基于物联网技术的远程可视化智能变电站运行维护实施方案研究

羊大海

（国网宜兴市供电公司， 江苏 无锡 214200）

0 引言

在我国经济快速发展的背后，电力企业的发展也得到了相应的提升。自改革开放之后，电力工业的发展速度大幅度加快，已经逐渐建设形成一套相对完善的电力系统，为群众的基础的生活和工作提供了更多的保障。尤其是在一些大型变电站供配电线路的建设过程中，对其运行维护工作开展提出了更高的要求及标准。随着网络技术的不断发展和应用，中国已经逐渐步入了“智联型”智能物联网（AIOT）的时代，而物联网技术则是其中一个重要的组成部分。物联网技术是当前信息技术的核心，它在通信系统、物联体系中起到了十分关键的作用。把物联网技术运用到智能变电站运维管理系统中，利用编码技术、射频识别技术、RFID、传感器技术等来实现对二次设备台账信息等数据的智能采集，为智能变电站系统的运行维护与管理打下坚实的数据基础，同时也能为变电站各项数据处理工作的开展提供一定的指导[1]。因此，分析物联网技术中远程可视化智能变电站运行维护实施方案的重难点，综合变电站运行维护的实际需求制定出针对性的对策有助于提升整体工作的效率与质量，提升运行维护的高效性。

1 变电站运行维护工作的现状分析

变电所是一种以电压变换、功率交换、电能集中、分配为主要功能的变电所。变电站内设备一般包括了一次设备、二次设备及其他辅助设备。随着计算机及通信技术的发展，变电站内出现了在线监测、图像监控识别、巡检机器人、智能控制等智能化设备。通过对其设备的实际分布情况可以看出主要有以下几个方面的设备组成：

1）平台级（供电部门）都配备有调度自动化系统、五防系统、安全通信系统、在线监视系统、机器人巡视系统、视频监视系统、辅助监视系统、主站等。

2）子站层（站端聚合），因站点而异，如自动化子站、远动机、五防子站等，在安全I 区的所有变电站都有设置；而在安全Ⅱ区中，大多数配置在220 kV 及以上的变电站中，使用的是故障录波组网子站和综合处理单元（用于汇集在线监测数据）；在安全Ⅲ区中，硬盘录像机基本上已经覆盖了全部的变电站，但是一些站点却没有足够的能力来进行巡检，机器人巡检的主要范围是220 kV 及以上的站点，辅控系统的配置比较分散，没有能够在站端对信息流进行集中管理。

3）在设备层面上，I 区的保护装置、测控装置和五防钥匙都是通用的，但是为了实现智能化，安装刀闸压力传感器和刀闸姿态传感器的比例却很小。安全Ⅱ区、Ⅲ区的故障录波装置、油色谱等在线监测终端、辅助监控各类终端等是为智能巡检、智能安全而配置的设备，配置率也不高。同时，还对供电公司安全Ⅱ区的在线监控、安全Ⅲ区可视化和辅助控制等方面的情况进行了调研[2]。表1 的研究结果表明，随着电力系统向智能化方向发展，电力系统中的智能终端将越来越多。

表1 智能物联网终端的覆盖率调查结果

当前，我国变电站在实际运行的过程中，现代化和智能化理念的提出给变电站建设工作的开展提出了更多的要求，变电站在进行各项运行维护工作的过程中需要利用现代化的智能设备、技术以及手段等对运行维护工作的开展进行操控。但是综合分析智能变电站在实际运行过程中对于设备的部署还存在以下问题：

1）设备分布分散、安装分散，没有统一规划。

2）通信和控制信道无连接，他们为单独设置，每个应用系统都是单独操作的。

3）各个信息系统之间不存在相关关系，缺少智能的推理和联系的能力。

4）在运行中的设备很难得到及时的报警、实时的预报和监控，造成了设备的安全隐患，降低了运行效率。

5）未考虑实际和密集的改造和建设统筹，造成了智能终端设备的工作环境不稳定，造成了大量的传输信道资源的浪费。为更好地解决上述存在的问题，本研究将从物联网技术的角度出发，将物联网技术以及数据融合技术应用于远程可视化智能变电站运行维护实施工作当中，帮助改善传统变电站运行存在的问题，提升其整体运行维护工作的效率与质量。

2 基于物联网技术的远程可视化智能变电站运行维护实施思路

本实施方案采用智能电能表和传感器，将组合变电站的工作参数和环境参数收集到智能数据采集终端，再通过GPRS 和无线传输，将数据传送到工业云服务器，并采用云计算技术，对操作数据进行存储和处理。其实施架构如图1 所示。

图1 远程可视化智能变电站运维实施架构

2.1 数据采集层

数据采集层采取的是分布式采集方式，可以动态地展开采集工作。通过安装传感器和智能电能表，并在视频图像采集位置安装相应的摄像机，与配电设备的管理和视频监控相结合，实现可变运行参数的同时，还可以利用主机、虚拟器、存储器和网络等软件，构建出“有线+无线”数据采集平台，最终达到对变电站电力数据全覆盖水平。智能仪表板上的数据以ModBus 协议为基础，以无线通讯的方式将各输变电装置上的数据，传送至智能化数据采集终端[3]。

2.2 数据处理层

数据处理层在实际运行的过程中通过在数据传输终端将所有的数据信息应用于其中，能够将最终采集获得的数据直接以传输的方式传输到指定的云处理中心当中，并将其存储在云数据库中，以便后续的查找和处理。

2.3 数据应用层

在数据应用层面本研究重点研究了基于工业云的变电所综合管理系统的实现。在综合变电所采集到的数据经过分析、处理后能够很好地为组合式变电所提供状态监测服务。同时，它还具有实时监控、运行统计分析、故障预警、实时视频监控等多种功能，满足了用户的需求。

本研究提出的远程可视化智能变电站运行维护实施方案不仅可以实现高效的在线运行、运维以及监督，还可以有效减少各人力资源的投入。

3 远程可视化智能变电站运维平台设计

将智能化的安全管控融入到变电站的整体工作过程中，用安全辅助手段对传统的管控方式进行调整和变革，用智能化的计划代替传统的管控方式。为了实现远程可视化智能变电站运行管理的智能化，就必须要对变电站进行动态监控，在此基础上本文设计了远程可视化智能变电站运维平台。在线分析与处理是大数据分析的重要手段，它可以使多维度的数据共享与在线化。将大数据分析技术与变电站状态数据监控平台相结合，可以方便地实现对变电站状态数据的存储与分析。

融合大数据分析技术的变电站监测平台结构，具体的变电站运维平台设计如图2 所示。

图2 变电站运维平台设计

根据存储中数据维表与事实表之间的映射方式的差异，在在线分析过程中使用了分布式ROLAP 服务。当变电设备被大数据分析时，分布式ROLAP 服务中的Hive 会进行在线分析，而其变电设备数据则会被存储在Hive 存储表的目录中。将元数据存储在关系型数据库MySQL 中，Hive 与MySQL 合作，分别控制其内部数据，共同完成对变电站数据的处理和分析[4]。在具体的应用中，使用者按照自己的需要，向使用者发出数据解析要求，并按照要求查阅数据库中元数据和对应表格中所包含的相关信息。在具体的应用过程中使用者按照自己的需要，向使用者发出数据解析要求，并按照要求查阅数据库中元数据和对应表格中所包含的相关信息。监控系统的数据以SCD 文档的形式传送到工作站。工作站能够采集到变电所辅助系统中的温度、湿度、风速、开关三相值、SF6、油温、变压器液位、绕组温度等数据。同时，该工作站还可作为变电所内部系统的扩充使用。

4 实验数据分析

4.1 实验环境与数据样本的选择

在实验中使用的是64 位的Windows 10，Visual Studio 2017 和OpenCY3.0。电脑的硬体环境是中央处理器；主频率2.58 GHz，16 GB；利用Matlab 软件建立了该系统的仿真模型。本研究以江苏南瑞电网公司下属的某变电站为研究对象，利用该数据库对2019 年某变电站的运行状况进行了分析，得到了10 856 个数据项。

4.2 物联网技术的实验数据分析

与传统通讯方式相比，物联网技术最大的优点是持续时间长。因此，本研究选择的标签芯片为英频杰MonzaX-2k，该芯片可以通过二代UHF 物联网的阅读器与电子器件中的处理器实现无线通讯。基于英频杰MonzaX-2k 将物联网技术中的三种工作模式分别为休眠模式、接收数据模式、发送数据模式，并利用数字万用表对数据包传输在不同周期中的损耗进行了测试，测试结果见表2。

表2 物联网技术通信模块损耗测试数据

分析表2 数据结果可以看出，远程可视化智能变电站在1 min 内发送一个数据传输包，通讯模组的能量消耗很大，但是能维持很久。在1 h、1 d 的情况下物联网通信模块的能耗很低，可持续使用5~10 a。通过实验结果证明了本方案设计的物联网技术通信性能具有功耗较低，可用时间久的优势[5]。

5 结语

本研究介绍了一种基于远程可视化智能变电站综合调度与等级化运维优化的方法。该系统通过建立一个统一的平台，实现了运维所需要的数据采集、监测分析和运维管理的综合功能，并将物联网技术数据通信部分应用到其中从而提升了传感器或电能表采集的各项数据的传输效率。利用大数据分析技术中的分布式ROLAP 服务，利用数据模型进行在线分析处理，确保了数据采样的完整性，可以实现对变电站运维监测数据的更加精确化。