陳偉

（荊州供電公司 變電運維分公司，湖北 荊州 434200）

0 引言

無人值守變電站的研究和建設在我國起步較早，20 世紀50 年代，一些供電局開始試點工作。無人值守變電站的實現(xiàn)涉及接點式遙信和頻率式遙測遠動技術(shù)的研發(fā)，該技術(shù)于1958年得到廣泛應用，多數(shù)供電局的35～110 kV 電壓等級變電站基本實現(xiàn)了無人值守。然而，由于技術(shù)不夠成熟、經(jīng)濟條件不具備等原因，大多數(shù)變電站已停止采用無人值守的工作模式。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，通信和控制技術(shù)進步迅速，我國開始深入研究電網(wǎng)無人值守變電站集控中心，并在該領域的產(chǎn)品研發(fā)方面取得顯著的成果。此外，還成功研發(fā)了以微機為核心的自動監(jiān)控技術(shù)，為變電站實現(xiàn)無人值守提供了堅實的技術(shù)基礎。目前，電網(wǎng)無人值守變電站逐步向智能化方向發(fā)展，電力企業(yè)利用集控中心的自動監(jiān)控功能實時監(jiān)測與控制無人值守變電站的運行狀態(tài)，保證無人值守變電站的正常運行［1］。隨著無人值守變電站集控中心的應用日益廣泛，完善集控中心自動監(jiān)控功能已成為重要的研究方向。通過現(xiàn)有的電力通信網(wǎng)絡，集控中心可對所屬變電站實現(xiàn)遠程實時自動監(jiān)控，接收和處理遠程故障和意外情況的告警。馮俊宗等［2］提出基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的無人值守變電站監(jiān)控方法，通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)與BP（Buck Propagation，反向傳播）神經(jīng)網(wǎng)絡算法，采集變電站的數(shù)據(jù)信息，對多種特征參量進行數(shù)據(jù)融合，通過模糊推理將特征層輸出的多種信息進行數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)火災預警及安全監(jiān)測。但該方法對變電站故障發(fā)出預警后，變電站回歸穩(wěn)態(tài)速度較慢，影響實際運行效果。姜輝等［3］開發(fā)了變電站無人智能巡檢機器人系統(tǒng)，融合人工智能、大數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控和故障診斷技術(shù)，監(jiān)測和管控變電站的運行過程，方便無人值守變電站的管理。然而，該方法的異常狀態(tài)錯誤報警次數(shù)較多，虛警率較高，影響變電站的安全運行。本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電網(wǎng)無人值守變電站集控中心自動監(jiān)控方法，解決了變電站現(xiàn)存的回歸穩(wěn)態(tài)速度較慢、異常狀態(tài)錯誤報警次數(shù)較多等問題。

1 自動監(jiān)控設計方案

1.1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集控中心數(shù)據(jù)無線通信

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)集控中心對電網(wǎng)無人值守變電站狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集與傳輸，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的原理是利用信息傳感設備，按照規(guī)定的網(wǎng)絡協(xié)議，將物體與網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)信息的傳輸與交換。圖1 為基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集控中心數(shù)據(jù)無線通信示意圖。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集控中心數(shù)據(jù)無線通信

如圖1所示，利用電網(wǎng)專用網(wǎng)絡連接集控中心與無人值守變電站，將無線傳感設備采集到的無人值守變電站運行狀態(tài)信息傳輸、反饋到集控中心。考慮到變電站運行對煙霧、溫度和濕度的要求較高，因此在集控中心傳感單元中布設了煙霧傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器，用于采集無人值守變電站的煙霧、溫度和濕度信息。搭建的物聯(lián)網(wǎng)主要包括傳感節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)節(jié)點，傳感節(jié)點用于變電站狀態(tài)信息的采集，路由節(jié)點具備路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，協(xié)調(diào)節(jié)點用于實現(xiàn)節(jié)點組網(wǎng)控制和信息轉(zhuǎn)發(fā)，通過多跳自組網(wǎng)形式實現(xiàn)現(xiàn)場信息的采集和傳輸。

利用MCU（微控制單元）的IOB7、IOB10 接口，將其設置為UART網(wǎng)絡協(xié)議，為集控中心數(shù)據(jù)無線通信創(chuàng)造良好的硬件環(huán)境。UART 網(wǎng)絡協(xié)議具有1 500～51 200比特（51.2 kbps）的波特率范圍，其通信速度能達到實時監(jiān)控的要求。為達到多機通信的目的，各傳感節(jié)點均有各自的IP 位址，由MCU 讀出7 個IO 二進制碼，獲取傳感節(jié)點的IPD 地址，集控中心各個工作站通過對各傳感節(jié)點進行輪詢，達成各子站間的多機通信。信息采集后由路由節(jié)點與協(xié)調(diào)節(jié)點將信息轉(zhuǎn)發(fā)到集控中心的信息工作站，信息工作站的配置見表1。在信息工作站對信息進行實時處理，采用H.264 標準壓縮傳感信息，將壓縮后的無人值守變電站狀態(tài)信息存儲到數(shù)據(jù)庫，用于后續(xù)變電站的狀態(tài)分析和決策控制。

表1 信息工作站配置表

1.2 無人值守變電站狀態(tài)監(jiān)測

對通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集到的變電站信息進行數(shù)據(jù)融合，提取無人值守變電站狀態(tài)特征，用以識別變電站異常狀態(tài)［4］?？紤]到基于物聯(lián)網(wǎng)的無人值守變電站數(shù)據(jù)的傳輸與采集是多種類型傳感器輸出的特征參量，參量量綱、大小及范圍均存在不同程度的差異［5］，為保證無人值守變電站狀態(tài)異常監(jiān)測的精度，對無線傳感器輸出的特征參量進行歸一化處理，其公式表示為

其中：ai表示歸一化處理后的傳感器輸出的特征參量；bi表示原始傳感器輸出的特征參量；K表示歸一化系數(shù)，該系數(shù)取值范圍通常為0.15～0.35；Bmax表示無人值守變電站狀態(tài)參量的最大值；Bmin表示無人值守變電站狀態(tài)參量的最小值［6］。

由于變電站故障發(fā)生的過程復雜多變，對于其異常狀態(tài)的識別與監(jiān)測難以用精確的數(shù)學模型表達，因此采用學習能力較強的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡，將歸一化后的無人值守變電站狀態(tài)參量作為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡輸入量，通過比較歷史異常狀態(tài)學習樣本與監(jiān)控現(xiàn)場變電站數(shù)據(jù)信息，確定無人值守變電站的異常概率［7］。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡由輸入/輸出層和隱含層組成，將溫度、濕度和煙霧信息輸入到輸入層，輸入層將每一個狀態(tài)向量生成相應的神經(jīng)元，并將其發(fā)送到隱含層，利用激活函數(shù)對神經(jīng)元上狀態(tài)向量進行非線性映射，隱含層節(jié)點數(shù)量的選取非常重要，其計算公式為

其中：m表示BP 神經(jīng)網(wǎng)絡隱含層節(jié)點數(shù)量；n表示輸入層節(jié)點數(shù)量；αai表示神經(jīng)元數(shù)量［8］。非線性映射用公式表示為

其中：Om表示輸入層與隱含層節(jié)點之間的映射關系；f表示激活函數(shù)；wm表示隱含層中神經(jīng)元對應的權(quán)向量［9］。通過非線性映射提取到變電站狀態(tài)特征，將其輸入到輸出層，在輸出層將狀態(tài)特征與閾值比對，計算出無人值守變電站的異常概率［10］。

考慮到無人值守變電站的狀態(tài)參量是隨著晝夜和季節(jié)不斷變化的，如果采用固定的閾值會出現(xiàn)錯檢、誤檢現(xiàn)象，因此在BP 神經(jīng)網(wǎng)絡輸出層中閾值的更新非常重要，采用變化閾值算法計算輸出層閾值，其公式為

其中：E表示變電站異常識別閾值；C表示某一時段內(nèi)無人值守變電站狀態(tài)參量的平均值；Cty表示標準環(huán)境下無人值守變電站狀態(tài)參量的標準差［11］。對比更新得到的閾值與隱含層輸出特征向量，計算出變電站異常概率，其公式為

其中：?表示無人值守變電站異常概率；g表示單位階躍函數(shù)；E表示無人值守變電站狀態(tài)補償修正量；k表示無人值守變電站狀態(tài)參量的基準門限值。當變電站異常概率大于0時，監(jiān)測結(jié)果為無人值守變電站狀態(tài)異常，否則為狀態(tài)正常。

1.3 報警聯(lián)動及應急控制

集控中心監(jiān)測到變電站狀態(tài)異常時進行報警聯(lián)動，確定預警等級。根據(jù)需求，共設計一級、二級、三級3 個預警等級，當異常概率值未超過30%時，集控中心聯(lián)動報警等級為一級；當異常概率超過30%但未超過60%時，集控中心聯(lián)動報警等級為二級；當異常概率超過60%時，集控中心聯(lián)動報警等級為三級。一級報警說明無人值守變電站異常程度較低，7 d 內(nèi)完成維修即可；二級報警說明無人值守變電站異常程度較高，危害性較大，集控中心發(fā)出應急控制決策輸出為24 h 內(nèi)完成對異常區(qū)域維修；三級報警說明無人值守變電站異常程度非常高，危害性非常大，集控中心發(fā)出應急控制決策輸出為立即維修異常區(qū)域，控制器控制異常區(qū)域的隔斷開關開啟，切割異常區(qū)域，將該區(qū)域的異常對無人值守變電站的影響降到最低。通過以上報警聯(lián)動和應急控制，即完成了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電網(wǎng)無人值守變電站集控中心的自動監(jiān)控。

2 試驗論證

2.1 試驗設計

試驗對象選擇某電網(wǎng)無人值守變電站，該變電站包括1 個集中站主機和4 個變電站主機，集控中心包括1 個主站和4 個副站，由1 臺存儲服務器、2 臺應用服務器組成。根據(jù)該無人值守變電站的實際情況，在現(xiàn)場安裝煙霧傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器各3臺，利用物聯(lián)網(wǎng)采集到的無人值守變電站環(huán)境數(shù)據(jù)共1.62 GB，將其作為實驗數(shù)據(jù)樣本。統(tǒng)計10：30-19：30 時刻集控中心對無人值守變電站自動監(jiān)控的結(jié)果（見表2）。

表2 無人值守變電站集控中心監(jiān)控結(jié)果

2.2 實驗結(jié)果與結(jié)論

選擇當前主流的監(jiān)控方法作為比較組，分別為基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的無人值守變電站監(jiān)控方法（方法1）和基于智能巡檢機器人的無人值守變電站監(jiān)控方法（方法2）。實驗隨機抽選1 000個樣本，統(tǒng)計集控中心自動監(jiān)控中錯誤報警的數(shù)量（見表3）。

表3 無人值守變電站集控中心錯誤報警數(shù)量 （單位：個）

錯誤報警數(shù)量可以反映出集控中心自動監(jiān)控的異常報警性能，從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，對于1 000個樣本的異常報警，本文方法的錯誤報警數(shù)量僅為8個，方法1 的錯誤報警數(shù)量最多，其次為方法2。由此看出，本文方法的異常報警性能最佳。

在電力系統(tǒng)中，變電站電壓回歸穩(wěn)態(tài)的速度是一個重要的指標?？焖倩貧w穩(wěn)態(tài)電壓可以保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，減少設備損壞和停電范圍。隨機抽取1個異常樣本，監(jiān)控集控中心自動監(jiān)控下無人值守變電站的運行輸出電壓，變電站輸出電壓越穩(wěn)定，則變電站運行狀態(tài)越穩(wěn)定，無人值守變電站集控中心監(jiān)控效果如圖2所示。

圖2 無人值守變電站集控中心監(jiān)控效果圖

從圖2可以看出，應用本文方法的無人值守變電站在8.56 s 時出現(xiàn)異常，經(jīng)集控中心自動監(jiān)控，變電站電壓在9.47 s 時回歸穩(wěn)態(tài)，而方法1 是在31.52 s 時變電站電壓回歸穩(wěn)態(tài)，方法2 是在19.68 s 時變電站電壓回歸穩(wěn)態(tài)。從管控效率方面看，本文方法表現(xiàn)最佳。

通過以上實驗對比與分析可以得出以下結(jié)論。

（1）本文方法具有良好的自動監(jiān)控性能，可以精準監(jiān)測到無人值守變電站的異常狀態(tài)，同時在管控下可使無人值守變電站快速回歸穩(wěn)態(tài)電壓，說明本文方法具有較好的可行性與可靠性。

（2）本文采取的物聯(lián)網(wǎng)自動監(jiān)控技術(shù)在數(shù)據(jù)采集方面具有一定的優(yōu)勢，應用該技術(shù)可有效提高無人值守變電站運行數(shù)據(jù)采集速度，保證集控中心自動監(jiān)控效率。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電網(wǎng)無人值守變電站集控中心自動監(jiān)控方面具有良好的應用前景。

3 結(jié)語

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，電網(wǎng)無人值守變電站集控中心自動監(jiān)控方法具備了強大的潛力，不僅提高了電力系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，還極大地節(jié)省了人力資源。通過實時的數(shù)據(jù)收集和監(jiān)控，該方法能夠及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問題，從而避免可能發(fā)生的電力中斷或設備損壞事件，確保電力供應的穩(wěn)定性和可靠性。盡管該方法在技術(shù)實現(xiàn)上已經(jīng)取得顯著的進步，但仍有許多需要進一步研究和改進之處，例如如何更有效地利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行更精準的數(shù)據(jù)分析和預測，如何設計出更智能、更具有自適應性的自動化監(jiān)控系統(tǒng)，解決這些問題可以更好地應對各種復雜的電力環(huán)境變化。