胡冠楠
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定
摘要:針對當前變電站監(jiān)控系統(tǒng)尚不完善各部功能復用、難以交互且基本運維仍需人工干預等問題設計了一種變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)由終端控制單元、傳輸網(wǎng)絡、遠程監(jiān)控中心集成終端控制單元負責環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、儀表示數(shù)讀取、中央指令收發(fā)解析及數(shù)據(jù)上傳各變電站通過VPN與遠程監(jiān)控中心相連遠程監(jiān)控中心負責數(shù)據(jù)實時處理、數(shù)據(jù)庫存儲、系統(tǒng)前端界面服務等經(jīng)試驗該系統(tǒng)實現(xiàn)了對變電站的溫濕度監(jiān)測、煙霧警報、風冷散熱控制、燈光控制、給排水控制及機電儀表監(jiān)測達到了預期效果有效提高了智能變電站的運維管理保證其安全平穩(wěn)有效運行實現(xiàn)無人值守。
關鍵詞:變電站；智能監(jiān)控系統(tǒng)；儀表示數(shù)讀??；VPN；無人值守
0引言
變電站是發(fā)電、輸電及配電系統(tǒng)的重要組成部分其主要功用為執(zhí)行所在區(qū)域的配變電工作是保證電網(wǎng)平穩(wěn)運行的關鍵環(huán)節(jié)變電站往往地處偏遠且分布較為分散隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的擴大與變電站數(shù)目的日益增多僅依靠人工值守遠遠無法滿足變電站的運維管理需求由此選用數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)進行遙距管控至關重要目前變電站多已實現(xiàn)對變壓器、斷路器等核心設備的監(jiān)控但監(jiān)控系統(tǒng)對變電站內溫濕度、照明等環(huán)境參數(shù)及各機電設備指針參數(shù)的監(jiān)控明顯不足且基本的運行維護仍需人工干預此外變電站現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)各部相對獨立難以交互功能復用、服務器資源浪費等問題層出不窮。
為解決上述問題該文提出了一種變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對變電站運行環(huán)境及各設備指針儀表數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控有效提高智能變電站的運維管理保證其安全平穩(wěn)有效運行實現(xiàn)無人值守。
1系統(tǒng)概述
該系統(tǒng)由終端控制單元、傳輸網(wǎng)絡、遠程監(jiān)控中心3部分組成終端控制單元集成傳感器、執(zhí)行設備等各輔助終端設備可實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、儀表示數(shù)讀取、中央指令收發(fā)解析、數(shù)據(jù)上傳等功能作為站端個體的各變電站通過ＶＰＮ與遠程監(jiān)控中心相連以保證系統(tǒng)整體處于虛擬局域網(wǎng)內可有效避免外部入侵遠程監(jiān)控中心可實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時處理、數(shù)據(jù)庫存儲、系統(tǒng)前端界面服務等功能系統(tǒng)整體架構如圖1所示
2硬件設計
2.1終端控制單元
終端控制單元由主控模塊、指令模塊、通信模塊3部分組成主控模塊是終端控制單元的核心負責將來自終端設備的環(huán)境、儀表等各參數(shù)數(shù)據(jù)信息處理為系統(tǒng)可識別的物理量值并傳輸至遠程監(jiān)控中心同時將監(jiān)控中心的示警信息反饋至各設備及執(zhí)行單元從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互指令模塊負責解析來自主控模塊的控制指令并將指令程序發(fā)送至各電力設備通信模塊即系統(tǒng)底層各部基礎通信配置。終端控制單元原理框圖如圖2所示
圖2終端控制單元原理框圖
其中終端控制單元以S3C6410芯片作為處理器核心其主頻*高可達667Hz*高可支持512M內存?zhèn)鞲衅鬟x用FT-WQX7型七參數(shù)一體環(huán)境監(jiān)測傳感器高度集成氣象標準參數(shù)可實現(xiàn)對環(huán)境溫度、相對濕度、大氣壓力、風向、風速、光強、降雨量等環(huán)境要素的連續(xù)實時在線監(jiān)測且測量精度高、性能穩(wěn)定可靠此外儀表監(jiān)控依托變電站巡檢機器人實現(xiàn)機器人攜帶攝像機獲取待識別的儀表圖片而后通過實時數(shù)據(jù)分析遠程監(jiān)控中心即可獲悉變電站各設備的運轉狀態(tài)。
2.2傳輸網(wǎng)絡
變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)存在多處節(jié)點均需交互通信如傳感器節(jié)點與終端控制單元、終端控制單元與遠程監(jiān)控中心等故該系統(tǒng)設計選用多種通信方式。
2.2.1傳感器節(jié)點與終端控制單元
為減少布線、降低系統(tǒng)部署難度該系統(tǒng)各傳感器節(jié)點與終端控制單元間的通信基于ＺｉｇＢｅｅ實現(xiàn)ＺｉｇＢｅｅ基于IEEE802.15.4標準可同時組網(wǎng)254個節(jié)點具有高可靠性滿足變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)需求。
2.2.2儀表監(jiān)控系統(tǒng)與終端控制單元
當前變電站巡檢機器人多通過WIFI無線網(wǎng)橋傳輸數(shù)據(jù)信息但此種通信方式網(wǎng)絡安全系數(shù)較低故該系統(tǒng)加裝加密通信模塊采用支持WAPI無線標準的無線專網(wǎng)通信模組實現(xiàn)儀表監(jiān)控系統(tǒng)與終端控制單元的平穩(wěn)通信可有效避免外部入侵。
2.2.3終端控制單元與遠程監(jiān)控中心
終端控制單元與遠程監(jiān)控中心基于TCP/IP協(xié)議通信由于接收數(shù)據(jù)量過于龐大考慮數(shù)據(jù)傳輸及指令下達的實時性、穩(wěn)定性系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通信方式實現(xiàn)終端控制單元與遠程監(jiān)控中心的信息交互。
對于以太網(wǎng)接口存在兩種接口形式即標準R45接口和SPF光纖接口因系統(tǒng)需實現(xiàn)長距傳輸且在變電站中存在強電磁干擾故采用光纖通信線纜進行傳輸可很大程度減輕電磁干擾的影響保證傳輸信號的穩(wěn)定。
2.2.4其他通信
由于系統(tǒng)需依據(jù)變電站實際場景需求增設相應監(jiān)控終端及傳感器為保證系統(tǒng)具有較高的兼容性、擴展性在設計上選擇預留不同的總線及通信接口如CAN總線接口、RJ45接口、RS232接口等。
3軟件設計
3.1終端控制單元程序設計
終端控制單元是遠程監(jiān)控中心與變電站各設備間實現(xiàn)交互的核心環(huán)節(jié)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、儀表數(shù)據(jù)獲取上傳、中央指令收發(fā)解析等均通過終端控制單元實現(xiàn)其終端控制單元業(yè)務處理程序流程圖如圖３所示
圖3終端控制單元業(yè)務處理程序流程圖
3.2系統(tǒng)主機軟件
變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)由溫度監(jiān)測子系統(tǒng)、濕度監(jiān)測子系統(tǒng)、煙霧警報子系統(tǒng)、風冷散熱控制子系統(tǒng)、燈光控制子系統(tǒng)、給排水控制子系統(tǒng)、機電儀表監(jiān)測子系統(tǒng)集成子系統(tǒng)示意圖如圖4所示
系統(tǒng)主機軟件使用Ｃ＃ＷｉｎＦｏｒｍ開發(fā)采用并行任務處理模式如圖５(ａ)所示(以溫度監(jiān)測子系統(tǒng)為例)系統(tǒng)電機監(jiān)測界面包括主界面、波形顯示界面、設置界面及歷史數(shù)據(jù)界面主界面中主要為串口選擇、8路溫度數(shù)據(jù)實時顯示、某時間段內電機運行數(shù)據(jù)查詢及設備運行狀態(tài)異常監(jiān)測波形顯示界面用于顯示電機實時運行狀態(tài)曲線設置界面如圖5(ｂ)所示除設置溫度上限報警閾值外還可對所采集溫度數(shù)據(jù)進行非線性補償。
圖5變電站溫度監(jiān)控子系統(tǒng)界面
3.3指針儀表自識別
變電站電機指針儀表的監(jiān)測與示數(shù)識別流程如圖6所示其中核心環(huán)節(jié)為目標檢測與目標識別。
3.3.1目標檢測
對于目標位置檢測為提高定位的實時性、準確性*大程度減輕距離、曲率角度、位姿等差異對清晰儀表圖像獲取的影響系統(tǒng)采用基于SSD網(wǎng)絡的目標檢測算法實現(xiàn)定位其損失函數(shù)為位置誤差與類別置信度誤差的加權和如式(１)所示:
式中:ｃ為類別置信度預測值且ｃ∈[０，１]ｌ為先驗框對應邊界框位置的預測值ｇ為待識別真實目標框Ｎ為先驗框正樣本數(shù)α為權重系數(shù)默認其值為１。
3.3.2目標識別
由于變電站大量儀表處于室外環(huán)境為校正不均勻光照的影響系統(tǒng)采用基于二維Gamma函數(shù)的校正算法利用提取出的光照分量依據(jù)其分布特性自適應校正不均勻光照校正流程如圖７所示
圖７不均勻光照校正流程
對于儀表示數(shù)識別系統(tǒng)采用改進的基于MS-ER提取指針區(qū)域算法通過*大穩(wěn)定極值的兩次穩(wěn)定區(qū)域檢測提取指針區(qū)域而后以指針通過儀表軸心為條件結合Zhang細化算法及累計概率霍夫變換(PPHT)精準定位指針*后構建儀表讀數(shù)坐標系以獲取儀表示數(shù)。
4系統(tǒng)測試
該智能監(jiān)控系統(tǒng)在變電站進行了現(xiàn)場應用經(jīng)現(xiàn)場實際測試系統(tǒng)效果良好。
4.1指針儀表識別測試
共選取100張儀表圖片進行示數(shù)識別測試表１所示為部分實驗結果對比目視結果與系統(tǒng)識別結果實驗數(shù)據(jù)表明:系統(tǒng)識別結果準確率可達98％系統(tǒng)指針儀表識別性能良好可在技術上為機電儀表監(jiān)測子系統(tǒng)提供有力支撐。
表１指針儀表識別測試結果
注:誤差 ＝ 目視結果 － 系統(tǒng)識別結果
相對誤差率 ＝ 相對誤差 ( 目視結果 ) × 100%
4.2系統(tǒng)整體測試
系統(tǒng)整體測試結果如表２所示
由現(xiàn)場測試結果可知系統(tǒng)各裝置測試效果良好成功率高實現(xiàn)了對變電站運行環(huán)境及各設備指針儀表數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控保證其安全平穩(wěn)有效運行。
5安科瑞電力監(jiān)控解決方案
5.1概述
針對用戶變電站（一般為35kV及以下電壓等級），通過微機保護裝置、開關柜綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產(chǎn)品、電能質量在線監(jiān)測裝置、配電室環(huán)境監(jiān)控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動化的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了變電、配電、用電的安全運行和全面管理。監(jiān)控范圍包括用戶變電站、開閉所、變電所及配電室等。
Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)是安科瑞電氣股份有限公司根據(jù)電力系統(tǒng)自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發(fā)出的一套分層分布式變電站監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是應用電力自動化技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術和信息傳輸技術，集保護、監(jiān)測、控制、通信等功能于一體的開放式、網(wǎng)絡化、單元化、組態(tài)化的系統(tǒng)，適用于35kV及以下電壓等級的城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)變電站和用戶變電站，可實現(xiàn)對變電站的控制和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為變電站安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行提供了堅實的保障。
5.2應用場所
適用于軌道交通，工業(yè)，建筑，學校，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統(tǒng)工程設計、施工和運行維護。
5.3系統(tǒng)架構
Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡通信層和現(xiàn)場設備層，組網(wǎng)方式可為標準網(wǎng)絡結構、光纖星型網(wǎng)絡結構、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡結構，根據(jù)用戶用電規(guī)模、用電設備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。
5.4系統(tǒng)功能
（1）實時監(jiān)測：直觀顯示配電網(wǎng)的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路有關故障、告警等信號。
（2）電參量查詢：在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細電參量。
（3）曲線查詢：可以直接查看各電參量曲線。
（4）運行報表：查詢各回路或設備時間的運行參數(shù)。
（5）實時告警：具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠對配電回路遙信變位，保護動作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。
（6）歷史事件查詢：對事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。
（7）電能統(tǒng)計報表：系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況。
（8）用戶權限管理：設置了用戶權限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。
（9）網(wǎng)絡拓撲圖：支持實時監(jiān)視并診斷各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結構。
（10）電能質量監(jiān)測：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測。
（11）遙控功能：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的設備進行遠程遙控操作。
（12）故障錄波：可在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況。
（13）事故追憶：可自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時穩(wěn)態(tài)信息。
（14）Web訪問：展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息，設備通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。
（15）APP訪問：設備數(shù)據(jù)頁面顯示各設備的電參量數(shù)據(jù)以及曲線。
5.5系統(tǒng)硬件配置
應用場合 | 型號 | 保護功能 |
電力監(jiān)控系統(tǒng) | Acrel- 2000Z | 電力監(jiān)控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。 |
網(wǎng)關 | ANet- 2E8S1 | 8路RS485串口，光耦隔離，2路以太網(wǎng)接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA等協(xié)議的數(shù)據(jù)接入，ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT等協(xié)議上傳，支持斷點續(xù)傳、XML、JSON進行數(shù)據(jù)傳輸、支持標準8GBSD卡（32GB）、支持不同協(xié)議向多平臺轉發(fā)數(shù)據(jù)；每個設備的多個報警設置。輸入電源：AC/DC220V，導軌式安裝。 |
35kV/10kV/6kV 微機保護裝置 | AM6-*AM5SE-* | 適用于6-35kv配電線路、主變、配電變壓器、電動機、電容器、PT監(jiān)測/PT并列、母聯(lián)/備自投等中高壓柜微機保護 |
35kV/10kV/6kV 弧光保護 | ARB5-M | 主控單元，可接20路弧光信號或4個擴展單元，配置弧光保護（8組）、失靈保護（4組）、TA斷線監(jiān)測（4組）、11個跳閘出口； |
ARB5-E | 擴展單元，多可以插接6塊擴展插件，每個擴展插件可以采集5路弧光信號： | |
ARB5-S | 弧光探頭，可安裝于中壓開關柜的母線室、斷路器室或電纜室，也可于低壓柜?；」馓筋^的檢測范圍為180°，半徑0.5m的扇形區(qū)域； | |
35kV/10kV/6kV 進線柜電能質量 在線監(jiān)測 | APView500 | 相電壓電流＋零序電壓零序電流，電壓電流不平衡度，有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波，諧波（電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子）、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)及定時錄波，波形實時顯示及故障波形查看，PQDIF格式文件存儲，內存32G，16D0＋22D1，通訊2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太網(wǎng)接口（＋1維護網(wǎng)口）＋1USB接口支持U盤讀取數(shù)據(jù)，支持61850協(xié)議。 |
35kV/100kV/6kV 高壓柜智能操控、 節(jié)點測溫 | ASD500 | 5寸大液晶彩屏動態(tài)顯示一次模擬圖及彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫溫度控制及顯示、遠方/就地、分合閘、儲能旋鈕預分預合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應、柜內照明控制、1路以太網(wǎng)、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓柜內電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4～20mA輸出； |
35kV/10kV/6kV 間隔電參量測量 | APM830 | 三相（1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序電流In，四象限電能，實時及需量，本月和上月值，電流、電壓不平衡度，66種報警類型及外部事件（SOE）各16條事件記錄，支持SD卡擴展記錄，2-63次諧波，2D1＋2D0，RS485/Modbus，LCD顯示； |
0.4KV低壓進線柜多功能電力儀表 | AEM96 | 三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統(tǒng)計，正反向無功電能統(tǒng)計；2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）；電流規(guī)格3×1.5(6)A，有功電能精度0.5S級,無功電能精度2級；工作溫度：-10℃～+55℃；相對濕度：≤95不結露 |
0.4KV低壓出線柜多功能電力儀表 | AEM72 | 三相電參量U、1、P、Q、S、PF、F測量，總正反向有功電能統(tǒng)計，正反向無功電能統(tǒng)計；2-31次分次諧波及總諧波含量分析、低壓出線分相諧波及基波電參量（電壓、電流、功率）；電流規(guī)格3x1.5(6)A,有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級 |
6結束語
該文提出了一種變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對變電站運行環(huán)境及各機電設備指針儀表數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控有效提高了智能變電站的運維管理保證其安全平穩(wěn)有效運行有效解決了當前變電站監(jiān)控系統(tǒng)尚不完善各部功能復用、難以交互且基本運維仍需人工干預等問題實現(xiàn)了無人值守。
參考文獻
［1］宋孟華,王澤,姜潛基,孫慧芳,變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
［2］胡斌，孫振，鐵永魁等.變電站輔助設備智能監(jiān)控系統(tǒng)[Ｊ].電工技術2021(07):110-113.
［3］姜拴雷，程維明，陳凱等.基于ＬｏＲａ和ＡＲＭ的電機實時溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[Ｊ].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2021,59(03):93-97
［4］安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)應用手冊.2022.05版.
