摘 要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是智能電網(wǎng)對(duì)外界信息感知的重要組成部分，在電力系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。智能變電站作為智能電網(wǎng)的技術(shù)核心與設(shè)備外延，使物聯(lián)網(wǎng)多種關(guān)鍵技術(shù)得以具體應(yīng)用。本文針對(duì)智能變電站建設(shè)的實(shí)際需求，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)造了智能變電站監(jiān)控總系統(tǒng)以及包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)、智能巡檢監(jiān)控子系統(tǒng)、避雷器監(jiān)控子系統(tǒng)以及安全警衛(wèi)監(jiān)控子系統(tǒng)在內(nèi)的四大子系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；無線射頻識(shí)別技術(shù)；智能變電站

中圖分類號(hào)：TP391.44

2009年，國(guó)家電網(wǎng)公司啟動(dòng)了智能電網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)，2011年，我國(guó)智能電網(wǎng)進(jìn)入全面建設(shè)階段，計(jì)劃在2020年初步建成世界上最大的智能電網(wǎng)[1]。智能變電站是智能電網(wǎng)的重要支撐，采用先進(jìn)、集成、可靠、環(huán)保的智能設(shè)備，通過數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、共享化的信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，自動(dòng)完成信息采集、測(cè)量、控制和監(jiān)測(cè)等基本功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、在線分析、協(xié)同互動(dòng)等諸多功能[2]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為一種新型通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、監(jiān)控與管理，已經(jīng)在健康醫(yī)療、智能家居、現(xiàn)代物流管理、食品安全控制、數(shù)字圖書館等領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用，并取得了良好的效果，因此將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有效的融入智能變電站的建設(shè)當(dāng)中，是智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展到一定程度的必然產(chǎn)物，能有效地對(duì)變電站電力系統(tǒng)資源進(jìn)行整合，促進(jìn)電力系統(tǒng)管理水平的進(jìn)一步提高。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1999年麻省理工學(xué)院（MIT）的教授在研究無線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）時(shí)率先提出物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things）的概念。2005年，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布的報(bào)告中對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的定義進(jìn)行延伸，即物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指在基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，利用無線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)、全球定位系統(tǒng)（GPS）以及紅外傳感器等技術(shù)自動(dòng)采集和獲取物品的相關(guān)信息，并基于各種智能計(jì)算技術(shù)如云計(jì)算、模糊識(shí)別、數(shù)據(jù)挖掘等，對(duì)物品相關(guān)信息進(jìn)行分析處理，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的智能化管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[3]。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)的典型體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，至下而上分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[4]。

（1）感知層：主要用于感知物理世界中發(fā)生的事件的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括各類物理信息、身份標(biāo)識(shí)、音頻、視頻等相關(guān)數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集涉及各種類型的傳感器、RFID、多媒體信息、二維碼和全球定位系統(tǒng)等技術(shù)。感知層又包括數(shù)據(jù)采集、短距離無線通信兩部分。數(shù)據(jù)采集主要是運(yùn)用智能設(shè)備等對(duì)物品基礎(chǔ)信息進(jìn)行采集。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：主要利用已有的2G/3G/4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、專網(wǎng)等，把感知層獲得的信息快速、可靠、安全地傳輸，使物品能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大范圍、多角度、全天候的通信，最終實(shí)現(xiàn)在全球范圍內(nèi)的信息傳輸

（3）應(yīng)用層：主要用于物品與人的信息交互，將物品的信息進(jìn)行搜集，匯總在應(yīng)用層進(jìn)行統(tǒng)一管理、分析、決策，并用于支撐多行業(yè)、多應(yīng)用、多系統(tǒng)之間的信息協(xié)同共享，提高信息的綜合利用度，最大程度地為人類服務(wù)。其具體的應(yīng)用領(lǐng)域包括健康醫(yī)療、智能家居、現(xiàn)代物流管理、食品安全控制、數(shù)字圖書館等。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 傳感網(wǎng)技術(shù)

傳感網(wǎng)技術(shù)是大量隨機(jī)分布的集成傳感器、數(shù)據(jù)處理及通信單元，通過自組織的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)。傳感網(wǎng)技術(shù)的基本單元是節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)是傳感網(wǎng)的基本平臺(tái)，它的主要功能是感知、識(shí)別、采集和監(jiān)測(cè)各種環(huán)境或?qū)ο蟮男畔ⅲ⑹占降男畔⑦M(jìn)行監(jiān)督控制、信息共享和存儲(chǔ)管理。傳感網(wǎng)由三部分網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如圖2所示，包括網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、傳感網(wǎng)絡(luò)管理以及應(yīng)用支撐技術(shù)[5]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用區(qū)域內(nèi)大量移動(dòng)或靜止的微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過MEMS的微傳感技術(shù)、無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等通信技術(shù)形成一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。

1.2.2 無線射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)

RFID技術(shù)是通過射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有讀取方便快捷、安全度高、抗干擾強(qiáng)、使用使命長(zhǎng)、數(shù)據(jù)容量大等許多優(yōu)點(diǎn)。無線射頻識(shí)別技術(shù)系統(tǒng)由應(yīng)答器、閱讀器和應(yīng)用軟件系統(tǒng)組成，由閱讀器發(fā)射特定頻率的無線電波能量，送給應(yīng)用軟件系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理。射頻識(shí)別技術(shù)中的數(shù)據(jù)編碼結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)讀取需要統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行規(guī)范。RFID標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)和性能標(biāo)準(zhǔn)[6]。其中編碼標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議是RFID標(biāo)準(zhǔn)的核心。

1.2.3 電子編碼（EPC）技術(shù)

EPC是通過互聯(lián)網(wǎng)和RFID技術(shù)，利用全球統(tǒng)一標(biāo)識(shí)編碼技術(shù)系統(tǒng)給每一個(gè)實(shí)體對(duì)象編寫唯一的代碼，構(gòu)造了一個(gè)信息實(shí)時(shí)搜集與共享的物聯(lián)網(wǎng)。EPC系統(tǒng)的工作流程如圖4所示，在EPC標(biāo)簽、閱讀器器、中間服務(wù)器、英特網(wǎng)、ONS服務(wù)器、PML服務(wù)器、以及眾多數(shù)據(jù)庫組成的物聯(lián)網(wǎng)中，讀寫器作為信息參考的標(biāo)準(zhǔn)，采用分布式中間件系統(tǒng)跟蹤、存儲(chǔ)和管理EPC信息。ONS服務(wù)器提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫服務(wù)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，EPC被中間件傳給ONS服務(wù)器，ONS服務(wù)器指示中間件到PML服務(wù)器中進(jìn)行查找，通過中間件復(fù)制該文件傳送到企業(yè)應(yīng)用軟件上進(jìn)行分析處理。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能變電站中的應(yīng)用

輸變電系統(tǒng)的電氣設(shè)備主要包括變壓器、斷路器、導(dǎo)線、高壓絕緣子、隔離開關(guān)，其保護(hù)設(shè)備主要包括繼電保護(hù)裝置、互感器、避雷器等，上述設(shè)備運(yùn)行的可靠性不僅直接關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而且決定了供電質(zhì)量和效率的高低，因此亟需通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

2.1 智能變電站監(jiān)控總系統(tǒng)

變電站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過傳感器、掃描儀等設(shè)備感知外界設(shè)備信息，構(gòu)建傳感網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上建立變電站智能監(jiān)測(cè)與輔助控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備巡檢監(jiān)測(cè)、避雷器智能監(jiān)測(cè)、安全警衛(wèi)監(jiān)測(cè)的功能，全面實(shí)現(xiàn)變電站智能化、互動(dòng)化、一體化管理[7]。如圖5所示主要完成以下功能。

（1）監(jiān)控變電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如監(jiān)測(cè)變壓器、斷路器等電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)正常狀態(tài)與異常狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，為狀態(tài)檢修提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）智能督導(dǎo)設(shè)備巡檢工作，如自動(dòng)引導(dǎo)完成巡檢路線的設(shè)計(jì)，記錄巡檢人員通過關(guān)鍵巡視點(diǎn)的時(shí)間，對(duì)觀測(cè)信息與存儲(chǔ)的信息進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)異常信息給予及時(shí)糾正。

（3）監(jiān)控避雷器智能運(yùn)行，監(jiān)測(cè)避雷器的總電流、諧波電流和阻性電流，對(duì)相關(guān)信息的有效分析達(dá)到對(duì)避雷器狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)潛在的異常運(yùn)行發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

（4）安全警衛(wèi)的智能監(jiān)控，將高清攝像頭與各種紅外傳感器相結(jié)合，根據(jù)具體情況設(shè)定安全區(qū)域、警示區(qū)域、危險(xiǎn)區(qū)域，對(duì)區(qū)域作業(yè)者的安全提示和對(duì)入侵實(shí)施有效警戒。

2.2 智能變電站監(jiān)控子系統(tǒng)

2.2.1 變電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控智能化

變電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)中心、數(shù)據(jù)傳輸基站、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)等構(gòu)成。其中，數(shù)據(jù)傳輸基站由大功率存儲(chǔ)器、微處理器、射頻收發(fā)器、總線接口等組成；無線傳感器由數(shù)字控制器、數(shù)字傳感器、射頻收發(fā)器等組成，各類無線傳感器安裝在高壓輸變電設(shè)備上，如變壓器、斷路器、導(dǎo)線、高壓絕緣子、隔離開關(guān)，構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)對(duì)設(shè)備溫度、氣象環(huán)境、空氣濕度、圖像視頻及周邊環(huán)境等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。作為監(jiān)測(cè)中心的控制主機(jī)定期通過RS485總線訪問處理各類數(shù)據(jù)傳輸基站，數(shù)據(jù)傳輸基站通過高頻收發(fā)器與傳感器相互連接，通過高頻收發(fā)器匯總信息，并通過網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)將數(shù)據(jù)保存到監(jiān)測(cè)中心的控制主機(jī)中，監(jiān)測(cè)中心的管理人員定期對(duì)收集到的信息進(jìn)行智能分析處理，并將分析結(jié)果實(shí)時(shí)傳送到巡檢人員處，作為下一階段設(shè)備維修及管理的基礎(chǔ)。

2.2.2 變電站智能巡檢智能化

智能巡檢子系統(tǒng)由巡檢中心、巡檢控制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、無線傳感器、智能終端等組成。巡檢中心根據(jù)日常設(shè)備管理及維護(hù)的需要設(shè)定巡檢路線，并將巡檢路線存儲(chǔ)于巡檢中心的智能巡檢子網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)關(guān)鍵的巡檢點(diǎn)如多股交叉路口，分支路段設(shè)置感應(yīng)系統(tǒng)，感應(yīng)系統(tǒng)由高清攝像頭、紅外掃描儀以及無線傳感器等組成，并與巡檢中心控制系統(tǒng)相連，巡檢人員穿上便于識(shí)別的巡檢制服進(jìn)入巡檢路段對(duì)設(shè)備依次進(jìn)行巡檢。巡檢中心將感應(yīng)巡檢人員的巡檢路線與巡檢中心的設(shè)定巡檢信息進(jìn)行分析處理。當(dāng)巡檢人員到達(dá)某個(gè)巡檢區(qū)域后，智能終端開始對(duì)巡檢人員的巡檢路線進(jìn)行分析匹配，若匹配成功，智能終端顯示可以巡檢并提示下一個(gè)被巡檢設(shè)備名稱，否則發(fā)出錯(cuò)誤匹配信息，對(duì)巡檢人員進(jìn)行預(yù)警及告知巡檢中心。通過智能巡檢實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢工作的準(zhǔn)確高效的監(jiān)督管理，保證巡檢人員安全無誤的到崗巡查，為日常巡檢和數(shù)據(jù)分析管理提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

2.2.3 變電站避雷器監(jiān)控智能化

避雷器智能監(jiān)控子系統(tǒng)由控制主機(jī)、中心無線基站、數(shù)據(jù)傳輸基站及各類傳感器構(gòu)成。安裝在避雷器上的電壓監(jiān)測(cè)傳感器負(fù)責(zé)采集、分析電壓諧波和相位信息，泄漏電流傳感器定時(shí)通過微電流CT采集泄漏電流，并記錄每個(gè)數(shù)據(jù)的采集時(shí)間，控制器分析計(jì)算泄漏電流的總有效值和諧波值。各類傳感器與區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸基站無線相連，通過無線射頻識(shí)別技術(shù)將區(qū)域內(nèi)的諧波信息發(fā)送至數(shù)據(jù)傳輸基站，所有數(shù)據(jù)傳輸基站與中心無線基站相連，形成龐大的局域數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，用以分析計(jì)算阻性電流，判斷相位基準(zhǔn)。處于中心數(shù)據(jù)基站的核心是控制主機(jī)，控制主機(jī)通過分析避雷器的總泄漏電流，分析比對(duì)泄漏電流的多次諧波值和同相序電壓多次諧波值，當(dāng)避雷器出現(xiàn)異常時(shí)，可以及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，對(duì)避雷器進(jìn)行實(shí)時(shí)安全聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)控，保證避雷器泄漏電流傳感器和電壓監(jiān)控傳感器免維護(hù)的長(zhǎng)時(shí)間安全運(yùn)行。

2.2.4 安全警衛(wèi)監(jiān)控智能化

安全警衛(wèi)監(jiān)控子系統(tǒng)由控制主機(jī)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、各類實(shí)體組織構(gòu)成。針對(duì)傳統(tǒng)的變電站安全隱患，組建多類型傳感器，如圍墻震動(dòng)傳感器、溫度識(shí)別傳感器、火災(zāi)預(yù)警傳感器及高清攝像頭等組成的協(xié)同感知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上多種探測(cè)器的前端探測(cè)手段感知、識(shí)別、預(yù)警，對(duì)變電站及周圍環(huán)境進(jìn)行全天候、多方位、多角度動(dòng)態(tài)智能探測(cè)，使智能變電站具備很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性、安全性和穩(wěn)定性。例如，通過讀取火災(zāi)預(yù)警傳感器發(fā)出的告警信息、視頻圖像信息中的信號(hào)、環(huán)境溫度傳感器等發(fā)出的異常信息，多角度實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站火災(zāi)的智能化監(jiān)控、自動(dòng)進(jìn)行消防報(bào)警，同時(shí)可以和充氮滅火、噴淋滅火等滅火系統(tǒng)的進(jìn)行聯(lián)動(dòng)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種突發(fā)狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障警報(bào)和有效處理。

3 結(jié)束語

智能變電站作為智能電網(wǎng)的核心，是智能電網(wǎng)智能化設(shè)備的延伸，在物理空間和信息空間具有強(qiáng)相關(guān)聯(lián)性和高度混雜性。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入將提高智能變電站的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備可使用率，降低設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的盲目性與風(fēng)險(xiǎn)性，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行管理，增強(qiáng)設(shè)備的可操作性、安全性、準(zhǔn)確性。智能變電站不僅具有通用物聯(lián)網(wǎng)的識(shí)別及管理能力，而且具備對(duì)輸變電設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)、故障診斷、自動(dòng)調(diào)節(jié)、協(xié)同互動(dòng)、維修管理等功能[8-9]。本文充分考慮了智能電網(wǎng)的特性以及智能變電站的實(shí)際需求，提出了構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)。然而將物聯(lián)網(wǎng)真正融入到智能變電站建設(shè)的方方面面中是一項(xiàng)長(zhǎng)期工程，需要電網(wǎng)信息化程度的不斷提高和物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化工作的不斷推進(jìn)。

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作者簡(jiǎn)介：王紀(jì)軍（1976-），男，江蘇靖江人，高級(jí)工程師，本科，研究方向：計(jì)算應(yīng)用；任萱（1973-），女，江蘇鎮(zhèn)江人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：變電運(yùn)行；王成現(xiàn)（1970-），男，江蘇淮安人，高級(jí)工程師，本科，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

作者單位：江蘇省電力公司，南京 210024；江蘇省電力公司鎮(zhèn)江供電公司，江蘇鎮(zhèn)江 212002；江蘇電力信息技術(shù)有限公司，南京 210008