基于物聯(lián)網(wǎng)信息集成的箱式變電站運(yùn)行狀態(tài)綜合監(jiān)控系統(tǒng)研究

鄭麗娟，郭強(qiáng)，胡翔，關(guān)山，李吉獻(xiàn)

（1.杭州電力設(shè)備制造有限公司余杭群力成套電氣制造分公司，杭州311100；2.東北電力大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林吉林132012）

0 引言

箱式變電站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)箱變）以其結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、運(yùn)行可靠、內(nèi)部設(shè)備組合靈活等特點(diǎn)在電力系統(tǒng)中扮演著重要角色。箱變的巡檢與維護(hù)是電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要工作。作為配電網(wǎng)的重要傳輸節(jié)點(diǎn)，箱變多深入負(fù)荷中心，最大限度降低了線損，但也導(dǎo)致箱變分布極其分散，對(duì)巡檢與運(yùn)維造成了極大的困難［1-2］。而且，當(dāng)箱變內(nèi)電氣設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，無(wú)法對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的調(diào)整，亟須在就地監(jiān)控、遠(yuǎn)程運(yùn)維及運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估等方面加以改進(jìn)。如何對(duì)箱變運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能控制，是電力系統(tǒng)工作中存在的難點(diǎn)和重點(diǎn)［3-6］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和電力系統(tǒng)工作人員在箱變運(yùn)行監(jiān)控方面開(kāi)展了大量的研究。針對(duì)人工巡檢的弊端，巡檢機(jī)器人被用來(lái)完成站內(nèi)電力設(shè)備監(jiān)測(cè)以及故障初步診斷［7-9］。文獻(xiàn)［10］重點(diǎn)研究變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的管理問(wèn)題；文獻(xiàn)［11］提出了基于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）技術(shù)的綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但是此系統(tǒng)主要側(cè)重于通信技術(shù)，對(duì)變電站的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)研究較少；文獻(xiàn)［12］通過(guò)知識(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)從箱變歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中提取重要參數(shù)，提高箱變的自動(dòng)化水平。此外，當(dāng)前應(yīng)用的箱變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅采用閾值法進(jìn)行預(yù)警，在大數(shù)據(jù)分析、故障診斷方面欠缺很大［13-14］。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)信息集成的箱變運(yùn)行狀態(tài)在線綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)箱變的就地監(jiān)控與遠(yuǎn)程運(yùn)維。

1 箱變綜合監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)信息集成的箱變運(yùn)行狀態(tài)在線綜合監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)層、平臺(tái)層及表現(xiàn)層?，F(xiàn)場(chǎng)層以箱變綜合監(jiān)控裝置為核心，實(shí)現(xiàn)箱變多種監(jiān)測(cè)信息的采集、分析、顯示、控制、報(bào)警等功能；平臺(tái)層為整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)度中心，由多種微服務(wù)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)以及與表現(xiàn)層數(shù)據(jù)的交互等；表現(xiàn)層主要用于接收用戶(hù)請(qǐng)求，響應(yīng)數(shù)據(jù)顯示，為用戶(hù)提供與機(jī)器交互的接口。

圖1 箱變運(yùn)行狀態(tài)在線綜合監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案Fig.1 Overall structure of the online comprehensive monitoring system for in?service states of prefabricated substations

2 現(xiàn)場(chǎng)層

現(xiàn)場(chǎng)層為基于物聯(lián)網(wǎng)連接的分布于不同物理位置的箱變的集合，每臺(tái)箱變中均安裝1 臺(tái)綜合監(jiān)控裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)箱變高壓室、低壓室和變壓器室多種電氣量、非電氣量及開(kāi)關(guān)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與智能化控制，具體的監(jiān)測(cè)與控制功能如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)與控制功能Fig.2 Monitoring and control function

2.1 箱變綜合監(jiān)控裝置總體設(shè)計(jì)

箱變綜合監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，由監(jiān)測(cè)與控制核心組件（圖3中虛線框內(nèi)部分）、電源模塊以及布置于箱變高壓室、變壓器室、低壓室內(nèi)的多個(gè)監(jiān)控模塊組成。多個(gè)監(jiān)控功能模塊通過(guò)RS-485 總線以“即插即用”的方式與集中監(jiān)測(cè)與管理模塊連接，實(shí)現(xiàn)箱變的就地監(jiān)測(cè)與控制，為不同用戶(hù)對(duì)箱變監(jiān)控功能的個(gè)性化需求提供了柔性強(qiáng)、成本低的選擇方案，也為后續(xù)智能箱變新測(cè)控功能模塊的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

2.2 監(jiān)測(cè)與控制核心組件

監(jiān)測(cè)與控制核心組件由集中監(jiān)測(cè)與管理模塊、通信模塊和人機(jī)接口模塊3 部分組成，為箱變綜合監(jiān)控裝置的固定部分，通過(guò)RS-485 總線分時(shí)與其他各監(jiān)控模塊建立通信聯(lián)系。集中監(jiān)測(cè)與管理模塊為綜合監(jiān)控裝置的可選部分，用戶(hù)可依據(jù)需求進(jìn)行選擇或增加更多監(jiān)控功能的新模塊。采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)監(jiān)控功能改變時(shí)，只需要對(duì)軟件進(jìn)行適當(dāng)?shù)母录纯桑黾恿嗽O(shè)計(jì)的柔性。

圖3 箱變綜合監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the comprehensive monitoring device in the fabricated substation

2.2.1 集中監(jiān)測(cè)與管理模塊

集中監(jiān)測(cè)與管理模塊主要包括由STM32F103 RCT6 為主控芯片的核心電路及RS-485 通信電路2部分。STM32F103RCT6 主控芯片以32 位Cortex-M3 為內(nèi)核，最高主頻達(dá)72 MHz，程序存儲(chǔ)器容量是256 KB，具有2 個(gè)通用同步/異步串行接收/發(fā)送器（USART）接口，分別用于實(shí)現(xiàn)與通信模塊及各監(jiān)控模塊的RS-485通信。STM32F103RCT6芯片外圍電路如圖4所示，RS-485通信模塊電路如圖5所示。

圖4 STM32F103RCT6芯片外圍電路Fig.4 STM32F103RCT6 chip peripheral circuit

2.2.2 通信模塊

通信模塊原理示意如圖6 所示，主要包括EC20無(wú)線通信模塊、RS-485 轉(zhuǎn)換模塊、用戶(hù)識(shí)別（SIM）卡以及用于4G 通信和北斗衛(wèi)星定位的天線。通信模塊的主要功能是將箱變的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)警信息、位置信息上傳至平臺(tái)層數(shù)據(jù)庫(kù)，并接收來(lái)自展現(xiàn)層的遙控、遙調(diào)指令。當(dāng)箱變出現(xiàn)異常報(bào)警信息時(shí)，可通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)以短消息的方式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送至具體運(yùn)維人員，同時(shí)在展現(xiàn)層地理位置查詢(xún)界面閃爍顯示，協(xié)助運(yùn)維人員及時(shí)排除故障。

圖5 RS-485通信模塊電路Fig.5 RS-485 communication module circuit

圖6 通信模塊原理示意Fig.6 Principle of the communication module

2.2.3 人機(jī)接口模塊

人機(jī)接口模塊通過(guò)集中監(jiān)測(cè)與管理模塊獲取各種類(lèi)型的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)規(guī)范化處理后，進(jìn)行分類(lèi)顯示，供巡檢人員查看。同時(shí)結(jié)合開(kāi)關(guān)量監(jiān)測(cè)模塊返回的各分/合閘狀態(tài)數(shù)據(jù)，依據(jù)安全操作規(guī)范或“五防”連鎖邏輯，對(duì)箱變的可操作狀態(tài)進(jìn)行智能化判斷，并通過(guò)輸入/輸出（I/O）監(jiān)測(cè)控制界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)箱變進(jìn)行程序化控制，有效避免了由于人為因素產(chǎn)生的誤操作。

人機(jī)接口模塊的主要功能包括：高/低壓側(cè)電氣參數(shù)監(jiān)測(cè)、母線及變壓器室溫度監(jiān)測(cè)、高低壓開(kāi)關(guān)量狀態(tài)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程輸出控制、環(huán)境溫/濕度監(jiān)測(cè)、變壓器油溫/油位監(jiān)測(cè)、泄漏電流及局部放電監(jiān)測(cè)等。當(dāng)報(bào)警情況出現(xiàn)時(shí)，可通過(guò)人機(jī)接口模塊實(shí)現(xiàn)就地報(bào)警，同時(shí)通過(guò)通信模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警，并在展現(xiàn)層箱變地理位置查詢(xún)界面顯示報(bào)警箱變的準(zhǔn)確地理位置，供運(yùn)維人員快速定位、及時(shí)檢修。電氣參數(shù)監(jiān)測(cè)界面如圖7所示，I/O高/低壓開(kāi)關(guān)量狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面如圖8所示。

圖7 電氣參數(shù)監(jiān)測(cè)界面Fig.7 Electrical parameter display interface

圖8 I/O高/低壓開(kāi)關(guān)量狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面Fig.8 I/O switching quantity of high and low voltage displayed on the state monitoring interface

2.3 變壓器室溫度監(jiān)測(cè)模塊

基于STM32F103RCT6 單片機(jī)與MLX90640 紅外陣列溫度傳感器研發(fā)了紅外掃描測(cè)溫模塊。該模塊克服了傳統(tǒng)點(diǎn)式測(cè)溫模塊安裝不便、測(cè)溫點(diǎn)固定等缺陷［15-19］，實(shí)現(xiàn)了在115°×75°或55°×35°范圍內(nèi)768（32×24）個(gè)任意點(diǎn)溫度的監(jiān)測(cè)，模塊具有RS-485/RS-422/無(wú)線射頻3 種通信方式，通信距離可達(dá)1 km，可測(cè)量溫度范圍為-40～300 ℃，測(cè)量精度可達(dá)±1 ℃，非常適用于箱變等監(jiān)測(cè)點(diǎn)多、空間狹小、布線不便等場(chǎng)合，紅外掃描測(cè)溫模塊測(cè)溫示意如圖9 所示，溫度監(jiān)測(cè)界面如圖10所示。

2.4 其他監(jiān)控模塊

高/低壓側(cè)電氣參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)箱變內(nèi)部的高/低壓室電壓、電流等電氣量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并依據(jù)此參數(shù)進(jìn)一步計(jì)算出有功、無(wú)功、視在功率及功率因數(shù)等，可直接反映箱變的運(yùn)行狀態(tài)，也為有載調(diào)壓和無(wú)功補(bǔ)償提供依據(jù)。

變壓器室局部放電監(jiān)測(cè)模塊、泄漏電流監(jiān)測(cè)模塊、變壓器油位/油溫監(jiān)測(cè)模塊以及環(huán)境溫/濕度監(jiān)測(cè)模塊可以為箱變的安全運(yùn)行、故障診斷及基于大數(shù)據(jù)的箱變狀態(tài)評(píng)估提供支撐。

圖9 紅外掃描測(cè)溫模塊測(cè)溫示意Fig.9 Infrared scanning temperature measurement module

圖10 溫度監(jiān)測(cè)界面Fig.10 Temperature monitoring interface

開(kāi)關(guān)量狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、就地/遠(yuǎn)方控制模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷開(kāi)關(guān)、斷路器、有載調(diào)壓等的位置，熔斷器、無(wú)功補(bǔ)償投切等的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并依據(jù)聯(lián)鎖邏輯實(shí)現(xiàn)箱變的智能化控制；帶電顯示模塊可直觀顯示進(jìn)線母線、斷路器、主變壓器等電氣設(shè)備是否帶有運(yùn)行電壓，并與柜門(mén)上的電磁鎖形成聯(lián)鎖，為箱變的安全運(yùn)維提供保障。

電源模塊具備多回路調(diào)壓功能，以交流220 V為電源輸入，根據(jù)各監(jiān)控模塊工作電壓不同，將輸入電壓調(diào)整至3.3，5.0 或24.0 V 等不同等級(jí)，完成對(duì)上述各模塊的供電。

3 平臺(tái)層

平臺(tái)層為部署于云服務(wù)器上的1套管理分析軟件與數(shù)據(jù)集合，為整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)度中心，由多種微服務(wù)組成。其中數(shù)據(jù)采集服務(wù)直接與現(xiàn)場(chǎng)層連接，定時(shí)以巡檢的方式向各箱變發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，當(dāng)箱變內(nèi)綜合監(jiān)控裝置接收到數(shù)據(jù)請(qǐng)求后，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將箱變的當(dāng)前狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳，存入數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表內(nèi)；后臺(tái)服務(wù)響應(yīng)展現(xiàn)層監(jiān)控中心電腦端和移動(dòng)應(yīng)用平板端的各種數(shù)據(jù)請(qǐng)求，例如狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析等，并將結(jié)果反饋展現(xiàn)層供用戶(hù)與系統(tǒng)進(jìn)行交互。

另外，后臺(tái)服務(wù)可接受來(lái)自展現(xiàn)層的控制命令，以4G 通信的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層各箱變的控制；采用SQL Server 云數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層各箱變多類(lèi)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)，包含用戶(hù)表、箱變信息總表、箱變型號(hào)信息表以及對(duì)應(yīng)每臺(tái)箱變的多種監(jiān)測(cè)信息的存儲(chǔ)表等。

數(shù)據(jù)庫(kù)的物理模型如圖11 所示。用戶(hù)表中用戶(hù)可分為管理員級(jí)用戶(hù)和普通用戶(hù)，管理員級(jí)用戶(hù)可對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行維護(hù)，包括新增/刪除用戶(hù)、用戶(hù)權(quán)限分配、箱變的增加/刪除以及對(duì)應(yīng)監(jiān)控信息存儲(chǔ)表的創(chuàng)建/刪除等。

普通用戶(hù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)權(quán)限范圍內(nèi)箱變的信息查詢(xún)與控制，用戶(hù)權(quán)限范圍通過(guò)箱變編碼字段中的編碼列表來(lái)指定。箱變信息總表中的每1條記錄對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)1 臺(tái)箱變的具體信息，從第4 個(gè)字段開(kāi)始存儲(chǔ)的內(nèi)容為該箱變多種監(jiān)控信息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)表的名稱(chēng)，通過(guò)提取該字段的內(nèi)容確定該箱變某一監(jiān)控信息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)表的表名，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)與檢索。

圖11 數(shù)據(jù)庫(kù)物理模型Fig.11 Database physical model

4 展現(xiàn)層

展現(xiàn)層主要用于接收用戶(hù)請(qǐng)求，響應(yīng)數(shù)據(jù)顯示或?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層箱變的遠(yuǎn)程控制，為用戶(hù)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)交互的人機(jī)界面。展現(xiàn)層提供了2種人機(jī)交互模式：監(jiān)控中心電腦端和移動(dòng)應(yīng)用平板端。

電腦端為基于JaveScript、第5 代超文本標(biāo)記語(yǔ)言（HTML 5）及層疊樣式表（CSS）開(kāi)發(fā)的瀏覽器/服務(wù)器（B/S）結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序；平板端為基于Jave語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序（App），安裝于平板電腦或手機(jī)中，方便運(yùn)維人員攜帶并隨時(shí)運(yùn)維。

電腦端在功能上較平板端增加了數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)和用戶(hù)管理2 項(xiàng)，并且只有以系統(tǒng)管理員身份登錄的用戶(hù)才有權(quán)對(duì)此2 項(xiàng)進(jìn)行操作，普通用戶(hù)只能進(jìn)行信息瀏覽和有限權(quán)限的遠(yuǎn)程控制，具體實(shí)現(xiàn)的功能如圖12所示，虛線框內(nèi)為平板端具有的功能。

圖12 展現(xiàn)層人機(jī)接口軟件功能Fig.12 Human?computer interaction interface on the presentation layer

本文研究的箱變綜合監(jiān)控系統(tǒng)除具有其他監(jiān)控系統(tǒng)提供的監(jiān)測(cè)信息顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)打印等常規(guī)功能外，其最大特點(diǎn)如下。

（1）可與地理信息結(jié)合，每臺(tái)箱變?cè)诘貓D中以1個(gè)紅色氣球標(biāo)記，單擊標(biāo)記可進(jìn)入該箱變的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面查看運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)報(bào)警或故障時(shí)，代表該箱變的標(biāo)記閃爍。監(jiān)控中心電腦端箱變地理位置信息顯示界面如圖13所示。

圖13 箱變地理位置信息界面Fig.13 Interface of geographic locations of prefabricated substations

（2）具有箱變圖紙管理功能，尤其是該功能在平板端App 的應(yīng)用，極大地方便了運(yùn)維人員。當(dāng)箱變出現(xiàn)故障時(shí)，運(yùn)維人員可快速抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，節(jié)省了技術(shù)資料的準(zhǔn)備時(shí)間。手機(jī)端圖紙管理界面如圖14所示。

圖14 手機(jī)端圖紙管理界面Fig.14 Drawing management interface on mobile terminals

5 結(jié)論

（1）提出了基于物聯(lián)網(wǎng)與云服務(wù)的箱式變電站的智能化監(jiān)控體系，提出了適于多類(lèi)信息存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了箱變多類(lèi)型信息（運(yùn)維信息、定位信息等）的集成化管理及遠(yuǎn)程監(jiān)控，并與地理信息結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了箱變的快速定位。

（2）現(xiàn)場(chǎng)層采用模塊化的設(shè)計(jì)構(gòu)建監(jiān)測(cè)裝置單元。各功能模塊通過(guò)總線以“即插即用”的方式與主控模塊連接，為不同用戶(hù)對(duì)箱變功能的個(gè)性化定制提供了柔性強(qiáng)、成本低的選擇方案，也為后續(xù)智能箱變新測(cè)控功能模塊的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。