基于物联网技术的变电站运行环境实时监测方法

周仲强，李梦宇，韩铭雪，刘学超，张云鹏

（国网临沂供电公司，山东 临沂 273300）

0 引 言

变电站运行状态监测是其工作中不可缺少的一环[1]。通过自动化手段，在变电站的主要设备和关键部位布置大量的传感器、信号采集器以及摄像头等数据采集设备，采集与变电站运行状态相关的信息。通过电力通信网络将采集的信息传递到站控中心和远端的调度中心，运用无人机远程监测变电站的运行环境[2]。目前，控制中心和远端调度中心已配备变电站运行状态分析软件，可以实时分析变电站的运行状态，根据运行状态分析的结果发出相应的预警、调控等指令，并通过电力通信网络将调控指令传递给变电站的智能开关和各类控制设备。同时，通过自动化运维，降低人工操作的风险。

1 基于物联网技术的变电站运行环境实时监测

1.1 采集变电站环境运行状态数据

在监测变电站运行环境时，需要获取精准的温度、湿度、水位以及油位等信息。利用基于射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）的具有短距离通信功能的智能器件进行信息采集，实时捕获监测对象的相关状态指标数据。利用物联网技术采集端的短距离通信特性，巡检人员配备的智能手持终端可以在一定范围内直接读取标签信息。此外，采用窄带物联网技术能够提高信道利用率，通过基站与互联网相连，进一步扩大网络覆盖范围，在变电站运行时可以采集到更多的信息。

变电站运行环境监测还需要从前置机中获取变电站环境相关数据。前置机包含多种类型的设备，如声音采集前置机、图像采集前置机、环境温湿度采集前置机、油位水位采集前置机以及风量采集前置机等。这些前置机通过通信网络将采集的环境信息传输到变电站环境监测系统。由于采集的数据种类和类型存在较大的差异，变电站环境监测系统需要对这些环境量进行相应的处理，以便后续的存储和分析[3]。

在采集温度、湿度等数据时，以微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）等嵌入式芯片作为核心，接收高精密的传感芯片所采集的控制柜内和柜外的温度、空气湿度等信息。MCU 微处理器将温度、湿度等信息以数字量的形式进行滤波、剔除干扰数据等处理，然后通过网络通信技术将环境信息实时传送到变电站控制中心[4]。通过计算得到温度、湿度变化率，实现变电站控制柜的温度与湿度调节。

1.2 建立变电站环境监测数据库

采集完变电站环境运行状态数据后，需要结合数据库软件建立变电站环境监控数据库。采用经典的SQL Serve 数据库，其具有较好的兼容性。设计原理是根据变电站环境监控自动化的使用需求，分配对应的设计权限。为减少数据使用的交叉和混乱，避免使用权限过大的管理人员进行数据库设计，根据各个具体数据库的属性，分配对应的权限限制在该数据库的开发中。在开发数据库时，设计人员应该在开始阶段就设计好相应的存储空间，避免后期设计过程中发现存储空间不足而需要扩展的情况。如果需要对数据库进行修改，应使用标准的数据库查询语言的统一接口进行修改，避免随意修改导致后续设计混乱。在数据传输方面，采用IEC61850 标准，以实现变电站的数据通信。搭建环境监测数据库基本架构，如图1所示。

图1 环境监测数据库架构

1.3 实现实时监测报警

利用环境监测数据库获取变电站相关指标数据后，与预先构建的数据库进行对比，实时确定当前的环境状态。将物联网采集的数据实时转换为监测数据，然后利用监测数据库分析变电站实时采集的各种环境参数，并通过这些环境参数来评估变电站及其设备的运行状态。一旦分析出变电站及其设备的运行状态出现异常情况，就需要及时通过报警模块发出预警[5]。

由于变电站环境监测数据主要是温度、湿度以及水位等较为简单的数据，文章采用阈值评定法来进行变电站环境监测数据的预警。当采集的变电站环境监测数据超出合理的阈值范围时，变电站进行环境监测过程中将发出预警。根据变电站环境监测数据超出阈值的程度，系统会进行相应程度的预警。超出阈值的程度越大，预警的严重程度也越大。根据系统告警的严重程度，由运行管理人员完成对报警信息的处理。

2 实验论证分析

为了实时有效地调节现场环境并最大限度保障设备运行的稳定性，需要在现场环境中布设多个传感器末端，以全面保障变压器的平稳运行过程。具体而言，需要布置2 个油温传感器、1 个溶解气体传感器以及2 个绕组式温度传感器，还要为当地放电过程和放电区域预留实验口。此外，被屏蔽电流传感器需采用避雷器作为基本使用单元进行全面配置，至少配置1 个。所有变压器都需要至少配备1 台在线监测设备，避雷器的配置应与电压等级相结合，同时全面配置智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED），并就地布置在线监测IED。基于IEC61850 标准，开展在线数据监测与分析，对IED 数值信号进行检测，确保变电站与监测站之间信息交流与数据沟通的完整功能。

为了验证文章所设计的基于物联网技术的变电站运行环境实时监测方法（以下简称本文监测方法）的有效性，采用文献[2]提出的基于无人机的变电站运行环境监测方法（以下简称文献[2]监测方法）进行对比测试。将监测延时作为评价指标，延时越短，表明对应监测方法的应用效果越好。具体结果如表1所示。

表1 不同方法的测试延时对比 单位：ms

由表1 可知，在不同的时间，这2 种方法的监测效果存在明显的差异。在文献[2]监测方法的测试结果中，延时表现出明显的波动性。其中，延时的最小值为143.3 ms，最大值为150.0 ms，表明该监测方法的精度仍需进一步改善。相比之下，在本文监测方法的测试结果中，不同时间的监测结果波动较小，具有较高的稳定性，延时较短，最大延时仅为144.6 ms，监测结果误差较小。文章设计的方法可以实现对变电站运行环境的实时监测，具有良好的实际应用价值。

3 结 论

物联网技术在变电站中的广泛应用为我国变电站的运行工作提供了有力的技术保障。该技术能够针对目前变电站中的系统运行异常进行精确定位和反馈管理，避免内部出现问题的范围进一步扩大。基于物联网技术的变电站运行环境实时监测方法能够对变电站运行环境和运行状态进行全面监测，为变电系统的安全运行提供保障，具有广阔的应用前景。