基于物联网的变电站智能辅助系统应用研究

引言

为提高电网企业的管理水平，国家电网公司提出了集约化发展、精益化管理的目标，调控一体化便是其中的有效措施之一。调控一体化运行管理模式是对变电运行管理的创新，也符合国家电网公司建设坚强智能电网的目标。

变电站是坚强智能电网建设中实现能源转换和控制的核心平台之一，也是衔接智能电网发电、输电、变电、配电、用电和调度六大环节的关键。智能辅助系统是变电站智能化的重要体现，也是智能变电站必要的组成部分。目前大多数变电站的辅助系统相互独立，有的甚至有多套子系统，各个系统存在着数据来源不一、智能化程度不高、功能单一等问题,为调控一体化的实现带来很大阻碍。因此，需要建立一套智能辅助系统来优化内部资源，完成各变电站信息数据的集成统一，实现对区域内变电站实时、全面监控，从而有效提升电网运行管控水平、可靠性和应急处置能力。

1调控一体化

为适应智能电网的发展，实现调度智能化，国家电网公司推行“大运行”模式，要求整合公司调度运行与设备运行相关业务，调整调度体系功能结构，变革组织架构、创新管理方式、优化业务流程，建立各级输变电设备运行集中监控与电网调度业务高度融合的一体化调度控制体系，实现国调、分调运行业务一体化运作。

目前，国内外主要存在三种调度运行管理模式:第一是传统模式，即按变电站分站监控和操作变电站，有人24h值班；第二是集控中心模式，就是按区域设置监控和操作的集控中心，每个集控中心管理一定范围内的变电站，集控中心24h有人值班，变电站无人值班；第三是操作队+调控中心模式，该模式每个地区级调度建立一个调控中心，按照作业半径分设若干操作队，每个调控中心24h有人值班，一个调控中心可以监控整个地区的变电站。通过对比，可以发现操作队+调控中心的调控一体化运行模式明显优于前两种模式,实际调度运行中，也在逐步向第三种模式转变。

2变电站智能辅助系统

变电站智能辅助系统应考虑将图像监视系统、安全警卫系统、火灾报警系统、门禁系统、照明控制以及动力环境监控系统的配置和功能进行整合优化，同时通过各系统之间的广泛联动，实现系统功能共享，提升各子系统性能，为变电站的运行、检修、信息化提供重要的辅助支撑。

针对变电站智能辅助系统的应用，国内企业和科研单位进行了大量的研究和探索。近年来，随着物联网技术的发展和应用，智能变电站迅速崛起。物联网是指通过部署具有一定感知、计算、执行和通信等能力的各种设备，获得物理世界的信息或对物理世界的物体进行控制，通过网络实现信息的传输、协同和处理，从而实现人与物通信、物与物通信的网络。

目前，物联网技术在国内变电站中已经得到实际应用，如部分变电站已经使用的设备在线温度监测系统、巡检系统、辅助控制与监测系统冏、运行环境监测系统等。上述应用虽然很好地解决了运行中的实际问题，但都是在单一变电站中使用，而且系统只关注变电站中的局部设备，不具备全面监测、深度互连、智能对话的功能,系统的智能化有待于进一步加强。国外将物联网技术应用于变电站单一辅助系统的技术比较成熟，比如德国、美国等国家很早就采用计算机与终端的传感器或者信号采集器相连，实现对设备实时监控、故障远程传输和火灾自动报警，但是将各变电站辅助系统建立在统一平台上的应用较少。

本文以物联网技术为基础，设计了一种部署在调控中心、管控多个变电站的智能辅助系统，并实现PMS、综合自动化系统中信息的接入。

3系统建设方案

系统遵循《国网输变电工程通用设计110〜750kV智能变电站部分》中关于智能辅助系统的设计要求，采用物联网技术，通过对外界的感知，构建传感器测控网络，在传感测控网络基础上建立智能辅助系统，实现多站综合管理、智能监测、智能报警、自动巡检、资产管理功能。以下分别从总体架构、数据架构、技术架构、硬件架构四个方面来阐述建设方案。

3.1系统总体架构

系统总体架构遵循电力物联网架构，由感知层、网络层和应用层组成，如图1所示。

感知层主要实现变电站设备、环境信息的采集、识别和汇集，主要由传感器、RFID标签及读写设备、监测装置、综合接入网关组成。其中，传感器感知被测量物体并将获取到的信息按统一信息模型传输；RFID标签以一个全局唯一编号标识变电站设备资产；监测装置自动采集和处理传感器采集的状态数据，并与汇聚控制器进行信息交换；综合接入网关接收解析各汇聚控制器的信息，使之符合IEC61850规则。

网络层主要依靠电力通信网，将综合接入网关、视频设备、综自系统中的数据传送到应用层的处理程序。

应用层通过网络层接收底层感知设备采集的监测数据，基于原始数据进行数据分析处理和存储，并实现可视化展示。通过外部系统接口接入PMS和综自系统中的信息，为用户提供统一服务。

3.2系统数据架构

多站化管理是调控一体化背景下变电站智能辅助系统需要解决的核心问题。各变电站数据如何存储和处理在很大程度上会影响系统性能。系统将各变电站数据采集后保存在调控中心数据库各自对应的Schema中，系统数据库除保存各变电站采集数据的Schema外，还有一个缺省的Schema用于存放用户权限、角色、菜单、多站对比、报警等公共数据。这样设计便于系统自由调整管控变电站的数量。系统数据架构如图2所示。

3.3系统硬件架构

系统硬件主要包括采集站端信息的各类传感器、采集视频信息的摄像头、存储视频信息的NVR、用于数据规约转换的综合接入网关、保障综合自动化系统信息安全的隔离网闸、过滤综合自动化系统信息的数据处理服务器、用于设备接入和网络互连的交换机以及工作在调控中心的各类应用服务器。系统硬件架构如图3所示。

3.4系统技术架构

系统底层采集设备根据各自特性分别采用有线和无线的方式统一接入，综合接入网关基于C++语言进行开发，实现数据和通信规范化。底层数据和应用层服务之间依靠电力信息通信网进行交互，遵循TCP/IP协议。应用层采用B/S架构实现，基于J2EE平台进行开发，综合使用Spring、Struts框架、JDBC数据库连接、数据挖掘、Ajax、JS等技术来构建系统。系统技术架构如图4所示。

4系统功能

本系统功能主要包括多站综合管理、实时监控、自动巡检、资产管理、报警信息和系统管理等。图5所示是其系统功能架构图。

4.1多站综合管理

多站综合管理功能是指在区域地图上显示调控中心管辖的所有变电站的相对地理位置和站内设备状态信息，并用不同的标志来区分各变电站内设备总体状态信息。若某变电站内有设备报警，贝M红色闪烁图标在区位地图上标注。通过用户触发区位地图上各变电站所在的位置，进入监测和调控该变电站的详细页面。

4.2实时监控

实时监控主要分为动力监控、环境监控和安防监控三个部分，实现对变电站内主要设备和环境的全部覆盖。

动力监控主要实现对各变电站内一次设备的监控，是对感知层各终端获取数据的综合展现，包括变压器温度监测、站用电电压电流监测、直流系统电压电流监测、电容器温度监测、蓄电池电压电流监测、配电室屏柜温湿度监测、工器具状态监测、柜门开关状态监测等。系统实时展示各监测值，根据预先设定的阈值，自动判断是否报警；根据系统的联动配置，在报警的时候可以联动附近的摄像头进行录像。各时间点的实时数据会自动存储在历史记录表中，以曲线、报表的形式展示给用户，方便用户查询和分析。

环境监控主要实现对各变电站内环境指标的监控。主要包括站内各房间的温湿度监测、GIS室SF6气体浓度监测、电缆层水浸监测、站内微气象监测、噪声风速监测和远端开/关站内房间灯光和空调等功能。系统实时展现各监测值，对异常信息进行告警，并提供给用户查询历史记录的功能。

安防监控主要包括变电站人员出入监控、电子围栏监控、消防监控和视频监控。系统根据工作人员工牌记录进出变电站的人员信息，实时记录电子围栏和消防的报警信息，并实现远端控制的功能。系统为各个变电站提供全面视频监控的功能，通过云台界面可以调整视频的角度和大小。

4.3自动巡检

利用三维可视化技术，对各变电站内部的功能区域按照预先设定的巡检路径对该路径内的设备进行自动巡检，登录用户可以直观地看到系统巡检的详细过程。自动巡检结束后,系统可出具相应的巡检报告。可以为运行人员提供一种方便快捷、科学先进的巡视手段，及时发现异常和缺陷。

4.4报警信息

报警信息功能是对系统所监控的变电站中所有设备报警信息的综合展示，报警信息主页面分为报警信息列表和历史信息查询两部分。系统提供给用户查看和单个或批量处理报警信息的功能，便于用户快速查看和处理，给系统用户提供决策依据。

4.5资产管理

资产管理包括生产设备管理和辅助设备管理，资产数据来源于PMS系统所提供的接口和本系统新增的辅助设备。系统以列表的方式展示资产信息，主要信息包括设备类型、设备名称、设备编码等，并为用户提供查询、增加、删除、修改功能。

4.6系统管理

系统管理为登录用户提供系统全面设置和资源分配的功能，包括变电站配置、用户管理、权限管理、角色管理、资源管理、日志管理、设备管理、报警配置、联动配置等子功能。

4.7功能对比

该系统与其他辅助系统的功能对比如表1所列。

表1调控一体化下智能辅助系统和常规辅助系统对比

5结语

调控一体化背景下的变电站智能辅助系统是变电站智能化的有力支撑。系统利用物联网技术，解决了多站数据统一、多站一体化管理等问题，实现了多站实时监控、智能报警、自动巡检等功能，为调控一体化管理模式的推行提供了实际参考。系统已经通过中国电科院相关资质检测，检测结果表明本系统立足工程实际，在满足变电站通信规约前提下，实现了预期的功能，架构先进、安全性好、可靠性高、兼容性强、管控变电站数量灵活。

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