tài)，減少人為工作量，是變電站實現(xiàn)自動化管理的前提。

智能判斷是指在減少遠方人員參與的前提下，根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)評估變電站的運行狀態(tài)，自動判出各類異常情況，生成處理方案，形成判斷結(jié)果。

智能管理是指執(zhí)行判斷結(jié)果，實現(xiàn)輔助系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)聯(lián)動，消除異常情況造成的影響，形成異常情況處理過程報告，及時將結(jié)果上報遠方集控中心，監(jiān)測輔助系統(tǒng)的運行狀態(tài)，執(zhí)行遠方集控中心的各項命令。

智能驗證是驗證站內(nèi)人員的巡檢、操作運行維護等行為的正確性，與站內(nèi)人員行為實現(xiàn)互動，保證人員安全，避免事故發(fā)生。

2 變電站智能監(jiān)測與輔助控制系統(tǒng)組成及功能

江蘇目前正在建設(shè)的某220 kV智能變電站，其智能監(jiān)測與輔助控制系統(tǒng)主要由遠方集控站管理主機、站內(nèi)控制主機及智能傳感器網(wǎng)組成的變電站各輔助生產(chǎn)子系統(tǒng)3部分組成，如圖1所示。輔助生產(chǎn)子系統(tǒng)集成了目前變電站應(yīng)用的各類輔助系統(tǒng)，包括視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、防入侵子系統(tǒng)、火災(zāi)報警及消防子系統(tǒng)、采暖通風(fēng)子系統(tǒng)、給排水子系統(tǒng)、GIS室SF6泄漏在線監(jiān)測子系統(tǒng)、智能巡視維護認(rèn)證子系統(tǒng)、高壓設(shè)備運行溫度在線監(jiān)測子系統(tǒng)及主變紅外熱成像診斷子系統(tǒng)。

變電站智能監(jiān)測與輔助控制系統(tǒng)主要完成以下功能:

(1)站內(nèi)輔助生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)及運行環(huán)境全景信息收集與建模。通過對不同數(shù)據(jù)類型和來源的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一建模、標(biāo)準(zhǔn)訪問和數(shù)據(jù)服務(wù)，為輔助生產(chǎn)設(shè)備及運行環(huán)境提供完備的全景信息庫。

(2)智能化協(xié)調(diào)感知。對影響變電站運行的因素進行全方位、多手段的實時聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測，自動評估變電站運行狀態(tài)。

(3)智能信息處理。根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，自動評估變電站的運行狀態(tài)，自動判出各類異常情況，生成處理方案，形成判斷結(jié)果。

(4)執(zhí)行判斷結(jié)果，實現(xiàn)輔助系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)聯(lián)動，消除異常情況造成的影響。形成異常情況處理過程報告，及時將結(jié)果上報遠方集控中心，執(zhí)行遠方集控站的各項命令。

圖1 智能監(jiān)測與輔助控制系統(tǒng)構(gòu)架體系Fig.1 The architecture of the new auxiliary system

(5)智能驗證站內(nèi)人員的操作運行維護、檢修等的物理操作位置與工作票要求的邏輯位置的符合正確性，與站內(nèi)人員行為實現(xiàn)互動，保證操作人員的安全，避免事故發(fā)生。

(6)進行設(shè)備狀態(tài)評價，為智能調(diào)度功能擴展提供設(shè)備狀態(tài)參考依據(jù)。

3 系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 主機系統(tǒng)

接收傳感網(wǎng)測控平臺監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，評估變電站的運行狀態(tài)，自動判出各類異常情況，執(zhí)行判斷結(jié)果，實現(xiàn)輔助系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)聯(lián)動，消除異常情況造成的影響;形成異常情況處理過程報告，及時將結(jié)果上報遠方集控中心;監(jiān)測輔助系統(tǒng)的運行狀態(tài)，執(zhí)行遠方集控中心的各項命令，規(guī)范與監(jiān)控系統(tǒng)的通信規(guī)約。具體聯(lián)動方案如圖2所示。

3.2 傳感網(wǎng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

傳感網(wǎng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)包括傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點。傳感器節(jié)點包含了溫濕度傳感節(jié)點、煙霧傳感節(jié)點、水浸傳感節(jié)點等設(shè)備。各傳感節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)經(jīng)匯聚節(jié)點匯聚后上傳至主機。組網(wǎng)方式可分為有線傳感網(wǎng)絡(luò)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)，具體比較如表2所示。

若采用電池供電，電池壽命的長短主要取決于傳感器的工作電流大小和電池容量(尺寸)的大小，而傳感器工作電流的大小又取決于傳感器的材料、工作原理和被測目標(biāo)的變化率(特征頻率)，各類傳感器電池供電時間調(diào)查如表3所示。

根據(jù)變電站的實際情況，用在高壓帶電設(shè)備上的溫度傳感器采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用一次鋰亞電池供電，在裝置的全壽命周期內(nèi)無需更換電池。其他輔助設(shè)備的傳感器由于沒有絕緣問題且易于布線的采用有線網(wǎng)絡(luò)，這可以降低成本便于維護。

表2 有線傳感網(wǎng)絡(luò)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)比較表Tab.2 The Comparison of the wired-sensor network and wireless-sensor network

表3 傳感器工作壽命、能耗、電池供電時間Tab.3 The working life，energy consumption，battery-powered time of the sensor

圖2 聯(lián)動方案示意圖Fig.2 The sketch of linkage scheme

3.3 圖像監(jiān)視及安全警衛(wèi)子系統(tǒng)

針對常規(guī)變電站安全監(jiān)視系統(tǒng)配置的不足，組建多類型探測器節(jié)點協(xié)同感知的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)全新的目標(biāo)識別、多點融合和協(xié)同感知，具有以下特征:多種探測原理的前端探測手段協(xié)同綜合工作、智能識別;對變電站圍界進行全天時動態(tài)智能感知;探測分析、阻擋延緩、復(fù)核響應(yīng)多手段融合，可依據(jù)具體情況按需按時布防和撤防。聯(lián)動控制實現(xiàn)分系統(tǒng)的功能一部分由系統(tǒng)集成平臺軟件實現(xiàn)(報警聯(lián)動、視頻觸發(fā)等)，另一部分由硬件I/O量控制器實現(xiàn)(照明、音頻告警和物理布防撤防等)。通過基于圖像模式識別的信號處理技術(shù)，智能視頻處理系統(tǒng)可自動識別、跟蹤進入視場范圍內(nèi)的入侵目標(biāo)。

當(dāng)入侵行為觸發(fā)報警時，系統(tǒng)立即和智能視頻分系統(tǒng)進行聯(lián)動，相關(guān)攝像機自動凝視侵入目標(biāo)，該視頻圖像自動彈出在監(jiān)視器的最頂層，值班人員可迅速直觀地看到現(xiàn)場的實際情況;與此同時，變電站控制主機會發(fā)送音頻信號至現(xiàn)場的音頻設(shè)備，向現(xiàn)場進行聲音告警;值班人員亦可通過麥克風(fēng)設(shè)備向現(xiàn)場通話告警，警告可疑人員。前端探測分系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 前端探測分系統(tǒng)示意圖Fig 3 The sketch of the front detection system

3.4 火災(zāi)報警及消防子系統(tǒng)

火災(zāi)報警及消防子系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)理念集成現(xiàn)有成熟產(chǎn)品，通過讀取感煙感溫傳感器的信號，結(jié)合圖像識別、環(huán)境溫度等信息，實現(xiàn)對變電站火災(zāi)的智能檢測、報警及主變充氮滅火的聯(lián)動處理，如圖4所示;實現(xiàn)對各種消防設(shè)備的狀態(tài)檢測與故障警報;實現(xiàn)火災(zāi)時與空調(diào)、風(fēng)機的閉鎖聯(lián)動。

3.5 采暖通風(fēng)子系統(tǒng)

圖4 火災(zāi)報警及消防子系統(tǒng)與相關(guān)設(shè)備聯(lián)動示意圖Fig.4 The sketch of the linkage scheme between fire alarming subsystem and related equipments

采暖通風(fēng)子系統(tǒng)通過無線溫濕度傳感器監(jiān)測室內(nèi)外的溫濕度情況，經(jīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送至匯聚節(jié)點，再經(jīng)有線網(wǎng)絡(luò)上傳站內(nèi)控制主機;主機根據(jù)室內(nèi)外的溫濕度情況，自動控制通風(fēng)系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的切換運行;當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時與火災(zāi)報警子系統(tǒng)聯(lián)動閉鎖空調(diào)、風(fēng)機，防止火災(zāi)蔓延;可遠程查詢溫濕度檢測節(jié)點工作狀態(tài)，精確定位系統(tǒng)故障，遠程控制空調(diào)運行。采暖通風(fēng)子系統(tǒng)與相關(guān)設(shè)備聯(lián)動如圖5所示。

圖5 采暖通風(fēng)子系統(tǒng)與相關(guān)設(shè)備聯(lián)動示意圖Fig.5 The sketch of the linkage scheme between the heating ventilation subsystem and related equipments

3.6 給排水子系統(tǒng)

監(jiān)測給排水設(shè)備的狀態(tài)，測量用水量及排水量，檢測污物、污水池水位及異常警報，檢測水箱水位，控制給排水設(shè)備的啟停。實現(xiàn)對積水情況的檢測及智能處理，安裝浸水檢測節(jié)點，實現(xiàn)積水自動排放;啟動攝像頭聯(lián)動，查看現(xiàn)場情況;遠程查詢浸水檢測情況，確保系統(tǒng)安全可靠運行;遠程控制水泵運行積水情況的準(zhǔn)確檢測;發(fā)出報警信號，提示值班人員采取相應(yīng)措施。

3.7 SF6泄漏監(jiān)測子系統(tǒng)

SF6傳感器監(jiān)測空氣中SF6的濃度，氧氣傳感器監(jiān)測氧氣的濃度。多個SF6和氧氣監(jiān)測節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)進行協(xié)同融合處理后，判斷出SF6泄漏狀況，并對風(fēng)機控制器發(fā)出排風(fēng)指令，啟動聲光報警;只要有人員進入操作室，紅外監(jiān)測節(jié)點感知信號，并對風(fēng)機控制器發(fā)出排風(fēng)指令;風(fēng)機控制器同時接收監(jiān)控中心通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺發(fā)出的排風(fēng)指令。

3.8 智能巡檢維護認(rèn)證子系統(tǒng)

在巡視路徑關(guān)鍵點設(shè)置高清攝像機(與圖像監(jiān)視子系統(tǒng)共享)，巡檢人員身穿帶可識別標(biāo)志的巡視服裝按設(shè)定路徑進行巡視;系統(tǒng)通過智能視頻識別技術(shù)，自動識別巡視人員是否經(jīng)過了某個關(guān)鍵點，記錄下巡檢人員在經(jīng)過關(guān)鍵點的時間與對應(yīng)視頻信息;根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則對本次巡檢的質(zhì)量情況進行判斷，對質(zhì)量欠佳的巡視進行提示。

在對站內(nèi)設(shè)備進行檢修或現(xiàn)場操作時，系統(tǒng)根據(jù)操作票自動生成邏輯操作保護區(qū)域和自動生成邏輯圍欄。自動定位到圖像傳感器，獲取物理圍欄的圖像數(shù)據(jù)，并自動判定物理圍欄與邏輯圍欄是否重合，對可能的圍錯間隔自動發(fā)出告警信息。自動判定檢修操作人員是否在圍欄安全區(qū)內(nèi)，對在安全區(qū)外的活動自動生成告警信息和告警記錄。

3.9 溫度狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)

無線溫度傳感器采用結(jié)構(gòu)膠安裝方式，直接安裝在高壓輸變電設(shè)備可能的發(fā)熱處，如:動力電纜、電纜接頭、刀閘觸點、開關(guān)靜觸點、銅排連接點、電抗器、電容器外殼和設(shè)備安裝環(huán)境內(nèi)與場地，實現(xiàn)溫度和溫升的高可靠實時狀態(tài)監(jiān)測。溫度信息經(jīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上傳至站內(nèi)控制主機，主機通過比較設(shè)備與環(huán)境的相對溫升、室內(nèi)與室外大氣的相對溫升，分析可能的過熱情況，提前發(fā)出預(yù)警信號，提醒管理人員進行處理。溫度在線監(jiān)測子系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 溫度在線監(jiān)測子系統(tǒng)示意圖Fig.6 The sketch of online temperaturemonitoring subsystem

4 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了人類社會與物理系統(tǒng)的整合，通過自動、實時對設(shè)備進行識別、定位、追蹤、監(jiān)控并觸發(fā)相應(yīng)事件，實現(xiàn)了對設(shè)備的實時管理和控制。

利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)手段，構(gòu)建傳感網(wǎng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了對影響變電站運行的各類因素全方位的智能監(jiān)測。在傳感網(wǎng)測控數(shù)據(jù)平臺基礎(chǔ)上，建立智能監(jiān)測與輔助控制系統(tǒng)，實現(xiàn)圖像監(jiān)視、安全警衛(wèi)、火災(zāi)報警、主變消防、采暖通風(fēng)等功能的集成，解決輔助系統(tǒng)各自獨立、不具備智能交流、管理繁瑣的問題，全面實現(xiàn)變電站智能運行管理。

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