袁 伟

(国网江苏省无锡供电公司， 江苏 无锡 214000)

电力系统安全稳定运行关系到人们的正常工作和生活，经济的快速发展让人们对电力的需求更高。互联网发展背景下，电力系统逐渐走向智能电网方向、数字化和网络化成为了必然发展趋势。智能电网需要利用先进的传感和测量技术以及信息通信技术，并与电网的基础设施相结合，形成智能电网，让自动化、信息化、环保成为智能电网发展的主要趋势，智能电网可以对电网的运行状态进行实时监控，即使在没有人工干预的情况下也可以进行系统的自我修复，可以自行发现故障并进行处理，让电网的运行效率得到大大提高。智能电网的发展意味着对安全性的要求更高，安全一直是首要关注的问题；
同时也是电力设备的关键所在。变电站作为智能电网的组成部分，不仅是基础的电力设备，更是电网的关键运行设备，在整个电力系统中起到纽带作用。变电站电力设备的安全稳定运行是保证电力安全传输的重要因素之一。物联网技术在时代的潮流下应运而生，旨在解决电力设备运行下所出现的监测问题。物联网集获取、分析、处理和反馈于一体，将物联网应用在变电站智能系统建设中，是信息时代发展的必然结果。应用物联网技术，通过物联网技术感知外部世界，构建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。

IEC 61850标准采用面相对象的建模方法，同时采用统一的SCL语言进行配置，大大提高了标准的通用性。IEC 61850标准对数据的格式和标识符都进行了重新定义。采用IEC 61850标准的变电站，具有集成度高的特点，可以将各种电力设备数据统一整理，并上传到后台，减少了数据之间的差异性；
最大的优势就是减少了人工成本、物力成本和配置简单，不需要专业的人员进行实施，提高了工程施工的效率。智能变电站采用IEC 61850标准，IED模块化设计，不同的IED之间互不干涉，单独安装保护装置更有利于对问题进行排查，大大提高了系统的稳定性。同时，更有利于故障的排查，且不需要对数据进行过多的分析，直接采用模块化进行设计，可以直接发现问题并进行替换。分层设计方式让不同的设备之间实现共享，让智能变电站的配置使用更加灵活高效。IEC 61850标准定义的3层架构如图1所示。

图1 IEC 61850的3层架构Fig.1 IEC 61850 three-tier architecture

IEC 61850标准采用面向对象的方式进行数据建模。数据模型中包含了各种类，在创建实例过程中，可以从类中生成各种数据。数据模型中的类包含公共数据类型、设置控制类等，这些类也分为逻辑节点，如果在建模的过程中无法满足逻辑节点的要求，就需要对模型进行拓展。IEC 61850标准将数据模型分为5个层次，自上而下为服务层、逻辑设备、逻辑节点、数据以及数据属性。

2.1 感知技术

感知技术分为传感器技术和RFID技术。传感器技术是物联网中感知层的重要支撑技术之一，其组成结构如图2所示。

图2 传感器组成示意图Fig.2 Schematic diagram of sensor composition

传感器种类多样，如电力系统中常用的温度传感器、湿度传感器、烟感传感器、泄露电流传感器等。通过敏感元件将测量到的物体情况，采用一定的转换规律进行信号转换，通过信息传递网络的方式，将转换的信号输送到网络的各个子系统中。

RFID技术是一种信息识别技术，通过射频信号在不接触到目标的情况下被并采集信息，在恶劣环境或者无人工干预的情况下也可以进行工作。RIFD技术由电子标签、读写器、信息处理系统3部分组成。RFID会根据能量感知方式的不同，分为电感耦合系统和电磁反向散射耦合系统2大类。电感耦合系统电子标签的组成简单，使用单个微芯片就可以工作。电感耦合中，阅读器会通过自身的天线线圈产生磁场，电子标签通过磁场的影响会产生电压U，为电感耦合中的微芯片提供能量；
电磁反向散射系统发送方式为电磁波，电磁波以回波的方式发送信号，或者以不同强度发射，或者电磁波被消散或者吸收。读写器通过发射调制载波的形式，为电子标签提供能量，从而达到提供数据的目的。读写器只会向电子标签返回的信号发射调制载波。

2.2 传输技术

传输技术分为无线自组网技术和M2M技术。无线自组网技术与传统的有线网络不同，该网络没有基础设施，自带无线收发装置节点构成的网络。以多跳路由和无控制中心为主要技术，保证网络拓扑结构的稳定性。无线自组网可以完全脱离互联网进行单独运行，针对一些网络部署成本高的环境而言，可以采用无线自组网的方式进行设计。无线自组网结构如图3所示。

图3 无线自组网结构Fig.3 Schematic diagram of wireless ad hoc network

由图3可知，无线自组网结构由6个站点组成，如果想要进行数据传输，、可以直接完成信息传输，无需通过站点进行转换；
但是和必须要通过站点才能够实现信息的交换。这是无线自组网的特殊优势，目的就是通过多次传递的方式达到信息传输的效果。

M2M技术的主要功能就是实现物体与物体之间的通信，还可以对数据进行交换。当前条件背景下，只有一些IT设备可以实现数据通信功能，其他没有IT设备的机器不具备联网功能；
因此，物联网技术需要实现机器之间的互相通信，需要用M2M技术。M2M技术包含从终端到网络，再到其他各个层面的通信，具有多种类型。在M2M中，GSM/GPRS是最主要的远距离连接技术，以802.11 b/g、Zigbee、RFID为近距离连接技术，还有GPS、无线终端等位置服务技术。M2M技术强调机器互联，可以对数据进行自动上传，无需人工干预。由于移动通信网络不需要人工布线，大大节省了成本，在危险环境下也可以满足通信需求。

2.3 处理技术

数据挖掘是一种对数据进行分析、处理的技术。从庞大的数据中找到需要的信息，并对数据进行关系整理；
数据挖掘的流程如图4所示。

图4 数据挖掘过程Fig.4 Data mining process

物联网数据与大规模、分布式、时间和位置有关，集中式数据挖掘不适用。分布式数据挖掘就是将复杂的问题简单化，完成分解后可以降低运行难度，提高存储能力。数据融合技术就是对多种数据进行信息处理和优化，输出一种更符合用户需求的数据。当前大多数物联网的应用都需要通过大量的传感器节点完成信息采集，因此，需要通过数据融合技术，将海量的信息进行整理，抽取出更多有效的数据；
同时，还可以降低网络数据的传输总量，提高网络传输速度。

3.1 总体方案设计

为了实现对智能变电站的智能管理，需要对站内的设备进行智能化设计。智能传感网测控平台是物联网技术下的产物，主要功能是完成对站内实时状态的监控，并在传感测控平台上搭建变电站系统，实现站内各个子系统之间的互联互通。设计架构如图5所示。

图5 智能监测系统架构Fig.5 Intelligent monitoring system architecture

(1)集控站管理主机主要查收各个子系统设备的情况报告，一旦即子系统的设备发生异常，集控站主机会根据异常报告进行处理；

(2)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；

(3)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。

智能变电站主机系统主要分为站内主控机和集控站主机2大层，整个主机系统的构建都在这2层实现。站内控制主机采取统一建模的方式，将在线设备监测、保护测控设备以及计量电表进行模型标准化设计。在确保所有数据完整统一的情况下建立全景数据处理平台，为子系统提供可兼容的信息访问接口。站内控制主机系统结构如图6所示。站内控制主机属于站控层，通过以太网IEC61850与间隔层、过程层进行信息交流。

图6 站内控制主机系统结构Fig.6 The structure of the control host system in the station

3.2 子系统方案设计

图像监视与安全警卫

“四遥”目标的实现得益于电力系统自动化程度的提高，这些功能的实现为图像监控及安全警卫子系统的设计奠定了基础。图像监控及安全警卫子系统可以对变电站中设备的情况进行实时监控，一旦出现问题立即发出警报，保证了变电站设备的安全稳定，为管理变电站提供了保障。该子系统的核心技术就是不失真的压缩图像，音频、报警、控制等信号都可以与数字形成统一后发送到接口设备中，将数字信号转换为模拟信号；
这样信息解压后图像数据也不会失真，从而完成对现场的实时监控。图像监视与安全警卫子系统包括现场及通信设备、后台监控2大硬件。摄像机可以选用模拟摄像机和网络摄像机2大类，各有优缺点，根据对变电站的运行情况进行分析，选择网络摄像机是最佳选择。对于站内的网络摄像机，可以考虑采用光纤传输方式，保证数据传输的可靠性。

火灾报警及消防

火灾报警消防系统是读取感温感烟探测器，发现问题会立即发出信号；
结合视频设备，对位置进行定位，发出报警和拨打消防电话。为了防止火灾蔓延，系统还会发出闭锁信号，闭锁风机控制器。火灾报警及消防子系统结构如图7所示。

火灾报警控制器采用微机控制技术，联网通讯接口采用RS-485，保证了通信网络即使在远距离的条件下依然可以传输信号。工作电源采用220 V/AC 50 Hz，温度-10～50 ℃ 。

变压器呼吸器在线监测

变压器呼吸器位于油枕与空气连接管的末端。当变压器的内部发生油温变化，油箱内的油会自动膨胀，油温会升高或降低。油枕的内部会有呼吸器排除空气，让变压器可以正常呼吸。在温度不变时，呼吸器的呼吸情况不易发现，很难人为察觉，无法及时判断变压器的正常运行情况。因此，设计变压器呼吸器在线监测子系统，可以及时发现变压器缺陷并进行处理。变压器呼吸器在线监测系统基本构成，如图8所示。

图7 火灾报警及消防子系统Fig.7 Fire alarm and fire protection subsystem

图8 变压器呼吸器在线监测系统基本构成Fig.8 Basic composition diagram of online monitoring system for transformer respirator

设计思路是将速度传感器采样的空气流量模拟信号转换为数字信号，并存储到单片机系统中，由单片机即系统对数据进行管理；
同时预留出与PC机进行数据传输的接口，将测得的数据反馈给工作人员，实现对呼吸器的在线监测。

确定流经变压器呼吸器的气体体积大小，根据变压器油温的情况，确定变压器内油的体积变化，得到油位上升下降的幅度，从而判断油枕是否出现因金属膨胀器导致的卡滞。为了保证流经呼吸器空气微弱流量的正确监测，可以在呼吸器和防爆管中设置光电速度传感器探针，对空气流量进行数据采集。然后，在无强电磁干扰条件下，对设备的数据采集精度进行测试，通过比较后得到数据采集误差在允许范围内；
最后对系统进行效果检查，将空气流量的速度设为、时间设为、面积设为，则空气流量水平距离为；
空气体积为面积×，表示空气流量水平距离。对变电站进行变压器呼吸器在线监测子系统试验，结果如表1所示。

表1 变压器呼吸器在线监测子系统试验结果Tab.1 Test results of online monitoring subsystem of transformer respirator

SF6泄露监测

SF6气体无色无味，化学性质稳定，在变电站中，SF6主要功能是对高压开关、设备进行绝缘操作；
但在放电情况下，SF6会释放有毒物质。随着智能变电站的网络化发展，电气设备SF6气体的含量监测越来越受重视。SF6泄露监测子系统的工作原理就是利用SF6对空气中的气体含量进行监测，将测得的SF6数值与氧气进行比较，一旦发现数值没有在此范围内，会发出SF6监测异常警报，并开启排放系统。为了保证工作人员的安全，当工作人员进入到设备内后，SF6泄露监测系统就会根据情况进行自动排风；
满足了电力配网自动化的需要，提高了系统运行的安全性。

温度在线监测

在变电站中，温度是一个非常重要的参数，是判断设备运行是否安全的一个重要指标。当变电站在运行过程中，会受到设备制造工艺、自然环境的影响，设备的接触电阻增大，会导致温度升高。当温度上升到不可控的范围内时，设备的机械强度会下降，造成电气设备的短路，对电网的安全运行是一个很大的隐患。温度传感器采用双金属片型光纤温度传感器，对传感器的数据进行传输，内嵌监测仪，对数据进行控制。采用MAX45接口，保证信息传输的准确性。采用无线温度传感器，利用物联网射频识别技术，在线监测温度，并将数据传输到后台控制主机中。其工作原理是当温度与其采集设备周围的温度超出范围数据时，需要通过监测仪将采集的结果传输到控制主机中，后台控制主机将反馈的温度数据进行反馈。温度在线IDE通过分析设备温度与环境温度的差值，启动相应的命令，让维修人员对设备情况进行处理。

物联网技术将各种供电和用电设备集成在一起，在智能电网领域中得到了广泛应用和推广。将物联网技术应用到智能变电站的电力设备监测中，对于保障电力系统的稳定运行具有重要意义，对于提高变电站自动化水平具有实用价值。

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