基于物聯(lián)網(wǎng)的變電站智能輔助系統(tǒng)應(yīng)用研究

引言

為提高電網(wǎng)企業(yè)的管理水平，國家電網(wǎng)公司提出了集約化發(fā)展、精益化管理的目標(biāo)，調(diào)控一體化便是其中的有效措施之一。調(diào)控一體化運行管理模式是對變電運行管理的創(chuàng)新，也符合國家電網(wǎng)公司建設(shè)堅強智能電網(wǎng)的目標(biāo)。

變電站是堅強智能電網(wǎng)建設(shè)中實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換和控制的核心平臺之一，也是銜接智能電網(wǎng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六大環(huán)節(jié)的關(guān)鍵。智能輔助系統(tǒng)是變電站智能化的重要體現(xiàn)，也是智能變電站必要的組成部分。目前大多數(shù)變電站的輔助系統(tǒng)相互獨立，有的甚至有多套子系統(tǒng)，各個系統(tǒng)存在著數(shù)據(jù)來源不一、智能化程度不高、功能單一等問題,為調(diào)控一體化的實現(xiàn)帶來很大阻礙。因此，需要建立一套智能輔助系統(tǒng)來優(yōu)化內(nèi)部資源，完成各變電站信息數(shù)據(jù)的集成統(tǒng)一，實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)變電站實時、全面監(jiān)控，從而有效提升電網(wǎng)運行管控水平、可靠性和應(yīng)急處置能力。

1調(diào)控一體化

為適應(yīng)智能電網(wǎng)的發(fā)展，實現(xiàn)調(diào)度智能化，國家電網(wǎng)公司推行“大運行”模式，要求整合公司調(diào)度運行與設(shè)備運行相關(guān)業(yè)務(wù)，調(diào)整調(diào)度體系功能結(jié)構(gòu)，變革組織架構(gòu)、創(chuàng)新管理方式、優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，建立各級輸變電設(shè)備運行集中監(jiān)控與電網(wǎng)調(diào)度業(yè)務(wù)高度融合的一體化調(diào)度控制體系，實現(xiàn)國調(diào)、分調(diào)運行業(yè)務(wù)一體化運作。

目前，國內(nèi)外主要存在三種調(diào)度運行管理模式:第一是傳統(tǒng)模式，即按變電站分站監(jiān)控和操作變電站，有人24h值班；第二是集控中心模式，就是按區(qū)域設(shè)置監(jiān)控和操作的集控中心，每個集控中心管理一定范圍內(nèi)的變電站，集控中心24h有人值班，變電站無人值班；第三是操作隊+調(diào)控中心模式，該模式每個地區(qū)級調(diào)度建立一個調(diào)控中心，按照作業(yè)半徑分設(shè)若干操作隊，每個調(diào)控中心24h有人值班，一個調(diào)控中心可以監(jiān)控整個地區(qū)的變電站。通過對比，可以發(fā)現(xiàn)操作隊+調(diào)控中心的調(diào)控一體化運行模式明顯優(yōu)于前兩種模式,實際調(diào)度運行中，也在逐步向第三種模式轉(zhuǎn)變。

2變電站智能輔助系統(tǒng)

變電站智能輔助系統(tǒng)應(yīng)考慮將圖像監(jiān)視系統(tǒng)、安全警衛(wèi)系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、照明控制以及動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的配置和功能進(jìn)行整合優(yōu)化，同時通過各系統(tǒng)之間的廣泛聯(lián)動，實現(xiàn)系統(tǒng)功能共享，提升各子系統(tǒng)性能，為變電站的運行、檢修、信息化提供重要的輔助支撐。

針對變電站智能輔助系統(tǒng)的應(yīng)用，國內(nèi)企業(yè)和科研單位進(jìn)行了大量的研究和探索。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，智能變電站迅速崛起。物聯(lián)網(wǎng)是指通過部署具有一定感知、計算、執(zhí)行和通信等能力的各種設(shè)備，獲得物理世界的信息或?qū)ξ锢硎澜绲奈矬w進(jìn)行控制，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息的傳輸、協(xié)同和處理，從而實現(xiàn)人與物通信、物與物通信的網(wǎng)絡(luò)。

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在國內(nèi)變電站中已經(jīng)得到實際應(yīng)用，如部分變電站已經(jīng)使用的設(shè)備在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)、巡檢系統(tǒng)、輔助控制與監(jiān)測系統(tǒng)冏、運行環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等。上述應(yīng)用雖然很好地解決了運行中的實際問題，但都是在單一變電站中使用，而且系統(tǒng)只關(guān)注變電站中的局部設(shè)備，不具備全面監(jiān)測、深度互連、智能對話的功能,系統(tǒng)的智能化有待于進(jìn)一步加強。國外將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于變電站單一輔助系統(tǒng)的技術(shù)比較成熟，比如德國、美國等國家很早就采用計算機與終端的傳感器或者信號采集器相連，實現(xiàn)對設(shè)備實時監(jiān)控、故障遠(yuǎn)程傳輸和火災(zāi)自動報警，但是將各變電站輔助系統(tǒng)建立在統(tǒng)一平臺上的應(yīng)用較少。

本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種部署在調(diào)控中心、管控多個變電站的智能輔助系統(tǒng)，并實現(xiàn)PMS、綜合自動化系統(tǒng)中信息的接入。

3系統(tǒng)建設(shè)方案

系統(tǒng)遵循《國網(wǎng)輸變電工程通用設(shè)計110?750kV智能變電站部分》中關(guān)于智能輔助系統(tǒng)的設(shè)計要求，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過對外界的感知，構(gòu)建傳感器測控網(wǎng)絡(luò)，在傳感測控網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上建立智能輔助系統(tǒng)，實現(xiàn)多站綜合管理、智能監(jiān)測、智能報警、自動巡檢、資產(chǎn)管理功能。以下分別從總體架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)、硬件架構(gòu)四個方面來闡述建設(shè)方案。

3.1系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)遵循電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，如圖1所示。

感知層主要實現(xiàn)變電站設(shè)備、環(huán)境信息的采集、識別和匯集，主要由傳感器、RFID標(biāo)簽及讀寫設(shè)備、監(jiān)測裝置、綜合接入網(wǎng)關(guān)組成。其中，傳感器感知被測量物體并將獲取到的信息按統(tǒng)一信息模型傳輸；RFID標(biāo)簽以一個全局唯一編號標(biāo)識變電站設(shè)備資產(chǎn)；監(jiān)測裝置自動采集和處理傳感器采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并與匯聚控制器進(jìn)行信息交換；綜合接入網(wǎng)關(guān)接收解析各匯聚控制器的信息，使之符合IEC61850規(guī)則。

網(wǎng)絡(luò)層主要依靠電力通信網(wǎng)，將綜合接入網(wǎng)關(guān)、視頻設(shè)備、綜自系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用層的處理程序。

應(yīng)用層通過網(wǎng)絡(luò)層接收底層感知設(shè)備采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理和存儲，并實現(xiàn)可視化展示。通過外部系統(tǒng)接口接入PMS和綜自系統(tǒng)中的信息，為用戶提供統(tǒng)一服務(wù)。

3.2系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)

多站化管理是調(diào)控一體化背景下變電站智能輔助系統(tǒng)需要解決的核心問題。各變電站數(shù)據(jù)如何存儲和處理在很大程度上會影響系統(tǒng)性能。系統(tǒng)將各變電站數(shù)據(jù)采集后保存在調(diào)控中心數(shù)據(jù)庫各自對應(yīng)的Schema中，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫除保存各變電站采集數(shù)據(jù)的Schema外，還有一個缺省的Schema用于存放用戶權(quán)限、角色、菜單、多站對比、報警等公共數(shù)據(jù)。這樣設(shè)計便于系統(tǒng)自由調(diào)整管控變電站的數(shù)量。系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖2所示。

3.3系統(tǒng)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)硬件主要包括采集站端信息的各類傳感器、采集視頻信息的攝像頭、存儲視頻信息的NVR、用于數(shù)據(jù)規(guī)約轉(zhuǎn)換的綜合接入網(wǎng)關(guān)、保障綜合自動化系統(tǒng)信息安全的隔離網(wǎng)閘、過濾綜合自動化系統(tǒng)信息的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、用于設(shè)備接入和網(wǎng)絡(luò)互連的交換機以及工作在調(diào)控中心的各類應(yīng)用服務(wù)器。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖3所示。

3.4系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)底層采集設(shè)備根據(jù)各自特性分別采用有線和無線的方式統(tǒng)一接入，綜合接入網(wǎng)關(guān)基于C++語言進(jìn)行開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和通信規(guī)范化。底層數(shù)據(jù)和應(yīng)用層服務(wù)之間依靠電力信息通信網(wǎng)進(jìn)行交互，遵循TCP/IP協(xié)議。應(yīng)用層采用B/S架構(gòu)實現(xiàn)，基于J2EE平臺進(jìn)行開發(fā)，綜合使用Spring、Struts框架、JDBC數(shù)據(jù)庫連接、數(shù)據(jù)挖掘、Ajax、JS等技術(shù)來構(gòu)建系統(tǒng)。系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖4所示。

4系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)功能主要包括多站綜合管理、實時監(jiān)控、自動巡檢、資產(chǎn)管理、報警信息和系統(tǒng)管理等。圖5所示是其系統(tǒng)功能架構(gòu)圖。

4.1多站綜合管理

多站綜合管理功能是指在區(qū)域地圖上顯示調(diào)控中心管轄的所有變電站的相對地理位置和站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)信息，并用不同的標(biāo)志來區(qū)分各變電站內(nèi)設(shè)備總體狀態(tài)信息。若某變電站內(nèi)有設(shè)備報警，貝M紅色閃爍圖標(biāo)在區(qū)位地圖上標(biāo)注。通過用戶觸發(fā)區(qū)位地圖上各變電站所在的位置，進(jìn)入監(jiān)測和調(diào)控該變電站的詳細(xì)頁面。

4.2實時監(jiān)控

實時監(jiān)控主要分為動力監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控和安防監(jiān)控三個部分，實現(xiàn)對變電站內(nèi)主要設(shè)備和環(huán)境的全部覆蓋。

動力監(jiān)控主要實現(xiàn)對各變電站內(nèi)一次設(shè)備的監(jiān)控，是對感知層各終端獲取數(shù)據(jù)的綜合展現(xiàn)，包括變壓器溫度監(jiān)測、站用電電壓電流監(jiān)測、直流系統(tǒng)電壓電流監(jiān)測、電容器溫度監(jiān)測、蓄電池電壓電流監(jiān)測、配電室屏柜溫濕度監(jiān)測、工器具狀態(tài)監(jiān)測、柜門開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測等。系統(tǒng)實時展示各監(jiān)測值，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閾值，自動判斷是否報警；根據(jù)系統(tǒng)的聯(lián)動配置，在報警的時候可以聯(lián)動附近的攝像頭進(jìn)行錄像。各時間點的實時數(shù)據(jù)會自動存儲在歷史記錄表中，以曲線、報表的形式展示給用戶，方便用戶查詢和分析。

環(huán)境監(jiān)控主要實現(xiàn)對各變電站內(nèi)環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)控。主要包括站內(nèi)各房間的溫濕度監(jiān)測、GIS室SF6氣體濃度監(jiān)測、電纜層水浸監(jiān)測、站內(nèi)微氣象監(jiān)測、噪聲風(fēng)速監(jiān)測和遠(yuǎn)端開/關(guān)站內(nèi)房間燈光和空調(diào)等功能。系統(tǒng)實時展現(xiàn)各監(jiān)測值，對異常信息進(jìn)行告警，并提供給用戶查詢歷史記錄的功能。

安防監(jiān)控主要包括變電站人員出入監(jiān)控、電子圍欄監(jiān)控、消防監(jiān)控和視頻監(jiān)控。系統(tǒng)根據(jù)工作人員工牌記錄進(jìn)出變電站的人員信息，實時記錄電子圍欄和消防的報警信息，并實現(xiàn)遠(yuǎn)端控制的功能。系統(tǒng)為各個變電站提供全面視頻監(jiān)控的功能，通過云臺界面可以調(diào)整視頻的角度和大小。

4.3自動巡檢

利用三維可視化技術(shù)，對各變電站內(nèi)部的功能區(qū)域按照預(yù)先設(shè)定的巡檢路徑對該路徑內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行自動巡檢，登錄用戶可以直觀地看到系統(tǒng)巡檢的詳細(xì)過程。自動巡檢結(jié)束后,系統(tǒng)可出具相應(yīng)的巡檢報告。可以為運行人員提供一種方便快捷、科學(xué)先進(jìn)的巡視手段，及時發(fā)現(xiàn)異常和缺陷。

4.4報警信息

報警信息功能是對系統(tǒng)所監(jiān)控的變電站中所有設(shè)備報警信息的綜合展示，報警信息主頁面分為報警信息列表和歷史信息查詢兩部分。系統(tǒng)提供給用戶查看和單個或批量處理報警信息的功能，便于用戶快速查看和處理，給系統(tǒng)用戶提供決策依據(jù)。

4.5資產(chǎn)管理

資產(chǎn)管理包括生產(chǎn)設(shè)備管理和輔助設(shè)備管理，資產(chǎn)數(shù)據(jù)來源于PMS系統(tǒng)所提供的接口和本系統(tǒng)新增的輔助設(shè)備。系統(tǒng)以列表的方式展示資產(chǎn)信息，主要信息包括設(shè)備類型、設(shè)備名稱、設(shè)備編碼等，并為用戶提供查詢、增加、刪除、修改功能。

4.6系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理為登錄用戶提供系統(tǒng)全面設(shè)置和資源分配的功能，包括變電站配置、用戶管理、權(quán)限管理、角色管理、資源管理、日志管理、設(shè)備管理、報警配置、聯(lián)動配置等子功能。

4.7功能對比

該系統(tǒng)與其他輔助系統(tǒng)的功能對比如表1所列。

表1調(diào)控一體化下智能輔助系統(tǒng)和常規(guī)輔助系統(tǒng)對比

5結(jié)語

調(diào)控一體化背景下的變電站智能輔助系統(tǒng)是變電站智能化的有力支撐。系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，解決了多站數(shù)據(jù)統(tǒng)一、多站一體化管理等問題，實現(xiàn)了多站實時監(jiān)控、智能報警、自動巡檢等功能，為調(diào)控一體化管理模式的推行提供了實際參考。系統(tǒng)已經(jīng)通過中國電科院相關(guān)資質(zhì)檢測，檢測結(jié)果表明本系統(tǒng)立足工程實際，在滿足變電站通信規(guī)約前提下，實現(xiàn)了預(yù)期的功能，架構(gòu)先進(jìn)、安全性好、可靠性高、兼容性強、管控變電站數(shù)量靈活。

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