淺析變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:針對當(dāng)前變電站監(jiān)控系統(tǒng)尚不完善各部功能復(fù)用、難以交互且基本運(yùn)維仍需人工干預(yù)等問題設(shè)計(jì)了一種變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)由終端控制單元、傳輸網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心集成終端控制單元負(fù)責(zé)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、儀表示數(shù)讀取、中央指令收發(fā)解析及數(shù)據(jù)上傳各變電站通過VPN與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心相連遠(yuǎn)程監(jiān)控中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、數(shù)據(jù)庫存儲、系統(tǒng)前端界面服務(wù)等經(jīng)試驗(yàn)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對變電站的溫濕度監(jiān)測、煙霧警報(bào)、風(fēng)冷散熱控制、燈光控制、給排水控制及機(jī)電儀表監(jiān)測達(dá)到了預(yù)期效果有效提高了智能變電站的運(yùn)維管理保證其安全平穩(wěn)有效運(yùn)行實(shí)現(xiàn)無人值守。

關(guān)鍵詞:變電站；智能監(jiān)控系統(tǒng)；儀表示數(shù)讀?。籚PN；無人值守

0引言

變電站是發(fā)電、輸電及配電系統(tǒng)的重要組成部分其主要功用為執(zhí)行所在區(qū)域的配變電工作是保證電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)變電站往往地處偏遠(yuǎn)且分布較為分散隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大與變電站數(shù)目的日益增多僅依靠人工值守遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足變電站的運(yùn)維管理需求由此選用數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行遙距管控至關(guān)重要目前變電站多已實(shí)現(xiàn)對變壓器、斷路器等核心設(shè)備的監(jiān)控但監(jiān)控系統(tǒng)對變電站內(nèi)溫濕度、照明等環(huán)境參數(shù)及各機(jī)電設(shè)備指針參數(shù)的監(jiān)控明顯不足且基本的運(yùn)行維護(hù)仍需人工干預(yù)此外變電站現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)各部相對獨(dú)立難以交互功能復(fù)用、服務(wù)器資源浪費(fèi)等問題層出不窮。

為解決上述問題該文提出了一種變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對變電站運(yùn)行環(huán)境及各設(shè)備指針儀表數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控有效提高智能變電站的運(yùn)維管理保證其安全平穩(wěn)有效運(yùn)行實(shí)現(xiàn)無人值守。

1系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)由終端控制單元、傳輸網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心3部分組成終端控制單元集成傳感器、執(zhí)行設(shè)備等各輔助終端設(shè)備可實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、儀表示數(shù)讀取、中央指令收發(fā)解析、數(shù)據(jù)上傳等功能作為站端個(gè)體的各變電站通過ＶＰＮ與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心相連以保證系統(tǒng)整體處于虛擬局域網(wǎng)內(nèi)可有效避免外部入侵遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、數(shù)據(jù)庫存儲、系統(tǒng)前端界面服務(wù)等功能系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示

2硬件設(shè)計(jì)

2.1終端控制單元

終端控制單元由主控模塊、指令模塊、通信模塊3部分組成主控模塊是終端控制單元的核心負(fù)責(zé)將來自終端設(shè)備的環(huán)境、儀表等各參數(shù)數(shù)據(jù)信息處理為系統(tǒng)可識別的物理量值并傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心同時(shí)將監(jiān)控中心的示警信息反饋至各設(shè)備及執(zhí)行單元從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互指令模塊負(fù)責(zé)解析來自主控模塊的控制指令并將指令程序發(fā)送至各電力設(shè)備通信模塊即系統(tǒng)底層各部基礎(chǔ)通信配置。終端控制單元原理框圖如圖2所示

圖2終端控制單元原理框圖

其中終端控制單元以S3C6410芯片作為處理器核心其主頻*高可達(dá)667Hz*高可支持512M內(nèi)存?zhèn)鞲衅鬟x用FT-WQX7型七參數(shù)一體環(huán)境監(jiān)測傳感器高度集成氣象標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度、相對濕度、大氣壓力、風(fēng)向、風(fēng)速、光強(qiáng)、降雨量等環(huán)境要素的連續(xù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測且測量精度高、性能穩(wěn)定可靠此外儀表監(jiān)控依托變電站巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)機(jī)器人攜帶攝像機(jī)獲取待識別的儀表圖片而后通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析遠(yuǎn)程監(jiān)控中心即可獲悉變電站各設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

2.2傳輸網(wǎng)絡(luò)

變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)存在多處節(jié)點(diǎn)均需交互通信如傳感器節(jié)點(diǎn)與終端控制單元、終端控制單元與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心等故該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用多種通信方式。

2.2.1傳感器節(jié)點(diǎn)與終端控制單元

為減少布線、降低系統(tǒng)部署難度該系統(tǒng)各傳感器節(jié)點(diǎn)與終端控制單元間的通信基于ＺｉｇＢｅｅ實(shí)現(xiàn)ＺｉｇＢｅｅ基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)可同時(shí)組網(wǎng)254個(gè)節(jié)點(diǎn)具有高可靠性滿足變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)需求。

2.2.2儀表監(jiān)控系統(tǒng)與終端控制單元

當(dāng)前變電站巡檢機(jī)器人多通過WIFI無線網(wǎng)橋傳輸數(shù)據(jù)信息但此種通信方式網(wǎng)絡(luò)安全系數(shù)較低故該系統(tǒng)加裝加密通信模塊采用支持WAPI無線標(biāo)準(zhǔn)的無線專網(wǎng)通信模組實(shí)現(xiàn)儀表監(jiān)控系統(tǒng)與終端控制單元的平穩(wěn)通信可有效避免外部入侵。

2.2.3終端控制單元與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心

終端控制單元與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心基于TCP/IP協(xié)議通信由于接收數(shù)據(jù)量過于龐大考慮數(shù)據(jù)傳輸及指令下達(dá)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通信方式實(shí)現(xiàn)終端控制單元與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的信息交互。

對于以太網(wǎng)接口存在兩種接口形式即標(biāo)準(zhǔn)R45接口和SPF光纖接口因系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)長距傳輸且在變電站中存在強(qiáng)電磁干擾故采用光纖通信線纜進(jìn)行傳輸可很大程度減輕電磁干擾的影響保證傳輸信號的穩(wěn)定。

2.2.4其他通信

由于系統(tǒng)需依據(jù)變電站實(shí)際場景需求增設(shè)相應(yīng)監(jiān)控終端及傳感器為保證系統(tǒng)具有較高的兼容性、擴(kuò)展性在設(shè)計(jì)上選擇預(yù)留不同的總線及通信接口如CAN總線接口、RJ45接口、RS232接口等。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1終端控制單元程序設(shè)計(jì)

終端控制單元是遠(yuǎn)程監(jiān)控中心與變電站各設(shè)備間實(shí)現(xiàn)交互的核心環(huán)節(jié)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、儀表數(shù)據(jù)獲取上傳、中央指令收發(fā)解析等均通過終端控制單元實(shí)現(xiàn)其終端控制單元業(yè)務(wù)處理程序流程圖如圖３所示

圖3終端控制單元業(yè)務(wù)處理程序流程圖

3.2系統(tǒng)主機(jī)軟件

變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)由溫度監(jiān)測子系統(tǒng)、濕度監(jiān)測子系統(tǒng)、煙霧警報(bào)子系統(tǒng)、風(fēng)冷散熱控制子系統(tǒng)、燈光控制子系統(tǒng)、給排水控制子系統(tǒng)、機(jī)電儀表監(jiān)測子系統(tǒng)集成子系統(tǒng)示意圖如圖4所示

系統(tǒng)主機(jī)軟件使用Ｃ＃ＷｉｎＦｏｒｍ開發(fā)采用并行任務(wù)處理模式如圖５(ａ)所示(以溫度監(jiān)測子系統(tǒng)為例)系統(tǒng)電機(jī)監(jiān)測界面包括主界面、波形顯示界面、設(shè)置界面及歷史數(shù)據(jù)界面主界面中主要為串口選擇、8路溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、某時(shí)間段內(nèi)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)查詢及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)異常監(jiān)測波形顯示界面用于顯示電機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)曲線設(shè)置界面如圖5(ｂ)所示除設(shè)置溫度上限報(bào)警閾值外還可對所采集溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性補(bǔ)償。

圖5變電站溫度監(jiān)控子系統(tǒng)界面

3.3指針儀表自識別

變電站電機(jī)指針儀表的監(jiān)測與示數(shù)識別流程如圖6所示其中核心環(huán)節(jié)為目標(biāo)檢測與目標(biāo)識別。

3.3.1目標(biāo)檢測

對于目標(biāo)位置檢測為提高定位的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性*大程度減輕距離、曲率角度、位姿等差異對清晰儀表圖像獲取的影響系統(tǒng)采用基于SSD網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)檢測算法實(shí)現(xiàn)定位其損失函數(shù)為位置誤差與類別置信度誤差的加權(quán)和如式(１)所示:

式中:ｃ為類別置信度預(yù)測值且ｃ∈[０，１]ｌ為先驗(yàn)框?qū)?yīng)邊界框位置的預(yù)測值ｇ為待識別真實(shí)目標(biāo)框Ｎ為先驗(yàn)框正樣本數(shù)α為權(quán)重系數(shù)默認(rèn)其值為１。

3.3.2目標(biāo)識別

由于變電站大量儀表處于室外環(huán)境為校正不均勻光照的影響系統(tǒng)采用基于二維Gamma函數(shù)的校正算法利用提取出的光照分量依據(jù)其分布特性自適應(yīng)校正不均勻光照校正流程如圖７所示

圖７不均勻光照校正流程

對于儀表示數(shù)識別系統(tǒng)采用改進(jìn)的基于MS-ER提取指針區(qū)域算法通過*大穩(wěn)定極值的兩次穩(wěn)定區(qū)域檢測提取指針區(qū)域而后以指針通過儀表軸心為條件結(jié)合Zhang細(xì)化算法及累計(jì)概率霍夫變換(PPHT)精準(zhǔn)定位指針*后構(gòu)建儀表讀數(shù)坐標(biāo)系以獲取儀表示數(shù)。

4系統(tǒng)測試

該智能監(jiān)控系統(tǒng)在變電站進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際測試系統(tǒng)效果良好。

4.1指針儀表識別測試

共選取100張儀表圖片進(jìn)行示數(shù)識別測試表１所示為部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比目視結(jié)果與系統(tǒng)識別結(jié)果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:系統(tǒng)識別結(jié)果準(zhǔn)確率可達(dá)98％系統(tǒng)指針儀表識別性能良好可在技術(shù)上為機(jī)電儀表監(jiān)測子系統(tǒng)提供有力支撐。

表１指針儀表識別測試結(jié)果

注:誤差 ＝ 目視結(jié)果 － 系統(tǒng)識別結(jié)果

相對誤差率 ＝ 相對誤差 ( 目視結(jié)果 ) × 100%

4.2系統(tǒng)整體測試

系統(tǒng)整體測試結(jié)果如表２所示

由現(xiàn)場測試結(jié)果可知系統(tǒng)各裝置測試效果良好成功率高實(shí)現(xiàn)了對變電站運(yùn)行環(huán)境及各設(shè)備指針儀表數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控保證其安全平穩(wěn)有效運(yùn)行。

5安科瑞電力監(jiān)控解決方案

5.1概述

針對用戶變電站（一般為35kV及以下電壓等級），通過微機(jī)保護(hù)裝置、開關(guān)柜綜合測控裝置、電氣接點(diǎn)無線測溫產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、配電室環(huán)境監(jiān)控設(shè)備、弧光保護(hù)裝置等設(shè)備組成綜合自動化的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了變電、配電、用電的安全運(yùn)行和全面管理。監(jiān)控范圍包括用戶變電站、開閉所、變電所及配電室等。

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)是安科瑞電氣股份有限公司根據(jù)電力系統(tǒng)自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發(fā)出的一套分層分布式變電站監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是應(yīng)用電力自動化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，集保護(hù)、監(jiān)測、控制、通信等功能于一體的開放式、網(wǎng)絡(luò)化、單元化、組態(tài)化的系統(tǒng)，適用于35kV及以下電壓等級的城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)變電站和用戶變電站，可實(shí)現(xiàn)對變電站的控制和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為變電站安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

5.2應(yīng)用場所

適用于軌道交通，工業(yè)，建筑，學(xué)校，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)。

5.3系統(tǒng)架構(gòu)

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式設(shè)計(jì)，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場設(shè)備層，組網(wǎng)方式可為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、光纖星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)用戶用電規(guī)模、用電設(shè)備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。

5.4系統(tǒng)功能

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測：直觀顯示配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測各回路電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路有關(guān)故障、告警等信號。

（2）電參量查詢：在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細(xì)電參量。

（3）曲線查詢：可以直接查看各電參量曲線。

（4）運(yùn)行報(bào)表：查詢各回路或設(shè)備時(shí)間的運(yùn)行參數(shù)。

（5）實(shí)時(shí)告警：具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈愤b信變位，保護(hù)動作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。

（6）歷史事件查詢：對事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

（7）電能統(tǒng)計(jì)報(bào)表：系統(tǒng)具備定時(shí)抄表匯總統(tǒng)計(jì)功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運(yùn)行以來任意時(shí)間段內(nèi)各配電節(jié)點(diǎn)的用電情況。

（8）用戶權(quán)限管理：設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限。

（9）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D：支持實(shí)時(shí)監(jiān)視并診斷各設(shè)備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

（10）電能質(zhì)量監(jiān)測：可以對整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測。

（11）遙控功能：可以對整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作。

（12）故障錄波：可在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，自動準(zhǔn)確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況。

（13）事故追憶：可自動記錄事故時(shí)刻前后一段時(shí)間的所有實(shí)時(shí)穩(wěn)態(tài)信息。

（14）Web訪問：展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)量等概況信息，設(shè)備通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。

（15）APP訪問：設(shè)備數(shù)據(jù)頁面顯示各設(shè)備的電參量數(shù)據(jù)以及曲線。

5.5系統(tǒng)硬件配置

6結(jié)束語

該文提出了一種變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對變電站運(yùn)行環(huán)境及各機(jī)電設(shè)備指針儀表數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控有效提高了智能變電站的運(yùn)維管理保證其安全平穩(wěn)有效運(yùn)行有效解決了當(dāng)前變電站監(jiān)控系統(tǒng)尚不完善各部功能復(fù)用、難以交互且基本運(yùn)維仍需人工干預(yù)等問題實(shí)現(xiàn)了無人值守。

參考文獻(xiàn)

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［4］安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)應(yīng)用手冊.2022.05版.

作者簡介

任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄苷彰骺刂葡到y(tǒng)領(lǐng)域。