一种基于物联网技术的智能变电站监控系统

摘 要：当前智能变电站的总体结构分为“三层”（站控层、间隔层、过程层）和“两网”（站控层网络、过程层网络）。其中，间隔层采用了高精细度的数据采集和分析方法，充分应用现代信息技术，使得变电站的运检效率大幅提升，即将步入第三代智能变电站时代。文中设计了一种基于物联网技术的智能变电站总体监控方案。首先对变电站总体结构进行了详细描述，然后通过梳理物联网相关技术，充分挖掘物联网技术对于智能变电站的作用，在智能变电站中设计温湿度测控系统、SF6气体测控系统、智能监控系统3个子系统，对智能变电站的各类数据进行实时监控。该系统实现了变电站的一体化监控、可视化总体展示、故障诊断及预警等多项功能，为当前的新型智能变电站建设提供了参考。

关键词：智能变电站；传感器技术；网络结构；传输节点；报文分析；无线传输

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2025）01-00-04

0 引 言

电力系统中，变电站是不可或缺的关键部分，其承担着电能的调节、转换以及重新分配和调度的重要任务，对整个电力系统的安全稳定运行和经济效益提升有着极为重要的作用。智能变电站作为新型电力系统的重要组成部分，在传统数字化变电站的基础上，充分利用了信息技术的优势，进行了一系列技术革新。随着能源形态的不断演进，智能变电站持续融合新技术，在网络架构、信息传输、设备功能以及应用模式等方面实现了进一步的升级与迭代。

近年来，随着信息技术的不断发展，智能变电站在原有功能基础上，采用了先进的传感技术，对设备状态参量、消防安全、环境条件及动力系统等进行全面而细致的采集。通过深度应用现代信息技术，形成了状态全面感知、信息互联共享、人机友好交互、设备诊断高度智能、运检效率大幅提升的智慧变电站，也就是第三代智能变电站[1]。这些智慧变电站应用物联网技术深入感知外部世界，构建起无线传感器检测网络，实现对变电站设备运行状态的全方位实时监测。当前，越来越多的学者开始对智能变电站进行深入的研究和探索，文献[2]提出了一种基于物联网的智能变电站模块化设计方案；文献[3]介绍了一种针对变电站不同位置节点的物联网数据采集运维管理系统；文献[4]提出了一种采用物联网网络传输协议对智能变电站数据进行传输与分析的方法；文献[5-7]则探讨了智能变电站二次系统通信链路的优化以及故障定位系统的实现方法，为智能变电站的稳定运行提供了技术支持。

1 智能变电站概念

智能变电站的“三层两网”结构的核心在于“三层”结构，包括过程层、间隔层、站控层，如图1所示。

过程层设备包括了电压/电流互感器、合并单元、智能终端等与一次设备相关联的设备，用于实现变电站二次设备模拟量采样、开关量输入和输出、操作命令的发送和执行等相关功能。

间隔层设备包括了线组保护装置、母线保护装置、安控装置、PMU、故障录波装置、保护设备在线监视与诊断装置、网络报文记录与分析装置等。间隔层设备处于过程层与站控层之间，收集对应间隔过程层设备发送的实时数据信息，通过网络传输给站控层设备，同时接收站控层设备发送的指令，实现实时运行数据和操作命令的上传下达。

站控层设备包括监控主机、五防主机、PMU集中器、网络安全监测装置、保新子站、电能量采集终端、辅助网关、综合应用服务器、操作员站、工程师工作站和计划管理终端。站控层设备提供变电站设备运行的人机交互界面，完成对间隔层和过程层设备数据的统计、分析和管理，实现对全站设备的监视、控制、预警，并实现与上级调度中心的信息交互。

站控层网络包括站控层中心交换机和间隔交换机，全部通过光纤连接成物理网络，从而实现站控层设备和间隔层设备之间的信息交互。其中，站控层中心交换机连接数据通信网关机、监控主机、综合应用服务器、数据服务器等设备，间隔交换机连接间隔内的保护、测控和其他智能电子设备。站控层网络集成了MMS、GOOSE、SNTP等多种数据传输协议，这些协议在同一网络上并行运行，共同实现了全站数据传输的数字化、网络化和共享化。

2 物联网相关技术

当前变电站的建设与物联网技术的多个方面紧密相关，智能变电站作为物联网技术与云平台深度融合的创新成果，充分利用各类数据信息实现变电站的智能运维管理，推动了变电站向智能化、集成化和标准化方向发展，并借助多维信息对站内二次系统的状态进行全面评估。智能变电站能够实现变电站的一体化监控、可视化总体展示、故障诊断及预警等多项功能。

2.1 感知技术

变电站感知层由多种传感器装置和各种网络组成，通过各种传感器对底层边缘端数据进行感知记录，完成信息的采集、测量、控制等，主要包括电能质量传感器、电流电压互感器、线路温度传感器、环境温湿度传感器、光强传感器以及各种无线传感器。传感器工作原理如图2所示。通过测量敏感元件的属性数据，采用固定的方式进行信号的转换，再通过网络节点将数据输送到各个对应的子系统中，对各种数据进行感知、识别和捕捉，传感器收集的数据信息经过汇总后，进行综合的分析与运用，以便及时发现设备中的潜在隐患和故障。基于这些分析结果，可以安排相应的维护和检查措施，从而确保变电站的安全稳定运行[8-9]。

2.2 传输技术

传输技术主要通过构建数据节点来执行无线传感器的数据采集、传送和处理等工作，通过网关设备与外网连接，将无线传感器监测到的数据发送给用户终端上，进而实现远程控制和管理。无线自组网结构如图3所示，主要包括以下4类节点：

（1）传感器节点在物联网技术中承担着数据采集的职责，其在各个监测区域被随机部署，这些节点能够主动配合形成一个分布式的网络系统，节点之间能够交换数据，并且最终将数据发送给汇聚节点。

（2）汇聚节点在物联网中的作用主要包含2个方面：一方面是将传感器节点传送的数据用有线的方式传输记录在电脑终端；另一方面是将传感器节点发送来的数据通过无线的方式先发送给网关节点，然后通过网关节点发送给管理节点。

（3）网关节点是物联网的控制中心，具备数据通信、处理和存储的能力，但不具备传感器节点的数据采集能力。网关节点采用无线通信的方式，接收来自监测区域汇聚节点传输的数据，再通过有线或无线通信的方式将数据发送至外部网络的用户管理节点。

（4）管理节点也就是物联网管理者使用的计算机终端或大型服务器。管理者通过管理节点接收来自网关节点或管理节点直接上传的数据信息，及时对反馈数据信息进行高效监测、处理和汇总，并实时下发监测任务。

2.3 处理技术

智能变电站主要对获取到的信息流报文进行分析，特别是在发生故障时，会对这些报文进行详细的解析处理等，以确定通信链路故障类型。智能变电站中，负责测量和控制业务的报文主要包括GOOSE报文、SV报文和MMS报文。在当前的信息化网络架构下，智能变电站的自动化体系将信息流作为载体。其中，SV信息流主要包括电压、电流的采样值等，GOOSE信息流主要包括站内的闭锁跳闸以及保护自检信息等，MMS信息流是站内继电保护定值修改的依据[10]。

3 基于物联网技术的智能变电站监测系统

变电站的智能监测系统是指由硬件和软件组件组成的监测控制生态系统。智能测控系统以各种不同功能的传感器终端为监测单元，以低功耗无线传输为信息交换方式，整合了环境参数监测、自动报警、智能处理、视频监控、目标识别等功能，充分满足了主观的设计需求和客观的测控需要，能够实现变配电站的智能化和自动化。

3.1 总体方案设计

系统的硬件和软件整体结构分别如图4和图5所示。

本文设计的变电站运行环境智能监测系统的基本结构包括3个子测控系统，分别为温湿度测控系统、SF6气体测控系统、智能监控系统，功能是对温度、湿度、SF6气体体积分数、水浸等参数进行监测并及时上报。设计目的是为了实时掌握变电站和配电房内的主要环境参数，并且与执行单元实现联动操作。各子系统可以有效地对各种环境参数进行采集，再通过数据汇聚节点进行汇总并上传到控制中心，确保控制中心实时准确地掌握变配电站运行环境的情况。如果环境参数发生异常，智能监测系统可以在没有人为干预的前提下进行自动报警和智能处理。在数据通信方面，采用基于LoRa的低功耗无线传输模块，实现数据汇聚节点和传感器终端间的数据交换。控制中心也可以通过数据汇聚节点下载程序到底层的传感器终端，实现远程更新传感器终端软件程序，或者下发指令到执行单元，实现对执行单元的控制。

智能变电站的管理主机主要负责查收各个子系统设备的情况报告，一旦子系统的设备发生异常，主机会根据异常报告进行处理；站内主控机是整个系统的中心，对各子系统的运行数据进行管理，并评估设备的运行状态，发现异常后启动相应的应急方案；各子系统是根据物联网技术所生成的子系统，可以感知设备的运行情况，汇聚数据，并执行站内主机的命令。

3.2 子系统模块

3.2.1 温湿度测控系统

变电站运行环境中湿度是非常重要的环境参数，当室内的湿度过高时，常常会发生凝露现象。凝露现象是在某一相对密闭的空间中，环境空气湿度较大，当水蒸气达到饱和状态或者环境温度到达露点温度时，水蒸气液化形成露水。凝露产生的露水会在电力设备的表面与灰尘作用，降低设备的绝缘性能，从而导致爬电、短路现象发生。电力设备如果长期处于这种高湿度的环境中，会损害机械结构强度，缩短使用寿命。因此需要在变电站、配电房的各个位置设置温湿度传感器，监测环境参数并上传数据，同时需要记录历史温湿度数据，形成可视化的数据曲线，方便工作人员随时查询分析。当检测温度值和湿度值不在设定的阈值区间时，系统会及时发出越限警报并且自动与执行单元联动，使环境参数回归正常值。该系统在一定程度上降低了运维人员的工作强度，工作人员也可以有针对性地进行问题排查和检修工作。

3.2.2 SF6气体测控系统

SF6气体是在电力行业广泛使用的一种惰性保护气体，是理想的绝缘保护介质。SF6气体在常温常压下，其物理特性稳定，没有颜色和气味，密度较大，即使在450 ℃的高温条件下也不会分解。其主要物理特性如下：

（1）灭弧效果理想。在交流电弧放电燃弧时，SF6可以以极快的速度转变为绝缘体。一方面是因为SF6作为惰性气体自身具有超强稳定性，所以不易分解；另一方面是因为SF6具有强负电性，气体中的负电子与电弧的正电子互相抵消，从而导致电弧的电子数量快速降低，达到快速灭弧的目的。

（2）易于导热。SF6气体的热传导和对流散热性能强，可以有效地把电弧的能量传导出去，避免设备发生火灾。

SF6气体传感器主要被部署在充满SF6气体的GIS电力设备中。变电站将变压器、电缆等重要的电力设备置于密封管道并充盈SF6气体，主要目的是为了减少局部放电现象。但是SF6气体存在泄漏的风险，并且这种气体对人体具有一定的危害，在配电室等密闭空间中的危害尤为严重。SF6气体体积分数较高的情况下会导致人体呼吸困难，甚至窒息死亡。除此之外，SF6气体对生态环境也有一定的潜在危害，容易导致“温室效应”。因此，需要对GIS电力设备中的SF6气体体积分数进行监测，实时掌握空气中SF6气体体积分数。当监测到SF6气体体积分数超过设定的阈值时，测控系统进行越限报警，并且自动启动排风机进行换气动作，降低空气中SF6气体体积分数。同时，工程人员可以立即排查漏气点并采取补救措施，将危害降到最低[11]。

根据以上分析，在本设计中引入了SF6气体测控系统，通过SF6气体传感器来检测空气中SF6气体的体积分数，根据现实需求设定气体体积分数的阈值，当SF6气体体积分数超过阈值时，测控系统可自动发出警报，提醒工作人员采取措施。测控系统还可以与排风机进行智能化联动，当SF6气体体积分数超过阈值时，测控系统可以自动启动排风机；或者在每日固定的时间，智能测控系统自动开启排风动作，比如在工作人员早晨工作之前进行15 min的换气通风；也可以定时向工作人员播报空气中的SF6气体体积分数。

3.2.3 图像监控与安全警卫

随着计算机CPU处理速度的加快，数据的传输和存储方式也变得更加先进，智能监控技术逐渐成为变电站安防体系中必要的一环。变配电站内出于施工或者设备检修的需要，有大量人员进出。传统的监控系统中需要依靠人工进行监控、分析，智能化程度和工作效率低下。而引入智能监控系统后，通过计算机搭载的人工智能算法自动抓取、分析、识别、记录、比对目标图像，大大节约了人力成本，提高了工作效率。因此智能监控系统在变配电站工作人员的生物识别认证和人身安全保障方面起到了很大的作用，间接地维护了变电站的运行环境平稳。

本文设计的智能监控系统主要由图像采集模块、数据传输模块、数据存储模块组成，能够通过高清摄像头采集目标图像，利用无线模块传输图像数据，再由服务器处理图像数据，分析数据特征并上传至数据库。智能监控系统的框图如图6所示。

4 结 语

本文设计智能变电站监测系统将物联网技术运用到变电站监测的各个方面，通过完善各方面的数据采集管理子系统，实现了智能变电站的全方位数据监测。本文的研究能够为当前的新型智能变电站建设提供一定的参考。

参考文献

[1] 刘清泉. 智能变电站二次系统建模与运维测试技术[M].北京：中国电力出版社， 2023.

[2] 袁伟. 一种基于物联网技术的变电站智能监控系统设计[J]. 粘接，2022，49（10）：185-189.

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[11] 杨贵，吕航，彭安，等．智能变电站过程层网络流量分析及网络优化研究[J]. 计算机技术与自动化，2021，40（2）：176-183.