基于物联网的配电站辅控系统研究

毛姝旻

(上海电力设计院有限公司)

0 引言

物联网技术在配电站辅助控制系统中的应用, 可以提高配电站运行的智能化和自动化水平, 优化能源消耗和安全管理。

具体包括, 自动化巡检, 传感器、监测设备等物联网技术, 可以实时监测配电站设备状态、电路电流电压等信息, 对配电站运行情况进行实时监控和巡检, 减少人工巡检次数, 缩短巡检周期; 数据采集和分析: 物联网技术可以帮助配电站对各种数据进行采集、处理、存储和分析, 以便实现优化控制、决策支持及故障预警等; 设备管理, 物联网技术可以实现设备状态监测、远程操作、自动化维保等功能, 提高设备管理的效率和准确性; 智能能源管理: 物联网技术可以实现电力负荷平衡调节、节能减排、能源利用率提高等目标, 优化配电站能源管理; 安全监控: 物联网技术可以实现对配电站的安全控制和监控, 提高安全性和稳定性。例如, 利用监控系统对配电站进出口的车辆、人员、物品进行监控和管理, 预防意外事故的发生。

物联网技术的应用可以使配电站电站运行更高效、更安全, 提高能源利用效率, 对于降低电网运行成本和实现双碳目标具有重大的意义。

1 运行优化技术研究分析

基于物联网的配电站辅控系统是将各种设备通过物联网技术连接起来, 实现对于设备数据的实时监测、控制、分析和管理, 为配电站的安全稳定运行提供有效的支持。具体来说, 该系统主要包含以下三个方面的功能: 实时监测功能: 通过传感器和数据采集装置实时地获取配电站各个设备的温度、湿度、电流等各种数据, 并对这些数据进行实时监测和分析。一旦发现设备出现异常, 系统便能够及时地发送警报提醒管理人员, 以便及时地进行处理和维修。远程控制功能: 基于物联网技术, 该系统可以远程控制配电站的各种设备, 包括变压器、开关设备等, 通过远程控制实现对于设备的开关、告警、诊断等操作, 从而确保设备的正常运行。数据分析功能: 基于大数据技术, 该系统可以对配电站的历史数据进行分析和建模, 以便对未来的设备运行状况进行预测和评估。通过数据分析, 系统可以发现设备运行中存在的问题和隐患, 提高配电站的设备可靠性和稳定性。

目前, 配电站辅助设施虽然大多采用传感器技术, 但各设备之间相互独立, 缺乏智能交互功能, 形成大量孤立的信息孤岛。因此, 配电站需要人工处理这些设备信息, 不能满足智能化配电站智能化运行管理的要求[1-2]。智能配电站的保护和控制系统必须迅速响应, 并提供更多的操作员安全[3-5]。为了满足智能化配电站辅助设施的功能要求, 利用物联网技术,构建了一个实时识别、定位、跟踪、监控及相应设备的配电站辅助控制系统, 实现了对配电站生产辅助系统的监控。配电站辅助设施作为保证配电站安全运行的重要基础设施, 其监控工作至关重要, 其自动化监控系统成为实现配电站无人值守不可或缺的组成部分。现有的配电站辅助设施存在问题, 需要改进的地方如表1 所示。为了解决上述问题, 满足更高层次的功能要求, 本文建立了一个统一的辅助控制平台, 集成了系统的所有辅助功能。因此, 远程人员可以通过辅助系统的综合信息对配电站进行全面控制。

表1 变电站辅助设施存在的问题分析

2 架构分析

2.1 辅助控制系统结构

智能配电站辅助控制系统以智能配电站网络结构为基础, 主要分为站控层、间隔层、感知层、应用层。整个系统架构如图1 所示。

图1 物联网配电站系统架构

各层作用如下:

1) 站控层: 站控层是物联网中最高层次的部分,它负责处理和管理在过程层和间隔层中采集的大量数据。因为物联网设备产生的数据量极大, 因此站控层的分数据通过协议传输到云端和其他设备。析软件可以对这些数据进行处理、分析和挖掘, 提供有用的信息和洞见, 以支持业务、生产等的决策制定。站控层还可以提供远程控制、故障诊断和管理功能, 帮助企业监测和维护设备的运行状况。

2) 间隔层: 间隔层将传感器、执行器等物理设备连接起来, 将它们连接到云端和其他应用程序。在间隔层中, 一个网络架构被设立, 从而实现设备之间的相互通信和协议转换。在这个层次上, 设备可以进行自动控制、数据采集和传输。

3) 感知层: 它负责采集、传输、处理和存储物理世界中的各种信息, 将这些信息转化为有价值的数据, 为上层的应用和服务层提供决策和控制支持。感知层包括传感器、执行器、嵌入式系统、数据采集设备、网络传输设备等组件。

4) 应用层: 过程层是物联网中最基本的层次,它包括物理设备、传感器、执行器等实际生产和业务过程中使用的设备和组件。在过程层中, 物联网设备可以采集数据、执行指令、监测环境等功能, 并将这些数据和信息进行处理和传输。

2.2 子系统功能

本文提出的智能配电站辅助控制系统可分为五个子系统: 视频监控、安全系统、照明系统、供电系统和辅助系统优化控制。功能架构如图2 所示。在下面的段落中, 我们将介绍五个子系统的功能, 并描述如何整合整个系统。

图2 功能架构图

首先, 视频监控系统是保障配电站安全的重要手段之一。这一系统主要由监控摄像机、视频录像及播放设备、监控软件等组成。通过视频监控系统, 可以实时监控配电站内发生的相关现象和运行状态, 既可以对突发事件进行快速响应和处理, 也可以对配电站运行数据进行记录和分析, 为运行安全提供可靠的依据。其次, 安全系统是保障配电站运行安全的重要保障。安全系统主要由火灾报警系统、渗漏报警系统、气体泄漏报警系统、人员定位监控系统等等构成。安全系统可以时刻监测配电站运行环境, 实现全方位、无死角的监控。一旦出现异常情况, 系统便能及时发出警报, 迅速给予相关抢救处理, 保障配电站的运行安全。第三, 配电站照明系统是保障工作效率的重要保障。照明系统可以使配电站的操作人员在夜间或低光照条件下安全高效的完成工作。照明系统主要由LED 照明灯、光敏传感器等构成, 可实现自动控制和节能减排。第四, 供电系统是支持配电站生产运行的重要保障。供电系统主要由主变、备用变、配电柜、配电站调度管理系统等构成, 可实现电力分配、调节和保障, 确保配电站全面供电。最后, 配电站最优控制子系统则是保证配电站运行高效稳定的重要手段。这一子系统主要利用信息化技术, 对配电站各个环节进行实时优化控制, 实现安全稳定、高效经济的运行状态。

由于配电站基础设施数量庞大, 需要对系统集成进行统一规划。通过以下步骤将各个子系统整合成一个完整系统。a) 规划系统结构: 制定整合方案, 并确定每个系统的功能及其在整合中所起的作用; b) 实施系统集成: 对各个子系统进行集成, 确保它们能够互相交流, 并整合到一个统一的平台中; c) 数字化管理: 将各系统转化为可以数字化管理的形式, 以方便监控和控制; d) 开发联动策略: 建立各子系统之间的联动策略, 即在某些情况下, 当某个子系统发生异常时, 其他子系统能够自动进行响应以保证配电站的稳定运行; e) 实施监控与管理: 利用统一平台对整合后的系统进行监控与管理, 能够进行数据分析、预测及优化, 从而实现对配电站整体的精细管理。进而实现配电站辅助控制系统运行的精细化管理和运营效率的最大化。系统集成结构如图3 所示。

图3 系统集成图

3 实验及分析

3.1 系统可靠性测试与无线网络测试

配电站设备适当的接地方式可以抑制干扰。本文选择单点接地方式。传感器信号频率在10MHz 左右,提高了系统的抗干扰能力。

每个集成电路的电源和接地之间都安装了一个去耦电容。去耦电容有两个功能: 滤波作用: 在电路中去除高频噪声信号。去耦电容连接到电路中的直流信号线和交流信号线之间, 可以滤除直流信号, 只留下交流信号, 达到滤波的目的。耦合作用: 在电路中连接两个级别之间, 传递信号。例如, 放大器中的输入信号需要传递到输出级别, 去藕电容将直流偏置波分离, 传递信号, 达到耦合的目的。计算结果表示如下:

式中,PR为接收灵敏度,Pmin为接收端在一定的预定误码率下接收到的信号的最小平均功率。图4 显示了接收端接收灵敏度与露天测试传输距离之间的关系, 图5 显示了高压测试下接收灵敏度与传输距离之间的关系。

图4 室外测试结果

图5 高压条件下测试

从上图分析得, 如果距离增加, 则验收功率降低, 验收灵敏度也随之降低。同时, 经过测试验证分析, 接收灵敏度与通信距离的关系曲线类似。当通讯距离相同时, 由于设备和电磁干扰的阻碍, 室内空间接收到的功率低于露天空间接收到的功率。

3.2 网络节点能耗测试

使用专业仪表测试节点在活动和休眠期间的能量消耗。结果如表2 所示。将采样周期设置为1s, 即每1 秒收集一次数据。网络运行周期为300ms, 占空比为30% (300ms/kms), 节点电压变化包括在图6 所示。

图6 节点电压

表2 节点能耗

测试参数加快模拟和便于监测节点上的电压变化, 实际应用价值远远低于测试参数。节点由两个碱性电池供电, 电量为3000mA 时。根据实际电流消耗计算, 节点可以连续工作115h, 与测试结果一致。这些节点甚至可以在睡眠期间工作更长的时间。因此, IEC61850 适用于变电站环境, 实际测试可以为网络方案的设计提供依据。

4 结束语

基于物联网的智能变电站辅助控制系统, 利用物联网技术建立传感器测控网络, 通过统一的通信协议IEC61850, 实现了传统变电站独立的辅助系统: 视频监控子系统, 安全子系统等优化控制子系统的集成。建立统一的智能变电站智能辅助控制系统是实现辅助子系统功能集成、信息共享、信息传输、结构简化的有效方法。并对系统可靠性及网络节点能耗进行了实验, 效果良好, 具有较高的灵敏度和抗感扰性, 可以在实际环境运行, 为配电站提供了智能化解决方案。