鄭麗娟，郭強，胡翔，關(guān)山，李吉獻(xiàn)

（1.杭州電力設(shè)備制造有限公司余杭群力成套電氣制造分公司，杭州311100；2.東北電力大學(xué)機械工程學(xué)院，吉林吉林132012）

0 引言

箱式變電站（以下簡稱箱變）以其結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、運行可靠、內(nèi)部設(shè)備組合靈活等特點在電力系統(tǒng)中扮演著重要角色。箱變的巡檢與維護是電力系統(tǒng)運行的重要工作。作為配電網(wǎng)的重要傳輸節(jié)點，箱變多深入負(fù)荷中心，最大限度降低了線損，但也導(dǎo)致箱變分布極其分散，對巡檢與運維造成了極大的困難［1-2］。而且，當(dāng)箱變內(nèi)電氣設(shè)備發(fā)生故障時，無法對電氣設(shè)備進(jìn)行實時有效的調(diào)整，亟須在就地監(jiān)控、遠(yuǎn)程運維及運行狀態(tài)評估等方面加以改進(jìn)。如何對箱變運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測和智能控制，是電力系統(tǒng)工作中存在的難點和重點［3-6］。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者和電力系統(tǒng)工作人員在箱變運行監(jiān)控方面開展了大量的研究。針對人工巡檢的弊端，巡檢機器人被用來完成站內(nèi)電力設(shè)備監(jiān)測以及故障初步診斷［7-9］。文獻(xiàn)［10］重點研究變電站監(jiān)測系統(tǒng)中的管理問題；文獻(xiàn)［11］提出了基于全球移動通信系統(tǒng)（GSM）技術(shù)的綜合監(jiān)測系統(tǒng)，但是此系統(tǒng)主要側(cè)重于通信技術(shù)，對變電站的監(jiān)測和控制系統(tǒng)研究較少；文獻(xiàn)［12］通過知識發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)從箱變歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)中提取重要參數(shù)，提高箱變的自動化水平。此外，當(dāng)前應(yīng)用的箱變監(jiān)測系統(tǒng)僅采用閾值法進(jìn)行預(yù)警，在大數(shù)據(jù)分析、故障診斷方面欠缺很大［13-14］。因此，本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)信息集成的箱變運行狀態(tài)在線綜合監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對箱變的就地監(jiān)控與遠(yuǎn)程運維。

1 箱變綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)信息集成的箱變運行狀態(tài)在線綜合監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖1所示。系統(tǒng)分為現(xiàn)場層、平臺層及表現(xiàn)層?，F(xiàn)場層以箱變綜合監(jiān)控裝置為核心，實現(xiàn)箱變多種監(jiān)測信息的采集、分析、顯示、控制、報警等功能；平臺層為整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)度中心，由多種微服務(wù)組成，實現(xiàn)對現(xiàn)場層數(shù)據(jù)的采集、存儲以及與表現(xiàn)層數(shù)據(jù)的交互等；表現(xiàn)層主要用于接收用戶請求，響應(yīng)數(shù)據(jù)顯示，為用戶提供與機器交互的接口。

圖1 箱變運行狀態(tài)在線綜合監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計方案Fig.1 Overall structure of the online comprehensive monitoring system for in?service states of prefabricated substations

2 現(xiàn)場層

現(xiàn)場層為基于物聯(lián)網(wǎng)連接的分布于不同物理位置的箱變的集合，每臺箱變中均安裝1 臺綜合監(jiān)控裝置，實現(xiàn)對箱變高壓室、低壓室和變壓器室多種電氣量、非電氣量及開關(guān)狀態(tài)的監(jiān)測與智能化控制，具體的監(jiān)測與控制功能如圖2所示。

圖2 監(jiān)測與控制功能Fig.2 Monitoring and control function

2.1 箱變綜合監(jiān)控裝置總體設(shè)計

箱變綜合監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計思想，由監(jiān)測與控制核心組件（圖3中虛線框內(nèi)部分）、電源模塊以及布置于箱變高壓室、變壓器室、低壓室內(nèi)的多個監(jiān)控模塊組成。多個監(jiān)控功能模塊通過RS-485 總線以“即插即用”的方式與集中監(jiān)測與管理模塊連接，實現(xiàn)箱變的就地監(jiān)測與控制，為不同用戶對箱變監(jiān)控功能的個性化需求提供了柔性強、成本低的選擇方案，也為后續(xù)智能箱變新測控功能模塊的開發(fā)與應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

2.2 監(jiān)測與控制核心組件

監(jiān)測與控制核心組件由集中監(jiān)測與管理模塊、通信模塊和人機接口模塊3 部分組成，為箱變綜合監(jiān)控裝置的固定部分，通過RS-485 總線分時與其他各監(jiān)控模塊建立通信聯(lián)系。集中監(jiān)測與管理模塊為綜合監(jiān)控裝置的可選部分，用戶可依據(jù)需求進(jìn)行選擇或增加更多監(jiān)控功能的新模塊。采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計，當(dāng)監(jiān)控功能改變時，只需要對軟件進(jìn)行適當(dāng)?shù)母录纯?，增加了設(shè)計的柔性。

圖3 箱變綜合監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the comprehensive monitoring device in the fabricated substation

2.2.1 集中監(jiān)測與管理模塊

集中監(jiān)測與管理模塊主要包括由STM32F103 RCT6 為主控芯片的核心電路及RS-485 通信電路2部分。STM32F103RCT6 主控芯片以32 位Cortex-M3 為內(nèi)核，最高主頻達(dá)72 MHz，程序存儲器容量是256 KB，具有2 個通用同步/異步串行接收/發(fā)送器（USART）接口，分別用于實現(xiàn)與通信模塊及各監(jiān)控模塊的RS-485通信。STM32F103RCT6芯片外圍電路如圖4所示，RS-485通信模塊電路如圖5所示。

圖4 STM32F103RCT6芯片外圍電路Fig.4 STM32F103RCT6 chip peripheral circuit

2.2.2 通信模塊

通信模塊原理示意如圖6 所示，主要包括EC20無線通信模塊、RS-485 轉(zhuǎn)換模塊、用戶識別（SIM）卡以及用于4G 通信和北斗衛(wèi)星定位的天線。通信模塊的主要功能是將箱變的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警信息、位置信息上傳至平臺層數(shù)據(jù)庫，并接收來自展現(xiàn)層的遙控、遙調(diào)指令。當(dāng)箱變出現(xiàn)異常報警信息時，可通過4G網(wǎng)絡(luò)以短消息的方式點對點發(fā)送至具體運維人員，同時在展現(xiàn)層地理位置查詢界面閃爍顯示，協(xié)助運維人員及時排除故障。

圖5 RS-485通信模塊電路Fig.5 RS-485 communication module circuit

圖6 通信模塊原理示意Fig.6 Principle of the communication module

2.2.3 人機接口模塊

人機接口模塊通過集中監(jiān)測與管理模塊獲取各種類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)規(guī)范化處理后，進(jìn)行分類顯示，供巡檢人員查看。同時結(jié)合開關(guān)量監(jiān)測模塊返回的各分/合閘狀態(tài)數(shù)據(jù)，依據(jù)安全操作規(guī)范或“五防”連鎖邏輯，對箱變的可操作狀態(tài)進(jìn)行智能化判斷，并通過輸入/輸出（I/O）監(jiān)測控制界面，實現(xiàn)對箱變進(jìn)行程序化控制，有效避免了由于人為因素產(chǎn)生的誤操作。

人機接口模塊的主要功能包括：高/低壓側(cè)電氣參數(shù)監(jiān)測、母線及變壓器室溫度監(jiān)測、高低壓開關(guān)量狀態(tài)監(jiān)測、遠(yuǎn)程輸出控制、環(huán)境溫/濕度監(jiān)測、變壓器油溫/油位監(jiān)測、泄漏電流及局部放電監(jiān)測等。當(dāng)報警情況出現(xiàn)時，可通過人機接口模塊實現(xiàn)就地報警，同時通過通信模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程報警，并在展現(xiàn)層箱變地理位置查詢界面顯示報警箱變的準(zhǔn)確地理位置，供運維人員快速定位、及時檢修。電氣參數(shù)監(jiān)測界面如圖7所示，I/O高/低壓開關(guān)量狀態(tài)監(jiān)測界面如圖8所示。

圖7 電氣參數(shù)監(jiān)測界面Fig.7 Electrical parameter display interface

圖8 I/O高/低壓開關(guān)量狀態(tài)監(jiān)測界面Fig.8 I/O switching quantity of high and low voltage displayed on the state monitoring interface

2.3 變壓器室溫度監(jiān)測模塊

基于STM32F103RCT6 單片機與MLX90640 紅外陣列溫度傳感器研發(fā)了紅外掃描測溫模塊。該模塊克服了傳統(tǒng)點式測溫模塊安裝不便、測溫點固定等缺陷［15-19］，實現(xiàn)了在115°×75°或55°×35°范圍內(nèi)768（32×24）個任意點溫度的監(jiān)測，模塊具有RS-485/RS-422/無線射頻3 種通信方式，通信距離可達(dá)1 km，可測量溫度范圍為-40～300 ℃，測量精度可達(dá)±1 ℃，非常適用于箱變等監(jiān)測點多、空間狹小、布線不便等場合，紅外掃描測溫模塊測溫示意如圖9 所示，溫度監(jiān)測界面如圖10所示。

2.4 其他監(jiān)控模塊

高/低壓側(cè)電氣參數(shù)監(jiān)測模塊實現(xiàn)對箱變內(nèi)部的高/低壓室電壓、電流等電氣量的實時監(jiān)測，并依據(jù)此參數(shù)進(jìn)一步計算出有功、無功、視在功率及功率因數(shù)等，可直接反映箱變的運行狀態(tài)，也為有載調(diào)壓和無功補償提供依據(jù)。

變壓器室局部放電監(jiān)測模塊、泄漏電流監(jiān)測模塊、變壓器油位/油溫監(jiān)測模塊以及環(huán)境溫/濕度監(jiān)測模塊可以為箱變的安全運行、故障診斷及基于大數(shù)據(jù)的箱變狀態(tài)評估提供支撐。

圖9 紅外掃描測溫模塊測溫示意Fig.9 Infrared scanning temperature measurement module

圖10 溫度監(jiān)測界面Fig.10 Temperature monitoring interface

開關(guān)量狀態(tài)監(jiān)測模塊、就地/遠(yuǎn)方控制模塊可實現(xiàn)對負(fù)荷開關(guān)、斷路器、有載調(diào)壓等的位置，熔斷器、無功補償投切等的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測并依據(jù)聯(lián)鎖邏輯實現(xiàn)箱變的智能化控制；帶電顯示模塊可直觀顯示進(jìn)線母線、斷路器、主變壓器等電氣設(shè)備是否帶有運行電壓，并與柜門上的電磁鎖形成聯(lián)鎖，為箱變的安全運維提供保障。

電源模塊具備多回路調(diào)壓功能，以交流220 V為電源輸入，根據(jù)各監(jiān)控模塊工作電壓不同，將輸入電壓調(diào)整至3.3，5.0 或24.0 V 等不同等級，完成對上述各模塊的供電。

3 平臺層

平臺層為部署于云服務(wù)器上的1套管理分析軟件與數(shù)據(jù)集合，為整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)度中心，由多種微服務(wù)組成。其中數(shù)據(jù)采集服務(wù)直接與現(xiàn)場層連接，定時以巡檢的方式向各箱變發(fā)送數(shù)據(jù)請求，當(dāng)箱變內(nèi)綜合監(jiān)控裝置接收到數(shù)據(jù)請求后，通過4G網(wǎng)絡(luò)將箱變的當(dāng)前狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳，存入數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的數(shù)據(jù)表內(nèi)；后臺服務(wù)響應(yīng)展現(xiàn)層監(jiān)控中心電腦端和移動應(yīng)用平板端的各種數(shù)據(jù)請求，例如狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析等，并將結(jié)果反饋展現(xiàn)層供用戶與系統(tǒng)進(jìn)行交互。

另外，后臺服務(wù)可接受來自展現(xiàn)層的控制命令，以4G 通信的方式實現(xiàn)對現(xiàn)場層各箱變的控制；采用SQL Server 云數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對現(xiàn)場層各箱變多類監(jiān)控數(shù)據(jù)的存儲，包含用戶表、箱變信息總表、箱變型號信息表以及對應(yīng)每臺箱變的多種監(jiān)測信息的存儲表等。

數(shù)據(jù)庫的物理模型如圖11 所示。用戶表中用戶可分為管理員級用戶和普通用戶，管理員級用戶可對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行維護，包括新增/刪除用戶、用戶權(quán)限分配、箱變的增加/刪除以及對應(yīng)監(jiān)控信息存儲表的創(chuàng)建/刪除等。

普通用戶可實現(xiàn)對權(quán)限范圍內(nèi)箱變的信息查詢與控制，用戶權(quán)限范圍通過箱變編碼字段中的編碼列表來指定。箱變信息總表中的每1條記錄對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)1 臺箱變的具體信息，從第4 個字段開始存儲的內(nèi)容為該箱變多種監(jiān)控信息存儲數(shù)據(jù)表的名稱，通過提取該字段的內(nèi)容確定該箱變某一監(jiān)控信息存儲數(shù)據(jù)表的表名，進(jìn)而實現(xiàn)信息的存儲與檢索。

圖11 數(shù)據(jù)庫物理模型Fig.11 Database physical model

4 展現(xiàn)層

展現(xiàn)層主要用于接收用戶請求，響應(yīng)數(shù)據(jù)顯示或?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場層箱變的遠(yuǎn)程控制，為用戶與綜合監(jiān)控系統(tǒng)交互的人機界面。展現(xiàn)層提供了2種人機交互模式：監(jiān)控中心電腦端和移動應(yīng)用平板端。

電腦端為基于JaveScript、第5 代超文本標(biāo)記語言（HTML 5）及層疊樣式表（CSS）開發(fā)的瀏覽器/服務(wù)器（B/S）結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序；平板端為基于Jave語言開發(fā)的應(yīng)用程序（App），安裝于平板電腦或手機中，方便運維人員攜帶并隨時運維。

電腦端在功能上較平板端增加了數(shù)據(jù)庫維護和用戶管理2 項，并且只有以系統(tǒng)管理員身份登錄的用戶才有權(quán)對此2 項進(jìn)行操作，普通用戶只能進(jìn)行信息瀏覽和有限權(quán)限的遠(yuǎn)程控制，具體實現(xiàn)的功能如圖12所示，虛線框內(nèi)為平板端具有的功能。

圖12 展現(xiàn)層人機接口軟件功能Fig.12 Human?computer interaction interface on the presentation layer

本文研究的箱變綜合監(jiān)控系統(tǒng)除具有其他監(jiān)控系統(tǒng)提供的監(jiān)測信息顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計打印等常規(guī)功能外，其最大特點如下。

（1）可與地理信息結(jié)合，每臺箱變在地圖中以1個紅色氣球標(biāo)記，單擊標(biāo)記可進(jìn)入該箱變的實時監(jiān)控界面查看運行狀態(tài)。當(dāng)報警或故障時，代表該箱變的標(biāo)記閃爍。監(jiān)控中心電腦端箱變地理位置信息顯示界面如圖13所示。

圖13 箱變地理位置信息界面Fig.13 Interface of geographic locations of prefabricated substations

（2）具有箱變圖紙管理功能，尤其是該功能在平板端App 的應(yīng)用，極大地方便了運維人員。當(dāng)箱變出現(xiàn)故障時，運維人員可快速抵達(dá)現(xiàn)場，節(jié)省了技術(shù)資料的準(zhǔn)備時間。手機端圖紙管理界面如圖14所示。

圖14 手機端圖紙管理界面Fig.14 Drawing management interface on mobile terminals

5 結(jié)論

（1）提出了基于物聯(lián)網(wǎng)與云服務(wù)的箱式變電站的智能化監(jiān)控體系，提出了適于多類信息存儲的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了箱變多類型信息（運維信息、定位信息等）的集成化管理及遠(yuǎn)程監(jiān)控，并與地理信息結(jié)合起來，實現(xiàn)了箱變的快速定位。

（2）現(xiàn)場層采用模塊化的設(shè)計構(gòu)建監(jiān)測裝置單元。各功能模塊通過總線以“即插即用”的方式與主控模塊連接，為不同用戶對箱變功能的個性化定制提供了柔性強、成本低的選擇方案，也為后續(xù)智能箱變新測控功能模塊的開發(fā)與應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。