物联网技术及其在智能变电站监控中的应用研究

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  摘 要:物联网技术是智能电网对外界信息感知的重要组成部分,在电力系统中具有广阔的应用前景。智能变电站作为智能电网的技术核心与设备外延,使物联网多种关键技术得以具体应用。本文针对智能变电站建设的实际需求,结合物联网关键技术,构造了智能变电站监控总系统以及包括设备状态监控子系统、智能巡检监控子系统、避雷器监控子系统以及安全警卫监控子系统在内的四大子系统。
  关键词:物联网技术;无线射频识别技术;智能变电站
  中图分类号:TP391.44
  2009年,国家电网公司启动了智能电网的规划建设,2011年,我国智能电网进入全面建设阶段,计划在2020年初步建成世界上最大的智能电网[1]。智能变电站是智能电网的重要支撑,采用先进、集成、可靠、环保的智能设备,通过数字化、网络化、共享化的信息网络平台,自动完成信息采集、测量、控制和监测等基本功能,实现自动控制、在线分析、协同互动等诸多功能[2]。物联网技术作为一种新型通信网络,实现智能化识别、定位、监控与管理,已经在健康医疗、智能家居、现代物流管理、食品安全控制、数字图书馆等领域得到了成功应用,并取得了良好的效果,因此将物联网技术有效的融入智能变电站的建设当中,是智能电网技术发展到一定程度的必然产物,能有效地对变电站电力系统资源进行整合,促进电力系统管理水平的进一步提高。
  1 物联网技术
  1999年麻省理工学院(MIT)的教授在研究无线射频识别技术(RFID)时率先提出物联网(The Internet of Things)的概念。2005年,国际电信联盟(ITU)发布的报告中对物联网技术的定义进行延伸,即物联网技术是指在基于互联网的网络平台,利用无线射频识别技术(RFID)、无线数据通信技术、全球定位系统(GPS)以及红外传感器等技术自动采集和获取物品的相关信息,并基于各种智能计算技术如云计算、模糊识别、数据挖掘等,对物品相关信息进行分析处理,最终实现对物理世界的智能化管理的一种网络技术[3]。
  1.1 物联网的体系结构
  物联网的典型体系结构如图1所示,至下而上分为三层:感知层、网络层和应用层[4]。
  (1)感知层:主要用于感知物理世界中发生的事件的相关数据,包括各类物理信息、身份标识、音频、视频等相关数据。物联网的数据采集涉及各种类型的传感器、RFID、多媒体信息、二维码和全球定位系统等技术。感知层又包括数据采集、短距离无线通信两部分。数据采集主要是运用智能设备等对物品基础信息进行采集。
  (2)网络层:主要利用已有的2G/3G/4G移动网络、互联网、专网等,把感知层获得的信息快速、可靠、安全地传输,使物品能够进行远距离、大范围、多角度、全天候的通信,最终实现在全球范围内的信息传输
  (3)应用层:主要用于物品与人的信息交互,将物品的信息进行搜集,汇总在应用层进行统一管理、分析、决策,并用于支撑多行业、多应用、多系统之间的信息协同共享,提高信息的综合利用度,最大程度地为人类服务。其具体的应用领域包括健康医疗、智能家居、現代物流管理、食品安全控制、数字图书馆等。
  1.2 物联网的关键技术
  1.2.1 传感网技术
  传感网技术是大量随机分布的集成传感器、数据处理及通信单元,通过自组织的方式构成的无线网络。传感网技术的基本单元是节点,节点是传感网的基本平台,它的主要功能是感知、识别、采集和监测各种环境或对象的信息,并将收集到的信息进行监督控制、信息共享和存储管理。传感网由三部分网络体系结构构成,如图2所示,包括网络通信协议、传感网络管理以及应用支撑技术[5]。无线传感器网络利用区域内大量移动或静止的微型传感器节点,通过MEMS的微传感技术、无线联网技术等通信技术形成一个多跳自组织网络。
  1.2.2 无线射频识别(RFID)技术
  RFID技术是通过射频方式进行非接触双向通信非接触式的自动识别技术,具有读取方便快捷、安全度高、抗干扰强、使用使命长、数据容量大等许多优点。无线射频识别技术系统由应答器、阅读器和应用软件系统组成,由阅读器发射特定频率的无线电波能量,送给应用软件系统进行相应数据处理。射频识别技术中的数据编码结构、数据读取需要统一的标准并进行规范。RFID标准体系结构如图3所示,主要包括技术标准、应用标准、数据内容标准和性能标准[6]。其中编码标准和通信协议是RFID标准的核心。
  1.2.3 电子编码(EPC)技术
  EPC是通过互联网和RFID技术,利用全球统一标识编码技术系统给每一个实体对象编写唯一的代码,构造了一个信息实时搜集与共享的物联网。EPC系统的工作流程如图4所示,在EPC标签、阅读器器、中间服务器、英特网、ONS服务器、PML服务器、以及众多数据库组成的物联网中,读写器作为信息参考的标准,采用分布式中间件系统跟踪、存储和管理EPC信息。ONS服务器提供网络数据库服务并实现自动化,EPC被中间件传给ONS服务器,ONS服务器指示中间件到PML服务器中进行查找,通过中间件复制该文件传送到企业应用软件上进行分析处理。
  2 物联网技术在智能变电站中的应用
  输变电系统的电气设备主要包括变压器、断路器、导线、高压绝缘子、隔离开关,其保护设备主要包括继电保护装置、互感器、避雷器等,上述设备运行的可靠性不仅直接关系到整个电力系统的安全稳定运行,而且决定了供电质量和效率的高低,因此亟需通过物联网技术实时监测设备的运行状态。
  2.1 智能变电站监控总系统
  变电站设备监控系统利用物联网技术,通过传感器、扫描仪等设备感知外界设备信息,构建传感网监测平台,在此基础上建立变电站智能监测与辅助控制系统,实现设备状态监测、设备巡检监测、避雷器智能监测、安全警卫监测的功能,全面实现变电站智能化、互动化、一体化管理[7]。如图5所示主要完成以下功能。   (1)监控变电站设备的运行状态,如监测变压器、断路器等电站设备的运行状态,对正常状态与异常状态进行区分,对数据进行汇总分析,为状态检修提供数据支撑。
  (2)智能督导设备巡检工作,如自动引导完成巡检路线的设计,记录巡检人员通过关键巡视点的时间,对观测信息与存储的信息进行对比分析,对异常信息给予及时纠正。
  (3)监控避雷器智能运行,监测避雷器的总电流、谐波电流和阻性电流,对相关信息的有效分析达到对避雷器状态的实时监控,对潜在的异常运行发出预警信号。
  (4)安全警卫的智能监控,将高清摄像头与各种红外传感器相结合,根据具体情况设定安全区域、警示区域、危险区域,对区域作业者的安全提示和对入侵实施有效警戒。
  2.2 智能变电站监控子系统
  2.2.1 变电站设备状态监控智能化
  变电站设备状态监测子系统由监测中心、数据传输基站、无线传感器网络平台等构成。其中,数据传输基站由大功率存储器、微处理器、射频收发器、总线接口等组成;无线传感器由数字控制器、数字传感器、射频收发器等组成,各类无线传感器安装在高压输变电设备上,如变压器、断路器、导线、高压绝缘子、隔离开关,构成的无线传感器网络平台对设备温度、气象环境、空气湿度、图像视频及周边环境等进行实时监测。作为监测中心的控制主机定期通过RS485总线访问处理各类数据传输基站,数据传输基站通过高频收发器与传感器相互连接,通过高频收发器汇总信息,并通过网络信息系统将数据保存到监测中心的控制主机中,监测中心的管理人员定期对收集到的信息进行智能分析处理,并将分析结果实时传送到巡检人员处,作为下一阶段设备维修及管理的基础。
  2.2.2 变电站智能巡检智能化
  智能巡检子系统由巡检中心、巡检控制网络平台、无线传感器、智能终端等组成。巡检中心根据日常设备管理及维护的需要设定巡检路线,并将巡检路线存储于巡检中心的智能巡检子网络中,每个关键的巡检点如多股交叉路口,分支路段设置感应系统,感应系统由高清摄像头、红外扫描仪以及无线传感器等组成,并与巡检中心控制系统相连,巡检人员穿上便于识别的巡检制服进入巡检路段对设备依次进行巡检。巡检中心将感应巡检人员的巡检路线与巡检中心的设定巡检信息进行分析处理。当巡检人员到达某个巡检区域后,智能终端开始对巡检人员的巡检路线进行分析匹配,若匹配成功,智能终端显示可以巡检并提示下一个被巡检设备名称,否则发出错误匹配信息,对巡检人员进行预警及告知巡检中心。通过智能巡检实现对巡检工作的准确高效的监督管理,保证巡检人员安全无误的到岗巡查,为日常巡检和数据分析管理提供了强有力的技术支撑。
  2.2.3 变电站避雷器监控智能化
  避雷器智能监控子系统由控制主机、中心无线基站、数据传输基站及各类传感器构成。安装在避雷器上的电压监测传感器负责采集、分析电压谐波和相位信息,泄漏电流传感器定时通过微电流CT采集泄漏电流,并记录每个数据的采集时间,控制器分析计算泄漏电流的总有效值和谐波值。各类传感器与区域内的数据传输基站无线相连,通过无线射频识别技术将区域内的谐波信息发送至数据传输基站,所有数据传输基站与中心无线基站相连,形成庞大的局域数据分析处理系统,用以分析计算阻性电流,判断相位基准。处于中心数据基站的核心是控制主机,控制主机通过分析避雷器的总泄漏电流,分析比对泄漏电流的多次谐波值和同相序电压多次谐波值,当避雷器出现异常时,可以及时发出预警信号,对避雷器进行实时安全联网在线监控,保证避雷器泄漏电流传感器和电压监控传感器免维护的长时间安全运行。
  2.2.4 安全警卫监控智能化
  安全警卫监控子系统由控制主机、传感器网络、各类实体组织构成。针对传统的变电站安全隐患,组建多类型传感器,如围墙震动传感器、温度识别传感器、火灾预警传感器及高清摄像头等组成的协同感知网络系统,实现在网络平台上多种探测器的前端探测手段感知、识别、预警,对变电站及周围环境进行全天候、多方位、多角度动态智能探测,使智能变电站具备很强的环境适应性、安全性和稳定性。例如,通过读取火灾预警传感器发出的告警信息、视频图像信息中的信号、环境温度传感器等发出的异常信息,多角度实现对变电站火灾的智能化监控、自动进行消防报警,同时可以和充氮灭火、喷淋灭火等灭火系统的进行联动处理,实现对各种突发状况的实时监控、故障警报和有效处理。
  3 结束语
  智能变电站作为智能电网的核心,是智能电网智能化设备的延伸,在物理空间和信息空间具有强相关联性和高度混杂性。物联网技术的引入将提高智能变电站的在线监测设备可使用率,降低设备状态监测的盲目性与风险性,优化设备运行管理,增强设备的可操作性、安全性、准确性。智能变电站不仅具有通用物联网的识别及管理能力,而且具备对输变电设备的在线监测、故障诊断、自动调节、协同互动、维修管理等功能[8-9]。本文充分考虑了智能电网的特性以及智能变电站的实际需求,提出了构建基于物联网技术的变电站监控系统。然而将物联网真正融入到智能变电站建设的方方面面中是一项长期工程,需要电网信息化程度的不断提高和物联网标准化工作的不断推进。
  参考文献:
  [1]樊陈,倪益民.智能变电站信息模型的讨论[J].电力系统自动化,2012(13):15-19.
  [2]曹楠,李刚,王冬青.智能变电站关键技术及其构建方式的探讨[J].电力系统保护与控制,2011(05):63-68.
  [3]王春新,杨洪,王焕捐,张君艳.物联网技术在输变电设备管理中的应用[J].电力系统通信,2011(223):116-121.
  [4]王继业.物联网及可视化技术在新一代智能变电站中的研究及应用[J].石化电气,2013(19):68-72.
  [5]程曼,王会让.物联网技术的研究与应用[J].物联网与地理信息系统,2010(05):22-28.
  [6]高飞,薛艳明,王爱华.物联网核心技术—RFID原理与应用[M].北京:人民邮电出版社,2010(01):42-54.
  [7]鲁东海,孙纯军,秦华.基于物联网技术的智能变电站辅助控制与监测系统设计与应用[J].華东电力,2011(04):567-571.
  [8]邹胜,钟丽.输变电设备物联网及其在智能电网中的应用[J].信息技术,2012(09):104-105.
  [9]陈文升,钱维克,楼晓东.智能变电站实现方式研究及展望[J].华东电力,2010(10):1571-1573.
  作者简介:王纪军(1976-),男,江苏靖江人,高级工程师,本科,研究方向:计算应用;任萱(1973-),女,江苏镇江人,高级工程师,硕士,研究方向:变电运行;王成现(1970-),男,江苏淮安人,高级工程师,本科,研究方向:计算机应用。
  作者单位:江苏省电力公司,南京 210024;江苏省电力公司镇江供电公司,江苏镇江 212002;江苏电力信息技术有限公司,南京 210008
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