一种用于换流站环境监测系统的设计

赵新志，刘伯强，杨 帆，任 凯

（国网陕西省电力公司检修公司，陕西 西安 710000）

0 引 言

电力供应是整个社会生产、人民生活的基本保证之一。电力安全可靠稳定供应是国家电力输配电企业的重中之重，为了实现目标，就离不开电力设备的安全可靠工作。任何设备在使用过程中都会存在影响电力运行安全的因素，这些因素需要不断总结和积累，通过监测手段能够进行设备故障或事故发生的预测[1]。国家电网公司在2020年提出了电力泛在物联网的概念之后，很多科技公司开始研发电力设备的智能运维平台，通过对现有电力设备安装必要的监测仪器，将搜集到的信号远传至站内数据处理中心，根据专家分析系统进行电力设备运行故障预测，将隐患消灭在萌芽状态。

宝鸡换流站是±500 kV德宝直流输电工程的一端，可实现西北电网和华中电网双向输电。本应用研制了一种专门用于换流站环境监测的数字化装置，实时获取换流站特定位置的气象监视信息，如大气温湿/度、风速风向、雨量、空气灰度以及等噪声，此外还能获取绝缘支柱的灰度值、盐度值、接地极的土壤温度、电导率以及水温等信号，实现远程监测、记录、查看、搜索、预测等数据分析功能和直观图形化展示，由专家系统对集采的特定位置的环境数据进行分析，预测可能发生的故障隐患，并作出科学的行动计划，消除隐患，实现设备安全运行[2-4]。

1 换流站环境监测的数字化装置功能

一是抗电磁干扰。换流站为（特）高压直流输电换流变电站，其站内具有较强干扰源，这些干扰源有来自换流阀导通和关断过程产生的传导与辐射电磁干扰，正、负极间电压的迅速变化导致产生暂态电压和暂态电流带来的干扰以及换流阀触发时产生的大量射频干扰。此外，交流断路器及隔离刀闸等一次设备的操作会引起回路状态发生变化，从一种稳定状态经过振荡过渡到新的稳定状态将产生暂态过电压干扰。这种很强的干扰，作用在弱电线缆上、传感器壳体上、电子线路板上，因其耐压水平和抗干扰能力比较弱，如果不做好防干扰措施，其会造成装置运行异常。本装置的研发解决了具有复杂多样性干扰源的换流站，能够可靠稳定工作。

二是安全网络。未来的物联网不再是现有的垂直纵向的延伸，而是如现在互联网一样的网格式的发展，网格式物联内的数据采集模块和中继服务模块具有更加智能的互联功能，能够自动匹配和它相同通信规则的模块。网格式物联网设置了隐藏性网络，对一般用户不显示，非专用设备无法侦测到，并具有自动屏蔽非法侵入的功能，具有较强安全的数据传输。

三是客户端。装置的远端是数据服务器，服务器搭建了一套应用平台，在电站内部局域网搭建了Web Server服务，并对内部局域网（包括无线连接的终端）内的客户端进行区域广播。客户机浏览特定IP，即可查看分析后的数值、图像显示、趋势曲线，具有导入数据和导出报表等功能。其次针对手机客户端，开发了基于安卓操作系统的App客户端软件，通过App客户端软件同样可以查看分析后的数值、图像显示、趋势曲线，具有导入数据和导出报表等功能。

四是数据的采集。采集的现场环境数据为气象监视(大气温湿/度、风速风向、雨量、空气灰度、噪声)、绝缘支柱的灰度值和盐度值、设备噪声、接地极的土壤温度和电导率、水温等信号、换流站内该位置的地面沉降信息。

五是功能显示。终端服务器能够将现场采集的传感器数据以数字的形式存储、数据动态分析结果存储，多装置应用时各个装置在换流站平面俯视图上显示功能，服务器系统软件能对数据做进一步分析，为设备运行提供预测参考，具有阈值报警功能。客户端通过计算机监控后台的浏览器获取各个装置传感器数值，并以图形化显示、趋势图显示、棒图显示、数据查询等功能。手机APP端是预先编制好的客户软件，通过软件可以获取各个装置传感器数值，并以图形化显示、趋势图显示、棒图显示、数据查询等功能。

2 换流站环境监测的数字化装置设计方案

2.1 设计要求

每套集采器能够采集特定位置的气象监视(大气温湿/度、风速风向、雨量、空气灰度、噪声)、绝缘支柱的灰度值和盐度值、设备噪声、接地极的土壤温度和电导率、水温等信号、换流站内该位置的地面沉降信息等环境因子，通过网格式网络将数据传送至远方的数据服务器。在内部局域网的任意一台计算机通过浏览器以及通过连接内部局域网手机App客户端使用系统功能。

该集采器具有可扩展功能，将集采器布置在换流站不同的区域，彼此之间能够自动搜寻并桥接，形成网格式互联网络，每台集采器同时也是中继器。距离服务器最近的网络节点自动匹配桥接，实现数据无缝传输。单套集采器的外形如图1所示。

图1 集采器外形

2.2 组网与数据传输

电力设备分布式多站点环境监控系统是一个主要用于监控一些因局部环境问题而引起的电力设备故障，以保障供电的延续性、可靠性和安全性的智能控制管理系统[5]。这类研究在之前已有相关研究机构进行了研究。当下计算机网络技术已经被广泛应用于社会的各行各业。为了保障国民经济的正常运转，发挥电网的最大优势，电力系统对信息网络的安全具有极高要求。一种用于换流站环境监测系统虽然是换流站的辅助监测系统，但是在网络设计上有较高的要求，并在站内采用和其它设备监测网络不互联的独立网络设计。环境监测系统通信模块之间采用了有线和无线网络相结合的通信网，与站内现有网络及广域网互联网相隔离。对有障碍物，不利于无线传输的采用有线RS485(双绞线或光纤)通信连接，对开阔地区采用低功耗局域网(LoRa)通信连接，服务器客户端采用有线和无线以太网。服务器作为数据主站，集采器作为数据从站，服务器每隔5 s向各个集采器搜集数据。系统组网结构如图2所示。

图2 系统组网结构图

2.3 数据存储与处理

集采器实时更新现场传感器的实际数据，服务器间隔5 s将所有集采器更新的数据读取至服务器并存储在服务器的磁盘内，服务器安装的专家系统软件将进行预测处理后的数据存储在服务器的磁盘内，后期进行人工分析时可以随时调出存储的数据。

2.4 数据展现

服务器所在同一局域网上的客户机通过浏览器可以浏览各采集点的数据，接入服务器所在同一局域网热点的手机通过App软件可以浏览各采集点的数据。数据展现以客户机屏幕展示为主，手机展示为辅，展示界面除了布局不同，内容及形式相同。手机客户端界面如图3所示。

图3 手机客户端界面

3 创新点

如果将民用或工业用的环境监测系统在换流站使用有它的局限性，如采集的信号种类、数据传输方式、电磁干扰和系统的安全性等。用于换流站环境监测系统的研究解决了这些问题，弥补民用或工业用的环境监测系统应用的不足，根据实际需求进行定制化研究的环境监测系统在电力行业应用时更能满足现场环境的需要。

首先，采集的数据集成度高。产品在设计时，参考了市场上的环境监测装置，并增加了面向直流变电站实际需要的信号种类，每套集采器包含了特定位置的气象监视(大气温湿/度、风速风向、雨量、空气灰度、噪声)、绝缘支柱的灰度值和盐度值、设备噪声、接地极的土壤温度和电导率、水温等信号、换流站内该位置的地面沉降信息等环境因子。其次，集采器自动桥接。集采器自动桥接最近LoRa信号最强的集采器，所有的集采器桥接之后形成网格式通信网络，数据终端服务器通过有线或无线桥接的方式，从最近的集采器上读取全站监测数据。再次，具有强抗电磁干扰。集采器外壳采用铁元素材料，材料可靠接地。仪器仪表及各种元器件选用具有EMC认证，能适用于电力变电站的复杂的强干扰环境。系统有限采用无线桥接的数据传输，避免因采用电缆传输数据带来干扰，也能降低改造施工难度。最后，系统的网络安全。系统采用独立的网络，外部设备访问需具有多重的权限。经过授权才能接入内部局域网的客户计算机或手机需输入授权账号和密码方可访问数据。

4 结 论

换流变电站是指在高压直流输电系统中，为了完成将交流电变换为直流电或者将直流电变换为交流电的转换，并达到电力系统对于安全稳定及电能质量的要求而建立的站点，换流变电站内所有的监控数据都具有及其重要的意义。本应用充分考虑了换流变电站的实际需要，并在现有环境监测技术的基础上增加了更多的传感器实现数据的采集。换流站环境监测的数字化装置具有强抗电磁骚扰能力，在应用中传输信号稳定可靠。装置之间、装置和终端服务器之间的传输网络通过双重身份认证，能够防止外部未经授权客户的非法侵入，确保的数据安全。

换流站环境监测的数字化装置将采集上来的数据在终端服务器进行存储，实时分析。通过计算机及手机客户端，可以获取集采器所在位置的设备环境信息及设备状态，由一定数量换流站环境监测的数字化装置和服务器组成的用于换流站环境监测系统具有数据预处理的功能，当监测数据异常时，监控系统能够发出预警信息，由运维人员进行具体分析和处理异常。通过服务器安装的专家分析系统能够推演出设备可能存在的隐性问题，从而为电网中的设备运行提供分析基础。