基于无人值守变电站设备远程监控的低能耗智能控制研究

刘景祥

摘要：针对目前在城市内建设的变电站全面趋向全封闭无人值守变电站的具体情况提出了低能耗设备远程监控的设计，该设计将物联网技术和信息化处理落实到生产应用中，实现了低功耗的设备远程监控。

关键词：无人值守变电站；图形识别；低功耗广域物联网；设备远程监控

中图分类号：TM421 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）12-0012-02

随着社会经济的快速发展，电力供应日趋紧张，电力负荷不断创新高，大力发展电网建设，保障电力供应的安全性和可靠性是电力人的使命。然而，电力输送网络的建设却陷入了两难的困境：一方面，社会经济的快速发展，亟待加快电网建设；另一方面，部分公众对电力设施，尤其是对变电站心存疑虑，担心电磁辐射和变电站的安全会对身体健康和周边环境造成不良影响，阻挠变电站和相关设施的建设。为解除公众疑虑，目前供电部门在城市内建设的变电站全面趋向全封闭无人值守室内变电站。该类变电站本身工频辐射能量非常小，加上封闭环境（钢筋混凝土构筑物、围墙等及树林屏蔽）的作用，其辐射可以忽略不计。

无人值守全封闭变电站的日常运维管理，视频监控主要负责电站的安全监视，而电站设备的巡视主要还是依托人力[1]。设备检查、检修维护、故障处理均需人工完成。目前一些传感技术引入对电站环境与设备的监控中，取得不错的效果。由于设备原因，电站内依然有众多的关键计量表计无法采集，如GIS压力表、泄露电流表等等，这些都是巡视的重要项目。这些表计分散在各个设备间隔中，全封闭室内电站通常情况下是关闭照明的。如何采集数据实现无人值守变电站低能耗设备远程监控值得进一步研究。

1 理论依据

电力设备远程监控是典型的物联网应用[2-3]，物联网希望通过通信技术将人与物，物与物进行连接，实现数据的联接[4]。在区域网通信场景常常采用短距离通信技术，我们所熟知的技术包括LAN和PAN技术，比如：蓝牙、WiFi和Zigbee。尤其是低功耗蓝牙，在一些对覆盖范围要求不是很高的地方诞生大量的应用案例，比如在家庭和办公室。而在工业领域，尤其是封闭的无人值守型，如无人值守的变电站，内部工作的是电力设备，存在着复杂的电磁场环境；虽然占地面积有限，但按不同的功能间隔进行房间划分，是一个非连续空旷的空间。目前的短距离通信技术，工作在2.4Ghz的公共频段，绕射穿透能力弱，公共频段易受到外界环境的干扰，在复杂的工业场景中效果不佳。而我们常见的无线通信技术，全球电信运营商已经构建了覆盖全球的移动蜂窝网络，这些2G、3G、4G等蜂窝网络虽然覆盖距离广，但基于移动蜂窝通信技术的物联网设备有功耗大、成本高等劣势。当初设计移动蜂窝通信技术主要是用于人与人的通信。根据权威的分析报告，当前全球真正承载在移动蜂窝网络上的物与物的连接仅占连接总数的6%。如此低的比重，主要原因在于当前移动蜂窝网络的承载能力不足以支撑物与物的连接。

为满足越来越多物联网设备的连接需求，LPWAN（low-power Wide-Area Network，低功耗广域网）应运而生，LPWAN 专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计。LPWAN可分为两类：一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。在变电站等工业使用场景下，LPWAN还需要解决信号穿透的问题，可以部署在低频段的通信技术更具有优势；工业领域使用物联网，对安全性和可靠性更加看重，如果通过运营商进行部署，数据传输经过不受自己控制的环节增加，对安全性和可靠性带来一定的影响。两大LPWAN主流技术NB-IoT和LoRa的对比，如表1所示。

从成本、功耗、距离和安全这几个最基本核心因素进行考量，这两个技术都能满足物联网的需求。在工业场景角度出发，LoRa技术更适合独立组网，满足企业物联网应用的需要。未来还会有更先进的无线技术涌现，但沿着LPWAN道路是工业物联网的主方向，具体到电力设备物联监控系统可以根据客户个性需求选择具体的LPWAN技术。

2 实践依据

工业领域的数据采集，特别是非电子化计量设备（如各类表计），采集的关键在于数字化识别。工业计量设备（如表计）的数字化识别，在目前阶段主要有图像识别和光电转换两种方向。光电转换可靠性和准确性更高，但涉及部分的硬件改造匹配，推广难度高，此外，更改设备硬件结构，在安全要求较高的行业，需要重新认证测试，周期漫长并没有带来实际的效益变化，该做法基本被搁置。图像识别取决于图像分辨率和智能识别算法，随着图像采集产品的技术提升、小型化改进及性价比的提升，图像识别已成为表计数字识别的主流[5-6]。

目前市面上图像识别基本采用前端图像采集后台识别的思路，将采样图像回传到后台进行大计算量的处理，而图像回传需要采用高带宽的通信技术，这种方案在实际应用时存在着一些无法回避的问题，如能在前端对图像采样进行直接识别，那么回传的数据量就会很小，结合最新的LPWAN物联网技术，就可以真正实现全方位的工业物联。

3 无人值守封闭环境的低能耗智能控制

前端图像识别在全封闭型电站环境的场景中如何实施，值得探讨和研究。所有的图像识别都是通过采样后进行图像的识别，在采样过程中分辨精度非常重要，需要保证充分的照明，通常的做法是在图像采样装置上安装闪光灯模块，现在很多使用的是LED光源，省电可靠，这种方案需要保证装置的良好供电条件。露天普通电站，表计图像识别装置可以安装小型化太阳能充电装置补充电力，但在封闭型电站是无法满足的，进行供电改造有较高的安全要求，同时也带来一定的安全隐患，而采用电池电源显然无法满足闪光灯模块的长期工作。

针对无人值守的封闭型电站的计量数据识别，可以使用照明分離的图像采集方案，简单来讲，在该场景下表计图像识别装置不带闪光灯或关闭闪光灯，当需要进行对计量表计进行数据采集时，提前启动该区域的室内灯光设施，负责提供照明，保证图像采样的光线条件。当数据采集结束后，室内灯光设施关闭节约电能。在具体实施过程中，可以将原来的灯光设施安装一个物联控制器，由这个物联控制器控制灯光设施的开启和闭合。电力设备物联监控系统，可以管理每个物联控制器所负责的表计图像识别装置，获取表计图像识别装置的采集周期，提前进行照明保障，当数据正常采集后由后台系统控制灯光关闭。当出现数据告警时（接近门限等），根据约定的新周期进行照明保障。如图1所示，按照设备间隔为最小单元，将该区域内计量数据识别装置和照明物联控制器作为一个区域表计识别装置，照明物联控制器与原有的设备间隔区的照明线路相联，控制照明开关。endprint

封闭型变电站，通过上面的照明分离联动控制方案，在无人值守状态下对表计等进行图像采样识别，借用原有照明设计，该区域部署的计量图像识别装置无需单独配置闪光灯，这种装置能耗低，可以使用电池供电，满足长期采集的需求。没有供电改造，部署快捷方便。区域照明可以通过接受远程指令，实现全网低能耗物联的监控。

4 结语

针对无人值守变电站的具体场景提出了低能耗设备远程监控的设计。其中计量识别过程需進行图像采集，图像拍摄过程对照明有着基本的要求，黑暗条件下是无法采集到有效的图像数据。无论何种照明技术，定期化频繁触发都是耗能难点，在室外条件下可以使用小型化太阳能充电装置给采集设备补充电力，无人值守型封闭电站提出了照明分离联动控制方案，对计量目标进行照明与图像采集联动控制，定期获取计量数据，运用该方法可在无人值守场景下对计量目标进行可靠识别读取。该设计将物联网技术和信息化处理落实到生产应用中，实现远程的物联监控，工区监控台可以第一时间发现设备缺陷并及时汇报、消除，确保电力系统持续、可靠、安全运行。

参考文献

[1]陶莉，朱小光，王善红.使用二维码识别的电力设备巡视系统设计[J].电气技术，2016，17（4）：119-122.

[2]陈晓捷.500 kV智能变电站无人值班技术探讨[J].电力自动化设备，2011，31（2）：149-152.

[3]鲁东海，孙纯军，王晓虎.智能变电站中在线监测系统设计[J].电力自动化设备，2011，31（1）：134-137.

[4]何方，郑浩，张永江，等.基于物联网技术的智能变电站在线监测系统的设计[J].仪表技术与传感器，2013，（12）：61-63.

[5]马承志，王宇雷，杨玺，等.用于变电站自主巡视机器人的图像传输系统研究[J].电力系统保护与控制，2014，（18）：105-109.

[6]周立辉，张永生，孙勇，等.智能变电站巡检机器人研制及应用[J].电力系统自动化，2011，35（19）：85-88.

Abstract：According to the specific situation of substation construction at present within the city's comprehensive trend of closed unmanned substation is presented the design of remote monitoring and low energy consumption equipment， the design of the networking technology and information processing to implement the production application， realize remote monitoring equipment with low power consumption.

Key words：Unattended substation； graphic recognition； low power wide area Internet of things； remote monitoring of equipmentendprint