袁 偉

(國網(wǎng)江蘇省無錫供電公司， 江蘇 無錫 214000)

電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行關(guān)系到人們的正常工作和生活，經(jīng)濟的快速發(fā)展讓人們對電力的需求更高。互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展背景下，電力系統(tǒng)逐漸走向智能電網(wǎng)方向、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化成為了必然發(fā)展趨勢。智能電網(wǎng)需要利用先進的傳感和測量技術(shù)以及信息通信技術(shù)，并與電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合，形成智能電網(wǎng)，讓自動化、信息化、環(huán)保成為智能電網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢，智能電網(wǎng)可以對電網(wǎng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，即使在沒有人工干預(yù)的情況下也可以進行系統(tǒng)的自我修復(fù)，可以自行發(fā)現(xiàn)故障并進行處理，讓電網(wǎng)的運行效率得到大大提高。智能電網(wǎng)的發(fā)展意味著對安全性的要求更高，安全一直是首要關(guān)注的問題；同時也是電力設(shè)備的關(guān)鍵所在。變電站作為智能電網(wǎng)的組成部分，不僅是基礎(chǔ)的電力設(shè)備，更是電網(wǎng)的關(guān)鍵運行設(shè)備，在整個電力系統(tǒng)中起到紐帶作用。變電站電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運行是保證電力安全傳輸?shù)闹匾蛩刂弧Ｎ锫?lián)網(wǎng)技術(shù)在時代的潮流下應(yīng)運而生，旨在解決電力設(shè)備運行下所出現(xiàn)的監(jiān)測問題。物聯(lián)網(wǎng)集獲取、分析、處理和反饋于一體，將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在變電站智能系統(tǒng)建設(shè)中，是信息時代發(fā)展的必然結(jié)果。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)感知外部世界，構(gòu)建無線傳感器檢測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對變電站設(shè)備運行狀態(tài)的全方位實時監(jiān)測。

1 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)采用面相對象的建模方法，同時采用統(tǒng)一的SCL語言進行配置，大大提高了標(biāo)準(zhǔn)的通用性。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)的格式和標(biāo)識符都進行了重新定義。采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站，具有集成度高的特點，可以將各種電力設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)一整理，并上傳到后臺，減少了數(shù)據(jù)之間的差異性；最大的優(yōu)勢就是減少了人工成本、物力成本和配置簡單，不需要專業(yè)的人員進行實施，提高了工程施工的效率。智能變電站采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，IED模塊化設(shè)計，不同的IED之間互不干涉，單獨安裝保護裝置更有利于對問題進行排查，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時，更有利于故障的排查，且不需要對數(shù)據(jù)進行過多的分析，直接采用模塊化進行設(shè)計，可以直接發(fā)現(xiàn)問題并進行替換。分層設(shè)計方式讓不同的設(shè)備之間實現(xiàn)共享，讓智能變電站的配置使用更加靈活高效。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)定義的3層架構(gòu)如圖1所示。

圖1 IEC 61850的3層架構(gòu)Fig.1 IEC 61850 three-tier architecture

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮姆绞竭M行數(shù)據(jù)建模。數(shù)據(jù)模型中包含了各種類，在創(chuàng)建實例過程中，可以從類中生成各種數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)模型中的類包含公共數(shù)據(jù)類型、設(shè)置控制類等，這些類也分為邏輯節(jié)點，如果在建模的過程中無法滿足邏輯節(jié)點的要求，就需要對模型進行拓展。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)模型分為5個層次，自上而下為服務(wù)層、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)屬性。

2 物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)

2.1 感知技術(shù)

感知技術(shù)分為傳感器技術(shù)和RFID技術(shù)。傳感器技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)中感知層的重要支撐技術(shù)之一，其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳感器組成示意圖Fig.2 Schematic diagram of sensor composition

傳感器種類多樣，如電力系統(tǒng)中常用的溫度傳感器、濕度傳感器、煙感傳感器、泄露電流傳感器等。通過敏感元件將測量到的物體情況，采用一定的轉(zhuǎn)換規(guī)律進行信號轉(zhuǎn)換，通過信息傳遞網(wǎng)絡(luò)的方式，將轉(zhuǎn)換的信號輸送到網(wǎng)絡(luò)的各個子系統(tǒng)中。

RFID技術(shù)是一種信息識別技術(shù)，通過射頻信號在不接觸到目標(biāo)的情況下被并采集信息，在惡劣環(huán)境或者無人工干預(yù)的情況下也可以進行工作。RIFD技術(shù)由電子標(biāo)簽、讀寫器、信息處理系統(tǒng)3部分組成。RFID會根據(jù)能量感知方式的不同，分為電感耦合系統(tǒng)和電磁反向散射耦合系統(tǒng)2大類。電感耦合系統(tǒng)電子標(biāo)簽的組成簡單，使用單個微芯片就可以工作。電感耦合中，閱讀器會通過自身的天線線圈產(chǎn)生磁場，電子標(biāo)簽通過磁場的影響會產(chǎn)生電壓U，為電感耦合中的微芯片提供能量；電磁反向散射系統(tǒng)發(fā)送方式為電磁波，電磁波以回波的方式發(fā)送信號，或者以不同強度發(fā)射，或者電磁波被消散或者吸收。讀寫器通過發(fā)射調(diào)制載波的形式，為電子標(biāo)簽提供能量，從而達到提供數(shù)據(jù)的目的。讀寫器只會向電子標(biāo)簽返回的信號發(fā)射調(diào)制載波。

2.2 傳輸技術(shù)

傳輸技術(shù)分為無線自組網(wǎng)技術(shù)和M2M技術(shù)。無線自組網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)不同，該網(wǎng)絡(luò)沒有基礎(chǔ)設(shè)施，自帶無線收發(fā)裝置節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。以多跳路由和無控制中心為主要技術(shù)，保證網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。無線自組網(wǎng)可以完全脫離互聯(lián)網(wǎng)進行單獨運行，針對一些網(wǎng)絡(luò)部署成本高的環(huán)境而言，可以采用無線自組網(wǎng)的方式進行設(shè)計。無線自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無線自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic diagram of wireless ad hoc network

由圖3可知，無線自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)由6個站點組成，如果想要進行數(shù)據(jù)傳輸，、可以直接完成信息傳輸，無需通過站點進行轉(zhuǎn)換；但是和必須要通過站點才能夠?qū)崿F(xiàn)信息的交換。這是無線自組網(wǎng)的特殊優(yōu)勢，目的就是通過多次傳遞的方式達到信息傳輸?shù)男Ч?/p>

M2M技術(shù)的主要功能就是實現(xiàn)物體與物體之間的通信，還可以對數(shù)據(jù)進行交換。當(dāng)前條件背景下，只有一些IT設(shè)備可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能，其他沒有IT設(shè)備的機器不具備聯(lián)網(wǎng)功能；因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需要實現(xiàn)機器之間的互相通信，需要用M2M技術(shù)。M2M技術(shù)包含從終端到網(wǎng)絡(luò)，再到其他各個層面的通信，具有多種類型。在M2M中，GSM/GPRS是最主要的遠距離連接技術(shù)，以802.11 b/g、Zigbee、RFID為近距離連接技術(shù)，還有GPS、無線終端等位置服務(wù)技術(shù)。M2M技術(shù)強調(diào)機器互聯(lián)，可以對數(shù)據(jù)進行自動上傳，無需人工干預(yù)。由于移動通信網(wǎng)絡(luò)不需要人工布線，大大節(jié)省了成本，在危險環(huán)境下也可以滿足通信需求。

2.3 處理技術(shù)

數(shù)據(jù)挖掘是一種對數(shù)據(jù)進行分析、處理的技術(shù)。從龐大的數(shù)據(jù)中找到需要的信息，并對數(shù)據(jù)進行關(guān)系整理；數(shù)據(jù)挖掘的流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)挖掘過程Fig.4 Data mining process

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)與大規(guī)模、分布式、時間和位置有關(guān)，集中式數(shù)據(jù)挖掘不適用。分布式數(shù)據(jù)挖掘就是將復(fù)雜的問題簡單化，完成分解后可以降低運行難度，提高存儲能力。數(shù)據(jù)融合技術(shù)就是對多種數(shù)據(jù)進行信息處理和優(yōu)化，輸出一種更符合用戶需求的數(shù)據(jù)。當(dāng)前大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用都需要通過大量的傳感器節(jié)點完成信息采集，因此，需要通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將海量的信息進行整理，抽取出更多有效的數(shù)據(jù)；同時，還可以降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸總量，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的功能變電站智能系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體方案設(shè)計

為了實現(xiàn)對智能變電站的智能管理，需要對站內(nèi)的設(shè)備進行智能化設(shè)計。智能傳感網(wǎng)測控平臺是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的產(chǎn)物，主要功能是完成對站內(nèi)實時狀態(tài)的監(jiān)控，并在傳感測控平臺上搭建變電站系統(tǒng)，實現(xiàn)站內(nèi)各個子系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。設(shè)計架構(gòu)如圖5所示。

圖5 智能監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 Intelligent monitoring system architecture

(1)集控站管理主機主要查收各個子系統(tǒng)設(shè)備的情況報告，一旦即子系統(tǒng)的設(shè)備發(fā)生異常，集控站主機會根據(jù)異常報告進行處理；

(2)站內(nèi)主控機是整個系統(tǒng)的中心，對各子系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進行管理，并評估設(shè)備的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常后啟動相應(yīng)的應(yīng)急方案；

(3)各子系統(tǒng)是根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所生成的子系統(tǒng)，可以感知設(shè)備的運行情況，匯聚數(shù)據(jù)，并執(zhí)行站內(nèi)主機的命令。

智能變電站主機系統(tǒng)主要分為站內(nèi)主控機和集控站主機2大層，整個主機系統(tǒng)的構(gòu)建都在這2層實現(xiàn)。站內(nèi)控制主機采取統(tǒng)一建模的方式，將在線設(shè)備監(jiān)測、保護測控設(shè)備以及計量電表進行模型標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。在確保所有數(shù)據(jù)完整統(tǒng)一的情況下建立全景數(shù)據(jù)處理平臺，為子系統(tǒng)提供可兼容的信息訪問接口。站內(nèi)控制主機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。站內(nèi)控制主機屬于站控層，通過以太網(wǎng)IEC61850與間隔層、過程層進行信息交流。

圖6 站內(nèi)控制主機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 The structure of the control host system in the station

3.2 子系統(tǒng)方案設(shè)計

圖像監(jiān)視與安全警衛(wèi)

“四遙”目標(biāo)的實現(xiàn)得益于電力系統(tǒng)自動化程度的提高，這些功能的實現(xiàn)為圖像監(jiān)控及安全警衛(wèi)子系統(tǒng)的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。圖像監(jiān)控及安全警衛(wèi)子系統(tǒng)可以對變電站中設(shè)備的情況進行實時監(jiān)控，一旦出現(xiàn)問題立即發(fā)出警報，保證了變電站設(shè)備的安全穩(wěn)定，為管理變電站提供了保障。該子系統(tǒng)的核心技術(shù)就是不失真的壓縮圖像，音頻、報警、控制等信號都可以與數(shù)字形成統(tǒng)一后發(fā)送到接口設(shè)備中，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號；這樣信息解壓后圖像數(shù)據(jù)也不會失真，從而完成對現(xiàn)場的實時監(jiān)控。圖像監(jiān)視與安全警衛(wèi)子系統(tǒng)包括現(xiàn)場及通信設(shè)備、后臺監(jiān)控2大硬件。攝像機可以選用模擬攝像機和網(wǎng)絡(luò)攝像機2大類，各有優(yōu)缺點，根據(jù)對變電站的運行情況進行分析，選擇網(wǎng)絡(luò)攝像機是最佳選擇。對于站內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)攝像機，可以考慮采用光纖傳輸方式，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

火災(zāi)報警及消防

火災(zāi)報警消防系統(tǒng)是讀取感溫感煙探測器，發(fā)現(xiàn)問題會立即發(fā)出信號；結(jié)合視頻設(shè)備，對位置進行定位，發(fā)出報警和撥打消防電話。為了防止火災(zāi)蔓延，系統(tǒng)還會發(fā)出閉鎖信號，閉鎖風(fēng)機控制器?；馂?zāi)報警及消防子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

火災(zāi)報警控制器采用微機控制技術(shù)，聯(lián)網(wǎng)通訊接口采用RS-485，保證了通信網(wǎng)絡(luò)即使在遠距離的條件下依然可以傳輸信號。工作電源采用220 V/AC 50 Hz，溫度-10～50 ℃ 。

變壓器呼吸器在線監(jiān)測

變壓器呼吸器位于油枕與空氣連接管的末端。當(dāng)變壓器的內(nèi)部發(fā)生油溫變化，油箱內(nèi)的油會自動膨脹，油溫會升高或降低。油枕的內(nèi)部會有呼吸器排除空氣，讓變壓器可以正常呼吸。在溫度不變時，呼吸器的呼吸情況不易發(fā)現(xiàn)，很難人為察覺，無法及時判斷變壓器的正常運行情況。因此，設(shè)計變壓器呼吸器在線監(jiān)測子系統(tǒng)，可以及時發(fā)現(xiàn)變壓器缺陷并進行處理。變壓器呼吸器在線監(jiān)測系統(tǒng)基本構(gòu)成，如圖8所示。

圖7 火災(zāi)報警及消防子系統(tǒng)Fig.7 Fire alarm and fire protection subsystem

圖8 變壓器呼吸器在線監(jiān)測系統(tǒng)基本構(gòu)成Fig.8 Basic composition diagram of online monitoring system for transformer respirator

設(shè)計思路是將速度傳感器采樣的空氣流量模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并存儲到單片機系統(tǒng)中，由單片機即系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行管理；同時預(yù)留出與PC機進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?，將測得的數(shù)據(jù)反饋給工作人員，實現(xiàn)對呼吸器的在線監(jiān)測。

確定流經(jīng)變壓器呼吸器的氣體體積大小，根據(jù)變壓器油溫的情況，確定變壓器內(nèi)油的體積變化，得到油位上升下降的幅度，從而判斷油枕是否出現(xiàn)因金屬膨脹器導(dǎo)致的卡滯。為了保證流經(jīng)呼吸器空氣微弱流量的正確監(jiān)測，可以在呼吸器和防爆管中設(shè)置光電速度傳感器探針，對空氣流量進行數(shù)據(jù)采集。然后，在無強電磁干擾條件下，對設(shè)備的數(shù)據(jù)采集精度進行測試，通過比較后得到數(shù)據(jù)采集誤差在允許范圍內(nèi)；最后對系統(tǒng)進行效果檢查，將空氣流量的速度設(shè)為、時間設(shè)為、面積設(shè)為，則空氣流量水平距離為；空氣體積為面積×，表示空氣流量水平距離。對變電站進行變壓器呼吸器在線監(jiān)測子系統(tǒng)試驗，結(jié)果如表1所示。

表1 變壓器呼吸器在線監(jiān)測子系統(tǒng)試驗結(jié)果Tab.1 Test results of online monitoring subsystem of transformer respirator

SF6泄露監(jiān)測

SF6氣體無色無味，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在變電站中，SF6主要功能是對高壓開關(guān)、設(shè)備進行絕緣操作；但在放電情況下，SF6會釋放有毒物質(zhì)。隨著智能變電站的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，電氣設(shè)備SF6氣體的含量監(jiān)測越來越受重視。SF6泄露監(jiān)測子系統(tǒng)的工作原理就是利用SF6對空氣中的氣體含量進行監(jiān)測，將測得的SF6數(shù)值與氧氣進行比較，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)值沒有在此范圍內(nèi)，會發(fā)出SF6監(jiān)測異常警報，并開啟排放系統(tǒng)。為了保證工作人員的安全，當(dāng)工作人員進入到設(shè)備內(nèi)后，SF6泄露監(jiān)測系統(tǒng)就會根據(jù)情況進行自動排風(fēng)；滿足了電力配網(wǎng)自動化的需要，提高了系統(tǒng)運行的安全性。

溫度在線監(jiān)測

在變電站中，溫度是一個非常重要的參數(shù)，是判斷設(shè)備運行是否安全的一個重要指標(biāo)。當(dāng)變電站在運行過程中，會受到設(shè)備制造工藝、自然環(huán)境的影響，設(shè)備的接觸電阻增大，會導(dǎo)致溫度升高。當(dāng)溫度上升到不可控的范圍內(nèi)時，設(shè)備的機械強度會下降，造成電氣設(shè)備的短路，對電網(wǎng)的安全運行是一個很大的隱患。溫度傳感器采用雙金屬片型光纖溫度傳感器，對傳感器的數(shù)據(jù)進行傳輸，內(nèi)嵌監(jiān)測儀，對數(shù)據(jù)進行控制。采用MAX45接口，保證信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。采用無線溫度傳感器，利用物聯(lián)網(wǎng)射頻識別技術(shù)，在線監(jiān)測溫度，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_控制主機中。其工作原理是當(dāng)溫度與其采集設(shè)備周圍的溫度超出范圍數(shù)據(jù)時，需要通過監(jiān)測儀將采集的結(jié)果傳輸?shù)娇刂浦鳈C中，后臺控制主機將反饋的溫度數(shù)據(jù)進行反饋。溫度在線IDE通過分析設(shè)備溫度與環(huán)境溫度的差值，啟動相應(yīng)的命令，讓維修人員對設(shè)備情況進行處理。

4 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各種供電和用電設(shè)備集成在一起，在智能電網(wǎng)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用和推廣。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到智能變電站的電力設(shè)備監(jiān)測中，對于保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有重要意義，對于提高變電站自動化水平具有實用價值。