变电站环境安全监控系统设计研究

张朝阳

（上海大学，上海 200444）

0 引 言

由于变电站设备的特殊性，外界环境因素对其影响较大。例如，环境过于潮湿或者温度过高，均会引发设备受损问题，导致变电站存在安全隐患。因此，变电站需要全面监控环境，切实减少外界因素的干扰。现阶段，环境监测手段主要通过传感器进行监测，一旦环境出现异常，传感器能够将数据传输到系统中实现预警，然后通过人工操作调节有关设备，从而减少环境因素的干扰。从上述监测流程来看，人工判断和操作不可或缺，系统本身的自动化程度也尚需提升。近年来科学技术与信息化技术的不断发展，各种新兴科技在电力行业得到了广泛应用，为智能化的环境监控需求提供了有效支持。因此，深入探讨智能化变电站环境安全监控系统设计方案，对保障变电站安全具有重要作用[1，2]。

1 变电站环境安全监控系统现状分析

随着我国社会与经济的持续发展，各个领域对电力的需求不断增长，电力系统规模也在不断增大，使得系统变得愈发复杂，对系统稳定性和安全性的要求也越来越高。变电站环境安全监控系统现阶段的研究仍旧局限于传感器，且在监控过程中仍需要依赖人工操作，使得整个过程较为烦琐和复杂，且效率不高，对事故判断和问题决策还缺乏有效的智能化系统支持。相较于传统环境监控方案，本研究提出的方案能够实现智能环境监测的目标，完全摆脱了传统方案对人力资源的依赖[3-6]。

2 变电站环境安全监控系统设计的总体思路

本文阐述智能化环境监控系统设计方案，涉及控制、环境调节、环境监测以及服务器架构等多个模块。从核心模块来看，环境监测主要是利用传感器动态分析环境因素并传输相关的监测数据。服务器负责全面的数据处理，根据环境数据发送对应的控制要求，相应的模块能够根据控制要求进行动态优化调整，最终根据环境变化进行自动化调整。环境监测模块不仅需要储存环境监测数据，还需要分析数据，判断是否存在异常数据。无线传感器网络需要全面覆盖各个汇聚节点和传感器节点，通过传感器进行有关数据的采集，然后利用网络进行汇总和传输[7]。

3 变电站环境安全监控系统设计结构

3.1 安全监控系统设计的模块

变电站环境安全监控系统架构如图1所示。通过环境监测模块1监测环境数据，并将数据传输到服务器2，然后通过分析下达对应的控制指令到达控制模块4。环境调节模块3根据控制模块提供的数据实施调节处理。环境调节模块3主要包含空调、除湿设施以及排水设施。其中，空调主要控制温度，除湿设施主要应对潮湿环境，抽水设施主要处理积水。系统处理流程能够实现全程自动化处理，在面对异常信息的情况下，能够根据服务器的判断指令进行针对性的调节，具有较高的智能化水平。

图1 变电站环境安全监控系统架构

如图2所示，服务器2主要由存储服务器10和处理器20构成。在进行数据存储的同时，服务器能够分析数据并下达对应的指令。

图2 系统服务器架构

3.2 基于分簇的传感器模式

提前选择若干传感器节点用作簇头。处在网络初始化情况下，对应簇头分别向各个节点传输信息，而各个节点则通过信息明确最近的簇头位置并加入簇。如果最近距离小于提前预设的阈值，则能够直接与簇头建立通信，若相反，则各个节点能够选择其他节点建立中继节点[8]。簇头能够全面记录构建通信连接的环境信息资料，同时根据对应信息实施动态异常分析。如果分析结果对应的传感器处于异常状态，则可以自动屏蔽。

基于分簇的传感器模式可以有效提升传感器在传输进程中的效率，同时大幅降低能耗。基于簇头的有效应用，将整个监控地区划分为若干个子区域，对应的簇头选择最小区域中具有最大选择权的节点。对于选择权的计算如下：

式中，Qia指i区域中各个节点a的权值，ma指节点a范畴中的节点数量，Ni指i区域中的节点数量，D（a,Oa）指节点a距离中心点Oa的实际距离，Dmax指节点距离汇聚节点的最大值，Dmin指节点距离汇聚节点的最低值；k主要指该区域的数目，q1和q2指提前设置的权重。

为保障系统监控的合理性，本研究设计了簇头选择机制，通过子区域的网格划分处理，对应的簇头选择最小区域中具有最大选择权的节点。应用上述机制提升了各个簇头分布的均匀性，使得簇头可以尽可能覆盖对应区域的节点。此外，任何簇头之间能够保持相同的距离，最终实现整体降低能耗的目标，减少了环境监测的时间。

3.3 区域中继点

将节点通信中的其余节点作为邻居节点，各个节点朝着对应簇中的邻居节点发送信息，以此获取第一请求信息对应的延迟，并在此基础上选择延时最低的节点作为中继点。传感器节点主要是根据提前设计好的周期，定期朝着中继点传输第二请求信息，以此获取第二请求信息对应的延迟。这个信息中还包含现阶段节点对应的剩余能量。根据节点的传输延时与现阶段剩余能量计算中继点可信度，公式如下：

式中，Pc指中继节点c的可信度，ec指中继节点c的当前剩余能量，F（ec,emin）指判断取值函数，当ec小于预设最低能量emin时，F（ec,emin）=0，当ec不小于预设最低能量emin时，F（ec,emin）=1，δc（t）为中继节点c反馈该第二请求消息的传输时延，δc（0）为中继节点c反馈该第一请求消息的传输时延，T（0,t）指中继节点c反馈该第一请求消息与反馈该第二请求消息的时间差。当Pc小于预设最低可信度Pmin时，需再次进行中继点的选择。

本研究综合参考延时实施动态选择，可以显著提升路由的建立效率，还建立了中继点监督体系，能够综合利用反馈效率和能量情况判断其对应的可信度。当可信度未能达到预期时，环境监控系统能够动态更新中继点，始终保持最佳状态。

3.4 异常判断功能

簇头能够全面记录各个节点的信息数据，同时根据时间情况对节点实施异常判断，排除存在异常数据的节点。异常判断主要涉及两点。

第一，簇头通过分析信息数据，判断对应的时间能否满足：

式中，T（u）主要指簇头现阶段第u次获取节点数据的对应时间，T（u-1）指的是簇头第u-1次获取节点数据的对应时间，T（u-2）指的是簇头第u-2次获取节点数据的对应时间，Tmax指最高间隔。

第二，如果无法满足上述情况，簇头能够计算平均值，然后将平均值与获取信息进行对比和分析。如果两者之间的差大于最初设定的阈值，可以直接判断传感器存在异常问题。

可见，簇头主要是获取各个节点对应的信息数据和时间，然后根据时间动态开展异常问题分析，可以显著提升数据的真实性。同时，研究提出的异常检测方案在各个节点实施异常检测过程中，能够系统分析各个节点的数据间隔。当间隔无法满足正常数据传输需求时，对比该节点数据与周边数据，可根据对比结果判断对应的传感器是否处于异常状态。对于已经判断为异常的节点，不再获取对应的数据，不仅能够显著提升数据收集的效率与质量，同时能够提升检测的精度，保障资源的合理利用[9]。

4 有益效果

相较于传统的监控方案，本研究所提出的方案能够实现智能化和自动化监测的目标，使得变压站始终处在动态的环境监测中，系统一旦发现异常环境信息数据，服务器可以第一时间下达对应的指令，动态调整变压器数据，不仅提升了环境监控的效率，也大幅降低了人力资源需求。

5 结 论

现阶段，我国已经进入西电东送、南北互供以及全国联网的关键阶段。电网规模的发展，使得对变电站稳定性和安全性的要求越来越高。本研究在安全科学的指导下，以强化变电站环境安全监控为研究目标，提出了一种智能化的变电站环境安全监控系统，可节约人力资源，降低控制成本。