基于无线通信网络的无人值守变电站远程监控方法

郑 磊 王 楠 陈 俊 廖 海 陈 茜

（贵州电网有限责任公司遵义供电局）

0 引言

电力供应是现代社会运行的基础，对电力供应的可靠性和连续性要求越来越高。随着自动化技术的不断进步和应用，传统的人工操作和监控方式逐渐不能满足对变电站稳定运行和安全性要求的需求。无人值守变电站远程监控方法的研究可以实现对变电站设备的远程控制和监测，从而减少人力投入、提高操作的安全性和效率［1］。因此，寻求一种能够实现远程监控和管理的方法成为了必要。通过远程监控，运维人员可以随时随地对变电站设备进行实时监测和管理，减少了对现场巡视的依赖，提高了运维工作的效率。可以及时发现和处理设备故障、异常情况，提前采取相应的维护措施，避免或减少停电和损失。为此，诸多学者对该方法进行了研究，如：位刚利用PLC和无线网络对变电站远程监控系统进行设计［2］。王志磊等人通过泛在电力物联网研究变电站消防远程集中监控系统［3］。但是上述方法在进远程监控时，监控数据需要通过长距离的有线网络或专用通信线路传输，这可能导致数据传输延迟和不稳定性，进而影响变电站监控的监控性能。

随着无线通信技术的不断发展，无线网络的传输速度逐渐提高。现代无线通信网络如4G、5G等提供了高速的数据传输，可以满足大规模数据的实时传输需求。且无线通信网络覆盖范围广泛，可以实现较大范围的通信和数据传输。为此，本文研究基于无线通信网络的无人值守变电站远程监控方法。

1 无人值守变电站远程监控方法设计

1.1 基于无线通信网络的变电站远程监控采集

无线通信网络是一种通过无线传输技术使设备和系统能够进行无线数据交换和通信的网络。无线通信网络覆盖类型可以分为区域覆盖、点覆盖和带状覆盖三种类型。对于无人值守变电站远程监控，无线通信网络的覆盖类型中较为适用的是区域覆盖。区域覆盖是指在一定范围内建立一个无线通信网络，覆盖整个区域的通信需求［4］。具体如下图1所示。

图1 区域覆盖结构

通过在无人值守变电站范围内布置无线通信基站或设备，可以实现对各个设备的实时数据传输和远程控制。上图中的正四边形布局可以实现全方位的覆盖，所带来的覆盖效率值最大。以便运维人员远程监控变电站的设备状态、故障报警以及实施必要的操作［5］。

覆盖程度是指所有通信节点能够构成的覆盖区域面积大小与待覆盖区域面积大小的比例大小，能够反映网络覆盖的覆盖质量好坏，通常这个比值是小于1的，在待覆盖区域被通信节点完全覆盖后，比值等于或大于1。小于1说明待覆盖区域未被完全覆盖，大于1说明覆盖区域存在网络冗余，即有节点被通信节点多重覆盖。表达式为：

式中，Si表示第i个通信节点的覆盖范围，N表示通信节点个数，A表示目标区域的面积。

所有的通信节点对待覆盖区域的覆盖区域的面积与所有的通信节点自身的覆盖面积累加之和两者之间的比值，为覆盖效率。可以反映整个网络的冗余程度以及覆盖效果。表达式为：

在无人值守变电站监控中，混合感知模型可以通过融合不同类型的传感器和数据源，获取多方面的信息。无人值守变电站监控需要综合考虑设备状态、异常行为、环境变化等多个因素，而不同类型的传感器可以提供各自特定的信息。混合感知模型可以将这些变电站监控数据信息进行整合收集，可以提高无人值守变电站监控的可靠性。

混合感知模型是将概率感知模型与布尔感知模型进行结合，将概率感知模型进行简化处理，设定一个概率边界，未达到概率边界最小值时，使用0-1模型，超过概率边界值时，依然使用概率感知模型，这种混合感知模型，在遵循感知能力随距离增加而减弱的真实情况时，也将模型进行了简化。混合感知模型的数学模型如下所示：

式中，Pth是概率最小边界取值，R是感知半径的等价值，当目标点到通信节点的距离小于R时，有pi(sj)≥Pth，在此情况下，则认为通信节点可直接感知到目标点。

基于上述内容实现基于无线通信网络的变电站远程监控模型构建，完成变电站监控数据信息的收集。

1.2 变电站远程监控

根据上述混合感知模型收集到的变电站监控数据信息，进行变电站远程监控。将收集到的数据进行格式转换：

公式中，Xt表示监控数据规范格式；Xi表示收集到的变电站监控数据信息，其中i的取值为i=1，2，…，t，t表示监控时刻。将上述格式数据作为监控系统的输出结果，进行远程监控。

通过大数据分类算法对转换后的变电站数据进行分类，按照数据特征明确变电站运行状态属于正常数据，还是异常数据。按照数据集中正常数据和异常数据的比例，在近邻值中选择多个数据与最初选取的正常数据进行对比，从而完成数据归类，归类公式δ为：

式中，k表示近邻值，rand表示随机函数。将上述分类算法作为监控预警模型的核心，通过对分类结果的拟合计算，提升预警数据的准确性，从而完成监控预警模型的整体设计。具体监控流程如下图2所示。

图2 监控流程

基于上述内容完成无人值守变电站监控研究。

2 实验分析

2.1 实验指标

变电站远程监控数据传输完整性是指在数据传输过程中数据的保持完整、准确和无丢失的程度。完整性的高低直接影响到监控数据的可信度和有效性。表达式：

式中，S表示传输成功的数据量，T表示总数据传输量。传输成功率越高，说明数据传输的完整性越好。

变电站远程监控的准确性是指监控系统对变电站设备状态和运行情况的判断和预测的准确程度。准确性的高低直接影响到监控系统的可信度和实际应用效果。表达式：

式中，TP表示正确判断为异常的监控结果，TN表示正确判断为正常的监控结果，FP表示错误判断为异常的监控结果，FN表示错误判断为正常的监控结果。

2.2 实验结果

以无线通信网络数据传输完整性为实验指标进行对比测试，测试结果如表1所示。

表1 变电站远程监控数据传输完整性

分析表1可知，随着远程监控数据量的增加，所提方法的远程监控数据传输完整度由97%下降到93%，但始终高于90%。文献［2］方法的远程监控数据传输完整度最高仅为89，%且随着远程监控数据量的增加而进一步下降，最低时仅为82%。文献［3］方法较文献［2］方法的完整性更差，最高仅为79%。由此说明所提方法的远程监控数据传输性能较优。这时由于本文采用区域覆盖类型的无线通信网络，可以在待覆盖区域内建立多个通信节点，并使它们相互连接。每个通信节点都能够监测和收集变电站的监控数据。

在对无线通信网络数据传输完整性测试的基础上，进一步验证远程监控的准确性测试，测试结果如图3所示。

图3 变电站远程监控的准确性

分析图3可知，所提方法随着迭代次数的增加，监控的准确性的变化始终被控制在92%~97%范围内。文献［2］方法监控的准确性被控制在73%~87%范围内，文献［3］方法监控的准确性被控制在77%~83%范围内，说明提出方法具有较好的监控性能。

3 结束语

人值守变电站远程监控方法的研究可以实现对变电站设备的远程控制和监测，从而减少人力投入、提高操作的安全性和效率。对此，本文提出了一种基于无线通信网络的无人值守变电站远程监控方法。实验结果表明，所提方法的远程监控数据传输完整度始终高于90%，监控的准确性始终被控制在92%~97%范围内，表明所提方法能够有效促进变电站的智能化管理和运维效率的提升。