物联网技术在智能变电站中的应用

2011-06-06王哲孙纯军

电力建设 2011年10期

王哲，孙纯军

(1.江苏省电力科学研究院，南京市，210103;2.江苏省电力设计院，南京市，210103)

0 引言

物联网一般是指“物物相连的互联网”，是机器与机器的对话，通过射频信号自动识别物体并获取数据信息，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络［1］，为新一代信息通信技术。物联网技术的发展引起了广泛关注，物联网及其产业发展已被纳入国家战略，国家科技部、工业与信息化部等部委先后在多项国家重大科技专项中设立课题支持物联网技术研究及产业化［2］。

近年来，随着坚强智能电网概念的提出，许多与智能电网相融合的新技术也不断被提出，智能电网与物联网的融合作为一种具有极高战略意义的新型产业技术，被世界各国高度重视。物联网技术在智能电网中的应用是网络技术发展到一定程度的必然产物，能有效地对电力系统设施资源进行整合，提高设施的利用率，进而促进电力系统管理水平的提高［3］。

1 物联网技术在智能变电站应用前景分析

智能变电站是坚强智能电网的重要基础和支撑，具有信息化、自动化、互动化的特征，由先进、可靠、节能、环保、集成的设备组合而成，以高速网络通信平台传输信息，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级应用功能［4］。

目前，智能变电站的建设大多关注智能开关、数字式保护监控合一装置、设备在线监测以及后台功能的高级应用等方面［5］，对于变电站配置的辅助系统关注度还不是很高。目前变电站配置的图像监视及安全警卫［6］、火灾报警［7］、主变消防、给排水、采暖通风［8］等辅助生产系统，依然是各自独立的、不具备智能对话功能的小型自动化装置，需要更多的人工来关注、理解和处理这些设备的信息。变电站的辅助系统配置功能及不足如表1所示。

伴随着对智能变电站理解的不断深入，新的智能化功能要求将不断提出。从智能管理角度来看［9］，搭建一个公用的监测辅助控制平台，集成所有的辅助系统功能，方便新的智能化功能扩充，有利于设备管理;规范各类辅助系统的信息传输方式及通信规约，有利于统一化管理;通过集成辅助系统的信息，有利于远方人员对站内状况全盘掌控，提高监管质量。

物联网技术实现了人类社会与物理系统的整合，实现了对设备的实时管理和控制。利用物联网技术，通过对外界的感知，构建传感网监测网络，对影响变电站运行的因素实施全方位智能监测。在传感网监测平台基础上建立一套全站公用的智能监测与辅助控制系统，集成目前图像监视、安全警卫、火灾报警、主变消防、采暖通风等辅助系统的系统功能，实现对站内人员的巡检、操作运行维护等正确行为的验证，从而达到“智能监测、智能判断、智能管理、智能验证”的要求，实现变电站智能运行管理。

表1 变电站的辅助系统配置功能和不足Tab.1 The main function and its shortcoming of the substation's auxiliary system

智能监测是指对影响变电站运行的因素采用全方位、多手段的实时监测，自动评估变电站运行状态，减少人为工作量，是变电站实现自动化管理的前提。

智能判断是指在减少远方人员参与的前提下，根据监测的数据评估变电站的运行状态，自动判出各类异常情况，生成处理方案，形成判断结果。

智能管理是指执行判断结果，实现辅助系统间的协调联动，消除异常情况造成的影响，形成异常情况处理过程报告，及时将结果上报远方集控中心，监测辅助系统的运行状态，执行远方集控中心的各项命令。

智能验证是验证站内人员的巡检、操作运行维护等行为的正确性，与站内人员行为实现互动，保证人员安全，避免事故发生。

2 变电站智能监测与辅助控制系统组成及功能

江苏目前正在建设的某220 kV智能变电站，其智能监测与辅助控制系统主要由远方集控站管理主机、站内控制主机及智能传感器网组成的变电站各辅助生产子系统3部分组成，如图1所示。辅助生产子系统集成了目前变电站应用的各类辅助系统，包括视频监控子系统、防入侵子系统、火灾报警及消防子系统、采暖通风子系统、给排水子系统、GIS室SF6泄漏在线监测子系统、智能巡视维护认证子系统、高压设备运行温度在线监测子系统及主变红外热成像诊断子系统。

变电站智能监测与辅助控制系统主要完成以下功能:

(1)站内辅助生产设备状态及运行环境全景信息收集与建模。通过对不同数据类型和来源的数据进行统一建模、标准访问和数据服务，为辅助生产设备及运行环境提供完备的全景信息库。

(2)智能化协调感知。对影响变电站运行的因素进行全方位、多手段的实时联网监测，自动评估变电站运行状态。

(3)智能信息处理。根据监测的数据，自动评估变电站的运行状态，自动判出各类异常情况，生成处理方案，形成判断结果。

(4)执行判断结果，实现辅助系统间的协调联动，消除异常情况造成的影响。形成异常情况处理过程报告，及时将结果上报远方集控中心，执行远方集控站的各项命令。

图1 智能监测与辅助控制系统构架体系Fig.1 The architecture of the new auxiliary system

(5)智能验证站内人员的操作运行维护、检修等的物理操作位置与工作票要求的逻辑位置的符合正确性，与站内人员行为实现互动，保证操作人员的安全，避免事故发生。

(6)进行设备状态评价，为智能调度功能扩展提供设备状态参考依据。

3 系统设计方案

3.1 主机系统

接收传感网测控平台监测到的数据，评估变电站的运行状态，自动判出各类异常情况，执行判断结果，实现辅助系统间的协调联动，消除异常情况造成的影响;形成异常情况处理过程报告，及时将结果上报远方集控中心;监测辅助系统的运行状态，执行远方集控中心的各项命令，规范与监控系统的通信规约。具体联动方案如图2所示。

3.2 传感网监测网络

传感网监测网络包括传感器节点和汇聚节点。传感器节点包含了温湿度传感节点、烟雾传感节点、水浸传感节点等设备。各传感节点监测的数据经汇聚节点汇聚后上传至主机。组网方式可分为有线传感网络和无线传感网络，具体比较如表2所示。

若采用电池供电，电池寿命的长短主要取决于传感器的工作电流大小和电池容量(尺寸)的大小，而传感器工作电流的大小又取决于传感器的材料、工作原理和被测目标的变化率(特征频率)，各类传感器电池供电时间调查如表3所示。

根据变电站的实际情况，用在高压带电设备上的温度传感器采用无线传感器网络，采用一次锂亚电池供电，在装置的全寿命周期内无需更换电池。其他辅助设备的传感器由于没有绝缘问题且易于布线的采用有线网络，这可以降低成本便于维护。

表2 有线传感网络和无线传感网络比较表Tab.2 The Comparison of the wired-sensor network and wireless-sensor network

表3 传感器工作寿命、能耗、电池供电时间Tab.3 The working life，energy consumption，battery-powered time of the sensor

图2 联动方案示意图Fig.2 The sketch of linkage scheme

3.3 图像监视及安全警卫子系统

针对常规变电站安全监视系统配置的不足，组建多类型探测器节点协同感知的网络，实现全新的目标识别、多点融合和协同感知，具有以下特征:多种探测原理的前端探测手段协同综合工作、智能识别;对变电站围界进行全天时动态智能感知;探测分析、阻挡延缓、复核响应多手段融合，可依据具体情况按需按时布防和撤防。联动控制实现分系统的功能一部分由系统集成平台软件实现(报警联动、视频触发等)，另一部分由硬件I/O量控制器实现(照明、音频告警和物理布防撤防等)。通过基于图像模式识别的信号处理技术，智能视频处理系统可自动识别、跟踪进入视场范围内的入侵目标。

当入侵行为触发报警时，系统立即和智能视频分系统进行联动，相关摄像机自动凝视侵入目标，该视频图像自动弹出在监视器的最顶层，值班人员可迅速直观地看到现场的实际情况;与此同时，变电站控制主机会发送音频信号至现场的音频设备，向现场进行声音告警;值班人员亦可通过麦克风设备向现场通话告警，警告可疑人员。前端探测分系统示意图如图3所示。

图3 前端探测分系统示意图Fig 3 The sketch of the front detection system

3.4 火灾报警及消防子系统

火灾报警及消防子系统以物联网技术理念集成现有成熟产品，通过读取感烟感温传感器的信号，结合图像识别、环境温度等信息，实现对变电站火灾的智能检测、报警及主变充氮灭火的联动处理，如图4所示;实现对各种消防设备的状态检测与故障警报;实现火灾时与空调、风机的闭锁联动。

3.5 采暖通风子系统

图4 火灾报警及消防子系统与相关设备联动示意图Fig.4 The sketch of the linkage scheme between fire alarming subsystem and related equipments

采暖通风子系统通过无线温湿度传感器监测室内外的温湿度情况，经无线传感器网络传送至汇聚节点，再经有线网络上传站内控制主机;主机根据室内外的温湿度情况，自动控制通风系统和空调系统的切换运行;当发生火灾时与火灾报警子系统联动闭锁空调、风机，防止火灾蔓延;可远程查询温湿度检测节点工作状态，精确定位系统故障，远程控制空调运行。采暖通风子系统与相关设备联动如图5所示。

图5 采暖通风子系统与相关设备联动示意图Fig.5 The sketch of the linkage scheme between the heating ventilation subsystem and related equipments

3.6 给排水子系统

监测给排水设备的状态，测量用水量及排水量，检测污物、污水池水位及异常警报，检测水箱水位，控制给排水设备的启停。实现对积水情况的检测及智能处理，安装浸水检测节点，实现积水自动排放;启动摄像头联动，查看现场情况;远程查询浸水检测情况，确保系统安全可靠运行;远程控制水泵运行积水情况的准确检测;发出报警信号，提示值班人员采取相应措施。

3.7 SF6泄漏监测子系统

SF6传感器监测空气中SF6的浓度，氧气传感器监测氧气的浓度。多个SF6和氧气监测节点监测数据进行协同融合处理后，判断出SF6泄漏状况，并对风机控制器发出排风指令，启动声光报警;只要有人员进入操作室，红外监测节点感知信号，并对风机控制器发出排风指令;风机控制器同时接收监控中心通过物联网监控平台发出的排风指令。

3.8 智能巡检维护认证子系统

在巡视路径关键点设置高清摄像机(与图像监视子系统共享)，巡检人员身穿带可识别标志的巡视服装按设定路径进行巡视;系统通过智能视频识别技术，自动识别巡视人员是否经过了某个关键点，记录下巡检人员在经过关键点的时间与对应视频信息;根据预先设定的规则对本次巡检的质量情况进行判断，对质量欠佳的巡视进行提示。

在对站内设备进行检修或现场操作时，系统根据操作票自动生成逻辑操作保护区域和自动生成逻辑围栏。自动定位到图像传感器，获取物理围栏的图像数据，并自动判定物理围栏与逻辑围栏是否重合，对可能的围错间隔自动发出告警信息。自动判定检修操作人员是否在围栏安全区内，对在安全区外的活动自动生成告警信息和告警记录。

3.9 温度状态监测子系统

无线温度传感器采用结构胶安装方式，直接安装在高压输变电设备可能的发热处，如:动力电缆、电缆接头、刀闸触点、开关静触点、铜排连接点、电抗器、电容器外壳和设备安装环境内与场地，实现温度和温升的高可靠实时状态监测。温度信息经无线传感器网络上传至站内控制主机，主机通过比较设备与环境的相对温升、室内与室外大气的相对温升，分析可能的过热情况，提前发出预警信号，提醒管理人员进行处理。温度在线监测子系统如图6所示。