毛姝旻

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配電站輔助控制系統(tǒng)中的應(yīng)用, 可以提高配電站運(yùn)行的智能化和自動(dòng)化水平, 優(yōu)化能源消耗和安全管理。

具體包括, 自動(dòng)化巡檢, 傳感器、監(jiān)測設(shè)備等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 可以實(shí)時(shí)監(jiān)測配電站設(shè)備狀態(tài)、電路電流電壓等信息, 對(duì)配電站運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和巡檢, 減少人工巡檢次數(shù), 縮短巡檢周期; 數(shù)據(jù)采集和分析: 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以幫助配電站對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)和分析, 以便實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制、決策支持及故障預(yù)警等; 設(shè)備管理, 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、遠(yuǎn)程操作、自動(dòng)化維保等功能, 提高設(shè)備管理的效率和準(zhǔn)確性; 智能能源管理: 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)、節(jié)能減排、能源利用率提高等目標(biāo), 優(yōu)化配電站能源管理; 安全監(jiān)控: 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)配電站的安全控制和監(jiān)控, 提高安全性和穩(wěn)定性。例如, 利用監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)配電站進(jìn)出口的車輛、人員、物品進(jìn)行監(jiān)控和管理, 預(yù)防意外事故的發(fā)生。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可以使配電站電站運(yùn)行更高效、更安全, 提高能源利用效率, 對(duì)于降低電網(wǎng)運(yùn)行成本和實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)具有重大的意義。

1 運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)研究分析

基于物聯(lián)網(wǎng)的配電站輔控系統(tǒng)是將各種設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接起來, 實(shí)現(xiàn)對(duì)于設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、控制、分析和管理, 為配電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有效的支持。具體來說, 該系統(tǒng)主要包含以下三個(gè)方面的功能: 實(shí)時(shí)監(jiān)測功能: 通過傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置實(shí)時(shí)地獲取配電站各個(gè)設(shè)備的溫度、濕度、電流等各種數(shù)據(jù), 并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析。一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)異常, 系統(tǒng)便能夠及時(shí)地發(fā)送警報(bào)提醒管理人員, 以便及時(shí)地進(jìn)行處理和維修。遠(yuǎn)程控制功能: 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 該系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程控制配電站的各種設(shè)備, 包括變壓器、開關(guān)設(shè)備等, 通過遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)對(duì)于設(shè)備的開關(guān)、告警、診斷等操作, 從而確保設(shè)備的正常運(yùn)行。數(shù)據(jù)分析功能: 基于大數(shù)據(jù)技術(shù), 該系統(tǒng)可以對(duì)配電站的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和建模, 以便對(duì)未來的設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行預(yù)測和評(píng)估。通過數(shù)據(jù)分析, 系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中存在的問題和隱患, 提高配電站的設(shè)備可靠性和穩(wěn)定性。

目前, 配電站輔助設(shè)施雖然大多采用傳感器技術(shù), 但各設(shè)備之間相互獨(dú)立, 缺乏智能交互功能, 形成大量孤立的信息孤島。因此, 配電站需要人工處理這些設(shè)備信息, 不能滿足智能化配電站智能化運(yùn)行管理的要求[1-2]。智能配電站的保護(hù)和控制系統(tǒng)必須迅速響應(yīng), 并提供更多的操作員安全[3-5]。為了滿足智能化配電站輔助設(shè)施的功能要求, 利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),構(gòu)建了一個(gè)實(shí)時(shí)識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控及相應(yīng)設(shè)備的配電站輔助控制系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電站生產(chǎn)輔助系統(tǒng)的監(jiān)控。配電站輔助設(shè)施作為保證配電站安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施, 其監(jiān)控工作至關(guān)重要, 其自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)成為實(shí)現(xiàn)配電站無人值守不可或缺的組成部分?，F(xiàn)有的配電站輔助設(shè)施存在問題, 需要改進(jìn)的地方如表1 所示。為了解決上述問題, 滿足更高層次的功能要求, 本文建立了一個(gè)統(tǒng)一的輔助控制平臺(tái), 集成了系統(tǒng)的所有輔助功能。因此, 遠(yuǎn)程人員可以通過輔助系統(tǒng)的綜合信息對(duì)配電站進(jìn)行全面控制。

表1 變電站輔助設(shè)施存在的問題分析

2 架構(gòu)分析

2.1 輔助控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能配電站輔助控制系統(tǒng)以智能配電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ), 主要分為站控層、間隔層、感知層、應(yīng)用層。整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)配電站系統(tǒng)架構(gòu)

各層作用如下:

1) 站控層: 站控層是物聯(lián)網(wǎng)中最高層次的部分,它負(fù)責(zé)處理和管理在過程層和間隔層中采集的大量數(shù)據(jù)。因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量極大, 因此站控層的分?jǐn)?shù)據(jù)通過協(xié)議傳輸?shù)皆贫撕推渌O(shè)備。析軟件可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和挖掘, 提供有用的信息和洞見, 以支持業(yè)務(wù)、生產(chǎn)等的決策制定。站控層還可以提供遠(yuǎn)程控制、故障診斷和管理功能, 幫助企業(yè)監(jiān)測和維護(hù)設(shè)備的運(yùn)行狀況。

2) 間隔層: 間隔層將傳感器、執(zhí)行器等物理設(shè)備連接起來, 將它們連接到云端和其他應(yīng)用程序。在間隔層中, 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)被設(shè)立, 從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的相互通信和協(xié)議轉(zhuǎn)換。在這個(gè)層次上, 設(shè)備可以進(jìn)行自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集和傳輸。

3) 感知層: 它負(fù)責(zé)采集、傳輸、處理和存儲(chǔ)物理世界中的各種信息, 將這些信息轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的數(shù)據(jù), 為上層的應(yīng)用和服務(wù)層提供決策和控制支持。感知層包括傳感器、執(zhí)行器、嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備等組件。

4) 應(yīng)用層: 過程層是物聯(lián)網(wǎng)中最基本的層次,它包括物理設(shè)備、傳感器、執(zhí)行器等實(shí)際生產(chǎn)和業(yè)務(wù)過程中使用的設(shè)備和組件。在過程層中, 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以采集數(shù)據(jù)、執(zhí)行指令、監(jiān)測環(huán)境等功能, 并將這些數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行處理和傳輸。

2.2 子系統(tǒng)功能

本文提出的智能配電站輔助控制系統(tǒng)可分為五個(gè)子系統(tǒng): 視頻監(jiān)控、安全系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)優(yōu)化控制。功能架構(gòu)如圖2 所示。在下面的段落中, 我們將介紹五個(gè)子系統(tǒng)的功能, 并描述如何整合整個(gè)系統(tǒng)。

圖2 功能架構(gòu)圖

首先, 視頻監(jiān)控系統(tǒng)是保障配電站安全的重要手段之一。這一系統(tǒng)主要由監(jiān)控?cái)z像機(jī)、視頻錄像及播放設(shè)備、監(jiān)控軟件等組成。通過視頻監(jiān)控系統(tǒng), 可以實(shí)時(shí)監(jiān)控配電站內(nèi)發(fā)生的相關(guān)現(xiàn)象和運(yùn)行狀態(tài), 既可以對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行快速響應(yīng)和處理, 也可以對(duì)配電站運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析, 為運(yùn)行安全提供可靠的依據(jù)。其次, 安全系統(tǒng)是保障配電站運(yùn)行安全的重要保障。安全系統(tǒng)主要由火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、滲漏報(bào)警系統(tǒng)、氣體泄漏報(bào)警系統(tǒng)、人員定位監(jiān)控系統(tǒng)等等構(gòu)成。安全系統(tǒng)可以時(shí)刻監(jiān)測配電站運(yùn)行環(huán)境, 實(shí)現(xiàn)全方位、無死角的監(jiān)控。一旦出現(xiàn)異常情況, 系統(tǒng)便能及時(shí)發(fā)出警報(bào), 迅速給予相關(guān)搶救處理, 保障配電站的運(yùn)行安全。第三, 配電站照明系統(tǒng)是保障工作效率的重要保障。照明系統(tǒng)可以使配電站的操作人員在夜間或低光照條件下安全高效的完成工作。照明系統(tǒng)主要由LED 照明燈、光敏傳感器等構(gòu)成, 可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和節(jié)能減排。第四, 供電系統(tǒng)是支持配電站生產(chǎn)運(yùn)行的重要保障。供電系統(tǒng)主要由主變、備用變、配電柜、配電站調(diào)度管理系統(tǒng)等構(gòu)成, 可實(shí)現(xiàn)電力分配、調(diào)節(jié)和保障, 確保配電站全面供電。最后, 配電站最優(yōu)控制子系統(tǒng)則是保證配電站運(yùn)行高效穩(wěn)定的重要手段。這一子系統(tǒng)主要利用信息化技術(shù), 對(duì)配電站各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化控制, 實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定、高效經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)。

由于配電站基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量龐大, 需要對(duì)系統(tǒng)集成進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃。通過以下步驟將各個(gè)子系統(tǒng)整合成一個(gè)完整系統(tǒng)。a) 規(guī)劃系統(tǒng)結(jié)構(gòu): 制定整合方案, 并確定每個(gè)系統(tǒng)的功能及其在整合中所起的作用; b) 實(shí)施系統(tǒng)集成: 對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行集成, 確保它們能夠互相交流, 并整合到一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)中; c) 數(shù)字化管理: 將各系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為可以數(shù)字化管理的形式, 以方便監(jiān)控和控制; d) 開發(fā)聯(lián)動(dòng)策略: 建立各子系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)策略, 即在某些情況下, 當(dāng)某個(gè)子系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí), 其他子系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行響應(yīng)以保證配電站的穩(wěn)定運(yùn)行; e) 實(shí)施監(jiān)控與管理: 利用統(tǒng)一平臺(tái)對(duì)整合后的系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控與管理, 能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、預(yù)測及優(yōu)化, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)配電站整體的精細(xì)管理。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)配電站輔助控制系統(tǒng)運(yùn)行的精細(xì)化管理和運(yùn)營效率的最大化。系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)集成圖

3 實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 系統(tǒng)可靠性測試與無線網(wǎng)絡(luò)測試

配電站設(shè)備適當(dāng)?shù)慕拥胤绞娇梢砸种聘蓴_。本文選擇單點(diǎn)接地方式。傳感器信號(hào)頻率在10MHz 左右,提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

每個(gè)集成電路的電源和接地之間都安裝了一個(gè)去耦電容。去耦電容有兩個(gè)功能: 濾波作用: 在電路中去除高頻噪聲信號(hào)。去耦電容連接到電路中的直流信號(hào)線和交流信號(hào)線之間, 可以濾除直流信號(hào), 只留下交流信號(hào), 達(dá)到濾波的目的。耦合作用: 在電路中連接兩個(gè)級(jí)別之間, 傳遞信號(hào)。例如, 放大器中的輸入信號(hào)需要傳遞到輸出級(jí)別, 去藕電容將直流偏置波分離, 傳遞信號(hào), 達(dá)到耦合的目的。計(jì)算結(jié)果表示如下:

式中,PR為接收靈敏度,Pmin為接收端在一定的預(yù)定誤碼率下接收到的信號(hào)的最小平均功率。圖4 顯示了接收端接收靈敏度與露天測試傳輸距離之間的關(guān)系, 圖5 顯示了高壓測試下接收靈敏度與傳輸距離之間的關(guān)系。

圖4 室外測試結(jié)果

圖5 高壓條件下測試

從上圖分析得, 如果距離增加, 則驗(yàn)收功率降低, 驗(yàn)收靈敏度也隨之降低。同時(shí), 經(jīng)過測試驗(yàn)證分析, 接收靈敏度與通信距離的關(guān)系曲線類似。當(dāng)通訊距離相同時(shí), 由于設(shè)備和電磁干擾的阻礙, 室內(nèi)空間接收到的功率低于露天空間接收到的功率。

3.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗測試

使用專業(yè)儀表測試節(jié)點(diǎn)在活動(dòng)和休眠期間的能量消耗。結(jié)果如表2 所示。將采樣周期設(shè)置為1s, 即每1 秒收集一次數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行周期為300ms, 占空比為30% (300ms/kms), 節(jié)點(diǎn)電壓變化包括在圖6 所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)電壓

表2 節(jié)點(diǎn)能耗

測試參數(shù)加快模擬和便于監(jiān)測節(jié)點(diǎn)上的電壓變化, 實(shí)際應(yīng)用價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于測試參數(shù)。節(jié)點(diǎn)由兩個(gè)堿性電池供電, 電量為3000mA 時(shí)。根據(jù)實(shí)際電流消耗計(jì)算, 節(jié)點(diǎn)可以連續(xù)工作115h, 與測試結(jié)果一致。這些節(jié)點(diǎn)甚至可以在睡眠期間工作更長的時(shí)間。因此, IEC61850 適用于變電站環(huán)境, 實(shí)際測試可以為網(wǎng)絡(luò)方案的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

4 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能變電站輔助控制系統(tǒng), 利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立傳感器測控網(wǎng)絡(luò), 通過統(tǒng)一的通信協(xié)議IEC61850, 實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)變電站獨(dú)立的輔助系統(tǒng): 視頻監(jiān)控子系統(tǒng), 安全子系統(tǒng)等優(yōu)化控制子系統(tǒng)的集成。建立統(tǒng)一的智能變電站智能輔助控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)輔助子系統(tǒng)功能集成、信息共享、信息傳輸、結(jié)構(gòu)簡化的有效方法。并對(duì)系統(tǒng)可靠性及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗進(jìn)行了實(shí)驗(yàn), 效果良好, 具有較高的靈敏度和抗感擾性, 可以在實(shí)際環(huán)境運(yùn)行, 為配電站提供了智能化解決方案。