基于物联网的继电保护设备状态监测与远程维护

陈嘉薇

（国网镇江供电公司，江苏 镇江 212000）

0 引 言

在电力系统自动化技术不断发展完善的背景下，具有在线监测和远程维护功能的继电保护设备管理平台受到行业广泛关注。如今，大量无人值守变电站投入使用，其采用集控站的控制模式，实现调控一体化。继电保护设备是确保电力系统安全平稳运行的重要设施。加强继电保护设备的监测和运维管理，可及时了解继电保护设备的运行状况（如参数标准、性能状态等），分析继电保护设备的隐藏故障或未来可能发生的故障，做到事前分析、事中控制以及事后总结的全过程管理。借助物联网技术打造继电保护设备状态监测与远程维护相结合的系统平台（以下简称继电保护设备状态监测维护系统），加强一次设备、二次设备以及物联网设备的多方联动，切实保障继电保护设备的安全、稳定运行。

1 基于物联网的继电保护设备状态监测与远程维护系统设计

1.1 整体框架设计

在现有继电保护系统的基础上，集成传感器、状态监测器以及数字采集单元等，增设光缆用于各设备间的信息传输，引用智能操作箱实现远程维护。基于此，设计继电保护设备的闭环在线监测框架，并对原有的继电保护设备系统进行升级。

整个系统分为3个层级：一是站控层（控制中心），主要由监控主机和监控从机组成，显示其他层级的采集信息，具备查询、设备调控、下达指令、在线检测以及在线维修等功能；二是间隔层，安装各种物联网的测控装置，包括传感器、状态监测器等部件，主要负责采集继电保护设备和线路信息，并将其传递给可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和控制中心；三是过程层，主要包括各类智能终端和二次设备，通过控制中心下达操控指令实现开入开出，保护电力系统的运行安全[1]。

1.2 功能分析

1.2.1 就地采集模拟量

利用传感器和状态监测器开展数据信息采集工作，其中状态监测器主要负责监测设备运行情况，传感器负责监测设备运行环境质量。采集继电保护设备运行的电流、电压以及环境温度、湿度等数据，将采集的数据传输给数据转化器。数据转化器将其统一转化为PLC系统可识别的数据，并将转化完毕的数据传输给PLC系统进行分析。继电保护设备与控制中心借助通信接口实现信息实时传递。控制中心能自动生成监测信息报告，并将其存储到数据库，作为后续继电保护设备开展运维的数据依据。

1.2.2 整合处理信息

PLC系统主要用于数据信息的整合处理，通过国际电工委员会（International Electro technical Commission，IEC）协议与监测设备连接，整合分析采集的信息。数据转换器可以同步转换监测设备采集的数据信息，为PLC信息的处理分析提供支撑。此外，整合处理信息有助于分析网络故障，记录故障信息（电流、电压等信息）和日常运行信息。通过对信息的整合处理，即可实现继电保护设备的统一操作、统一管控[2]。

1.2.3 检测评估状态

控制中心的监控主机和从机均采用高分辨率的发光二极管（Light Emitting Diode，LED）显示器，配备可视化软件。PLC系统对采集的数据信息进行处理分析后，将评估结果传递给控制中心，并在主机上显示信息数据。状态监测器和视频传感器可以将经过PLC处理后的保护元件状态信息呈现在显示屏上，包括各项参数的运行曲线和状态图等，实现信息的实时监测和评估[3]。在发现故障或潜在故障时，借助报警系统发出警报，并将故障信息通过显示器进行显示。管理人员通过显示器即可直观看到设备故障，及时进行远程维护。如果是设备自身发生故障（如短路、断路等），系统会自动开启保护装置。

1.3 二次系统状态评估

1.3.1 二次系统数据信息

通过传感器即可全方位采集电流、电压、有功以及无功等数据信息，并在显示器上直接呈现。采集的信息通过PLC系统进行处理分析，判定二次系统是否存在错误运行或故障运行。此外，系统会自动对采集的数据进行细化处理与存储，实现全过程监测。通过在各项数据分析时设定权重值，减少数据采集和数据处理分析对整个系统造成的压力。权重值越高，数据分析的优先级越大。具备高优先级的是电能效应、供电传输，保障对继电保护设备的不间断监测。

1.3.2 结合数据判定系统状态

为第一时间发现存在故障的继电保护设备，还要设定继电保护设备的运行参数阈值，即运行数据的上下限。通过对比继电保护设备的实际运行数据和系统设定阈值，一旦设备运行数据超出设定阈值，会自动启动保护装置实现自我防护，并通过PLC系统分析产生数据波动的原因，将分析结果传递给控制中心。工作人员根据系统所提供的信息，可以选择线上运维或现场运维。

1.3.3 故障状态运维

当系统检测到继电保护设备存在运行故障时，PLC系统会自动分析产生故障的原因，并将信息传递给控制中心。控制中心在控制台通过远程操控进行运维。如果是开关误动，通过控制台即可让开关恢复到正常状态；如果是继电保护设备损坏，则无法线上解决，可以通过控制台指挥现场工作人员排除故障。PLC故障分析采用内部分析和外部分析相结合的方法，例如传感器检测到设备局部发热严重或运行环境湿度过大时，可以根据所提供的分析结果采取针对性检查，找出问题根源。借助处理分析结果还可以进一步分析继电保护设备的相关部件是否正常，若部件损坏，应及时更换[4]。如果二次系统突发警报（如被雷电击中），系统会自动开启保护装置、切断系统电源，或者通过操控台进行提示。技术人员根据提示及时赶到现场维修，实现人工切断。除此之外，系统可以监测线路故障。若继电保护设备的线路出现故障，检测系统会直接向报警系统和配电网络系统发送故障信息，同时尝试自动排解线路故障，将结果上传到控制中心。如果没有解决，再进行人工远程维护。如果依然无法解决，则安排技术人员现场排除故障。

2 基于物联网技术的继电保护设备状态监测与远程维护系统功能模块设计

2.1 继电保护设备状态监测维护

从继电保护设备状态监测维护角度来看，保证信息数据的及时性和实时性尤为重要。借助5G无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）和全球定位系统（Global Positioning System，GPS）识别继电保护设备的身份，实现精准定位。5G无线射频识别技术可以收集整理二次系统运行的各项信息，实现对二次系统运行的全过程在线监测。借助物联网设备可以对信息进行快速的采集、传输、整理以及存储，为技术人员制定运维计划提供数据支持[5]。

在继电保护设备状态监测维护系统中应用物联网技术，实现数据的实时采集、处理及分析，可以更有针对性地开展远程维护工作。同时，现场设备的检修效率有所提升，降低了技术人员的工作量，使其可以有更多的精力去研究如何优化继电保护设备状态监测维护系统，形成良性循环。可见，物联网技术的应用除了能够实现继电保护设备的在线状态监测与远程维护，还能有效降低人工成本，提高电力企业经营效益。

2.2 功能模块设计

在继电保护设备状态监测维护系统基础上应用物联网技术，进一步完善系统功能，实现移动监控、设备定位以及身份识别功能。

2.2.1 移动终端监测模块

移动终端监测模块是整个继电保护设备状态监测维护系统的核心模块之一，在保证在线状态监测的效率、准确性以及时效等方面起着重要作用。由于系统增加了无线网络模块，信息的采集、处理（预处理）以及传输均可在传感器和状态监测器中完成。数据采集可以通过无线网络直接传输到手机App，从手机界面上即可看到继电保护设备的运行数据[6]。系统将采集的数据录入数据库，通过计算机主机或手机App在数据库中搜索指定的数据信息。借助PLC可实现数据的实时分析、传递，同时生成相应的信息数据报告，并将报告呈现在显示页面，存入数据库。

2.2.2 地理位置定位模块

在继电保护设备状态监测维护运行中，为确保维护工作能够及时展开，需要确定和校对继电保护设备的位置。利用GPS将设备位置通过无线网传递给主机或手机，一旦继电保护设备出现突发状况，技术人员可第一时间到现场检修[7]。同时，地理位置定位模块可在区域地图中显示继电保护设备的分布情况，用于判定继电保护设备布局的合理性，为后续电力系统的改建提供信息支撑。

2.2.3 设备身份识别模块

依托设备身份识别模块，继电保护设备状态监测维护系统可以快速判定哪个设备出现故障。整个二次系统中，每个继电保护设备均设有唯一的身份识别码和身份识别标签。实际操作中，技术人员将设备标签传输给监测模块，使用5G无线射频识别技术即可获取检测设备的基础信息，包括地理位置、运行参数、环境参数以及维修历史数据等[8]。与此同时，继电保护设备的身份可以按照用户需求更改，通过计算机控制中心或手机App登录继电保护设备状态监测维护系统，在设备监测模块的设置界面更改设备编码或名称，有效提高设备查找效率。

3 结 论

为保障电气系统的安全运行，基于物联网技术设计一种继电保护设备状态监测维护系统，实现继电保护设备信息的实时监测，并具备相应的远程维护和操控功能。除此之外，增设移动监测、地理位置定位以及设备身份识别等模块，有效提升继电保护设备状态监测维护系统的性能。