配电房智能监控系统的研究

2020-08-19陈素惠

通信电源技术 2020年10期

曹雷，陈素惠

（1.广州南方电力集团科技发展有限公司，广东广州 510000；2.广州市天汇通信科技有限公司，广东广州 510000）

0 引言

现代社会对电力的依存度越来越高，传统粗放、低效的能源管理方式已难以满足当前需求，迫切需要更高效、更合理的智能化运维方式来保障电力的可靠供应。

在传统的配电网管理中，配电房主要通过人工值班确保设备正常运行，成本高，安全可靠性差，实时性低，长期存在由于环境因素导致设备处于非正常工作状态、浸水、易爆气体超标、盗窃、高温引起设备绝缘损坏等问题。特别是在春季湿度较大的地区，配电房内电气设备内外温差较大，凝露严重，导致电气设备内部场强分布不均，易引起局部放电。特别是早期运行的半绝缘开关柜，受产品设计、潮湿环境、粉尘污染等因素影响，极易产生局部放电，严重时发生闪络击穿现象，严重影响供电可靠性和运行人员安全。

本文基于配电房现状进行调研分析，根据实际情况提出智能配电房的解决方案，利用现代最新的计算机技术、网络技术、图像技术、安防监控和防盗报警、智能环境综合监控技术，对配电房进行智能监控系统的开发设计，用数字化技术逐步代替人工巡检，完成对配电房的日常监控管理工作。

1 系统构成

配电房智能监控系统包括配电房环境监控平台、数据通信系统、智能化监测单元、智能化执行单元4个部分[1]。

1.1 配电房环境监控平台

终端将采集的数据初步处理后通过网络传送到监控平台，平台将设备状态信息在平台上具象化显示出来，便于管理人员直观、准确地获取相关信息，发现和排除隐患。

平台与终端设备通过拟定好的规约将数据进行分类，并实时上传。平台将上传的历史数据进行智能分组，通过大数据、边缘计算等手段对数据进行不同维度的分析，完成设备状态统计、故障分析、供电可靠性统计等，并生成图表供运维人员查询。当发现设备存在影响运行的严重故障时，平台会通过短消息、邮件等方式通知管理人员，以便采取相应的处置措施。

平台可以通过对设备使用情况进行阶段统计，完成对不同设备的使用、维护和保养建议，使运维管理人员有针对性地安排维护工作。当出现影响运行安全的紧急情况时，平台可下发远程控制命令完成区域断电、分合闸操作，防范事故的发生与蔓延。

1.2 数据通信系统

智能配电房监控系统包含有智能网关。物联网解决方案基于Zigbee（LoRa）、4G等无线通信技术，实时采集配电房内设备运行的相关参数等。

1.3 智能化监测单元

智能化监测单元包含各类数字、模拟量设备和特定功能的传感器，主要涉及两方面内容：

（1）用于配电房整体安全的视频摄像头、防盗报警装置和进出门禁系统；

（2）用于配电房内运行安全的温度传感器、湿度传感器、变压器测温传感器、开关柜局放检测传感器、水禁传感器、SF6/臭氧/氧气传感器等。

1.4 智能化执行单元

执行单元与配电房整体安全设备联动进行人员识别，保证只有经过系统认证的人员才能进出配电房开展相关维护工作。

智能除湿空调设备在监测到温湿度超标时，将配合智能百叶窗进行温湿度调节。

2 系统详细设计

2.1 总体目标

配电房智能监控系统应实现对配电房内部环境、电气设备运行状态的实时监测、上传和异常状态下的特定控制功能，保证配电房安全高效运行。系统应完成对各类监测数据的收集、传送、分析和存储功能，并具备数据处理能力，为后期决策提供数据支撑，为量化考核提供依据。

2.2 系统架构

配电房智能监控系统由应用层、云平台、通信层和终端单元组成。云平台通过通信网络获取终端设备数据，并将数据交由应用层进行分析处理[2]。

应用层完成视频监控、现场环境监控、设备运行统计、APP、远程控制、告警、远程控制、维修管理以及大屏展示等功能。

云平台设置接口、采集、数据、应用、流媒体以及移动等服务器节点，支撑系统运营。

通信层数据通过电力专网或公网加密传输，使云平台与终端单元建立可靠的数据链路，为系统数据分析提供支撑。

终端单元由各类监控设备、传感器和智能监控终端组成，实现环境量采集、安防监控、局放等状态量实时采集，并与室内空调、智能百叶窗、摄像头等智能执行设备联动控制，实现配电房远程无人智能化运维管理。

2.3 整体功能

配网运维管理平台结构如图1所示。

图1 配网运维管理平台结构图

2.3.1 环境状态量的监测

通过对室内环境（温度、湿度）、危险气体（SF6/臭氧/氧气）、危险状态（火灾、浸水、非法入侵）等环境状态量的采集和上报，以及空调机、风机等设备的控制管理，配合扩展设备实现预警联动，实现对配电房运行环境的实时在线监控和告警。通过完整的数据监控与分析，逐步实现电房智能巡检[3]。

2.3.2 电气设备工作状态的监测和预警

通过采集室内电气设备（变压器、开关柜、配电柜、配电终端等）的温度、局放数据，结合预警系统实现电气设备异常状态告警，实现对电气设备的实时在线监测。

2.3.3 实现对设备的全生命周期管理

通过电子标签对设备进行编号建档并录入系统，通过智能化监控平台将设备信息、运行状态、维护记录进行关联，形成完成的设备全生命周期记录。核对设备全生命周期的运行质量、运维成本，用于指导资产投资、设备选型以及绩效考核等，提高资产全生命周期内的使用质量。

2.3.4 实现配电房的智能运维

通过电子标签、电子运维表格、远程视频等，指导运维人员有针对性地开展配电房运维工作，并根据设备状态评价结果、综合数据分析以及运维矩阵，确定设备年度运维等级及其运维策略的过程，合理调度抢修资源，高效指挥抢修工作开展，实现综合数据的智能分析、抢修高效管理、智能运维策略管理等智能运维管理。

2.3.5 满足综合管理和竞争性业务扩展的需求

配电房智能监控系统基于物联网和大数据技术具有丰富的数据接口，同样适用于充电桩、智慧路灯、智能小区等领域，同时结合智能化监控平台具备数据整合和分析能力，具有广阔的应用前景。

3 研究创新点

在传统的配电自动化技术基础上，大胆引进并融合新型传感器、云计算、大数据、物联网和人工智能等新技术，使得产品功能更加智能化、网络化与数字化。

3.1 实现配电房环境的实时监测与控制，营造良好的电房设备运行环境

利用物联网技术和新型传感器技术，实现了配电房的温度、湿度、运行噪声以及有害气体等环境参数的实时采集，并通过控制环境调控设备，将各项指标控制在标准范围内，实现了配电房环境智能监测与控制，为配电设备创造了一个良好的运行环境，从而确保设备可靠运行

3.2 实现配电房各类电气设备的运行状态检测，提前发现设备故障隐患

利用局放传感器直接检测+臭氧气体密度间接监测，分析判断设备是否产生绝缘性能下降和局部放电等故障。通过检测房内SF6气体是否泄漏、开关柜或变压器温度是否异常等，全面监测各类设备的运行状态，提前发现和排除设备故障隐患，有效防止情况恶化并导致运行故障产生，有效降低设备故障率。

3.3 实现入侵监测、身份鉴权、安全帽监测、电子围栏，有效保护运维人员安全

通过视频技术、人工智能识别技术对运维人员的身份进行识别和鉴权，并识别是否做好穿戴安全帽工作服等劳动保护措施。同时，在高压设备附近或其他危险区域设置电子围栏等，对发现的危险操作进行告警，有效防止人身安全事故发生，保护运维人员的生命安全。

3.4 实现传感器设备电源智能化管理，保障各类传感器设备长期稳定运行

电源管理单元具备完善的输入过压、抗接地故障、输出过流或短路、过压、温度异常等效保护功能，备用电源具备无缝切换、智能监测管理等功能，可保障各类传感器设备长期稳定运行。

3.5 实现传感器通信协议的规范化，有效保障各类传感器可靠工作

当前市面上的传感器协议众多，给开发和应用造成了极大不便。通过调研分析对通信协议进行规范整合，使得不同传感器和物联网网关之间的通信更加简单、协调与可靠。

3.6 产品设计标准化、典型化，适于批量化生产、安装和维护

产品设计时需充分考虑不同电房配置各异、现场环境多样化的特点，在电源、端子排等组成单元均采用典型化、标准化设计，并且充分考虑后续功能扩展等需求，便于现场施工接线和安装调试。

3.7 产品环境性能和防护和抗干扰能力强，可靠性高

电力自动化设备由于工作在恶劣的工况下，对设备电磁兼容设计和安规设计通常要求采用比其他工业设备更高的IV级，而产品充分借鉴了配电自动化终端的设计要求和经验，有效保证了产品符合恶劣环境下的适应性和电磁兼容特性，确保在现场可长期可靠运行。

3.8 产品可扩展性强，发展潜力大

产品具有良好的扩展潜力，还支持配置便民充电接口、智能路灯、智能垃圾箱以及无线局域网等，依托配电房延伸涉电服务实现“智能电房服务智慧城市”。

4 经济效益分析

4.1 合理延长设备使用寿命，节约建设成本

传统的配电房巡检方式存在两大问题：一是维护不及时；二是无法评估不同设备的运行状态，只能定期整体保养或整体更换。

电网公司每年通常都要做预防性试验，一般5年检修、10年大修。检修主要针对锈蚀、老化等设备进行替换。大修主要针对开关柜、变压器等主要设备进行停电检测和关键部件、整机替换。大修不会等到设备完全故障停用才进行，而是按照既定的大修时间（如10年）对设备进行换新。这种换新方式可保障配电房主要设备在下次大修前可靠运行，一定程度上消除了事故隐患，但增加了建设成本。

通过配电房智能监控系统，可以从整体上分析设备的运行状态，对设备的使用寿命进行分类，在保证运行可靠性的同时，延长部分设备的使用寿命，降低建设成本。