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★國網(wǎng)大連供電公司倪劍禮

關(guān)鍵詞：智能化變電站；環(huán)境監(jiān)測；預(yù)警系統(tǒng)；分布式架構(gòu)

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和智能電網(wǎng)建設(shè)的推進，變電站作為電力系統(tǒng)的重要節(jié)點，其運行穩(wěn)定關(guān)系到電網(wǎng)的可靠性。本研究的主要內(nèi)容包括系統(tǒng)總體設(shè)計、預(yù)警模型設(shè)計和仿真分析，主要創(chuàng)新點包含基于分布式架構(gòu)的智能化變電站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案。本研究設(shè)計了包括圖像采集、溫濕度采集和風(fēng)量采集在內(nèi)的多種前置機，提高了數(shù)據(jù)采集的精確性和可靠性，構(gòu)建了涵蓋溫濕度、液位、空氣質(zhì)量和設(shè)備異響的全面預(yù)警指標體系，確保了系統(tǒng)的預(yù)警準確性和實時性。

1　智能化變電站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1　系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

智能化變電站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，包含了變電站現(xiàn)場設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理終端以及遠程監(jiān)控中心和移動終端等，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

（1）變電站現(xiàn)場設(shè)備^[1]。在變電站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，部署了多種傳感設(shè)備和采集裝置，包括溫濕度傳感器、液位傳感器、空調(diào)和風(fēng)機監(jiān)測裝置、圖像采集設(shè)備以及聲音采集裝置等。

（2）數(shù)據(jù)采集與傳輸網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)采集與傳輸網(wǎng)絡(luò)主要包含以下模塊：（1）控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN），實現(xiàn)變電站內(nèi)部短距離數(shù)據(jù)傳輸，如采集控制柜內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)；（2）第四代移動通信網(wǎng)絡(luò)（4th-Generation，4G），進行遠程數(shù)據(jù)傳輸；（3）傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），作為標準網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，用于各層間的數(shù)據(jù)交互。

（3）數(shù)據(jù)處理終端。數(shù)據(jù)處理終端位于變電站現(xiàn)場，通過通信網(wǎng)關(guān)或者各種傳感器和采集裝置的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入和轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)處理終端對采集的原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、分析和存儲，并通過4G網(wǎng)絡(luò)或外網(wǎng)將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至遠程監(jiān)控中心和移動終端。

（4）移動終端。系統(tǒng)實現(xiàn)了手機APP訪問方式，遠程監(jiān)控中心通過手機APP對變電站環(huán)境進行全面監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和管理。工作人員也可通過手機APP隨時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)、接收告警信息，實現(xiàn)移動化監(jiān)控和管理。

1.2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1　圖像采集前置機設(shè)計

本文設(shè)計了基于嵌入式系統(tǒng)的圖像采集前置機，該設(shè)計主要包括四個功能模塊：視頻信號采集與JPEG壓縮模塊、嵌入式核心處理模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊。視頻信號采集與壓縮模塊由視頻輸入處理器SAA7111A和JPEG編解碼芯片ZR36060組成；嵌入式核心處理模塊采用Altera公司的FPGA芯片EP1C12Q240C8，內(nèi)部集成了NiosⅡ軟核處理器；網(wǎng)絡(luò)接口模塊使用RTL8019AS芯片實現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能，通過RJ45接口與外部網(wǎng)絡(luò)連接。圖像采集前置機在運行中，主要通過攝像頭采集的模擬視頻信號經(jīng)過SAA7111A進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字視頻信號被送入ZR36060進行JPEG壓縮，并通過FIFO緩沖傳輸給EP1C12Q240C8處理器，最終通過RTL8019AS芯片將數(shù)據(jù)包發(fā)送到遠程監(jiān)控中心。其中處理器還可以接收來自遠程監(jiān)控中心的控制指令，實現(xiàn)對攝像頭的遠程控制。

1.2.2環(huán)境溫濕度采集前置機設(shè)計

環(huán)境溫濕度采集前置機基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)，由SHT20溫濕度傳感器、CC2530微控制器、無線通信和電源模塊組成。該前置機由SHT20傳感器通過采集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸給CC2530微控制器，對數(shù)據(jù)進行初步處理，再利用內(nèi)置的射頻收發(fā)器和外接天線將數(shù)據(jù)包發(fā)送到接收端，接收端設(shè)備（如數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點或網(wǎng)關(guān)）接收到無線傳輸?shù)臏貪穸葦?shù)據(jù)后，進一步處理溫濕度數(shù)據(jù)信息。

1.2.3風(fēng)量采集前置機設(shè)計

風(fēng)量采集前置機核心部件主要以MPXV4006DP壓阻式傳感器為主，后者屬于單片硅壓力傳感器。本次設(shè)計在MPXV4006DP傳感器后端配置了信號調(diào)理電路，該電路以AD623運算放大器為核心，負責(zé)對傳感器輸出的微弱信號進行放大和濾波處理。經(jīng)過調(diào)理的信號通過單向二極管輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳輸給微處理器進行處理。

風(fēng)量采集前置機在運行中，同樣由MPXV4006DP傳感器感知風(fēng)壓變化，將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出，電信號經(jīng)過AD623運放進行放大和濾波處理，然后通過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，微處理器接收數(shù)字信號后，進行數(shù)據(jù)分析和處理。最后通過LoRa無線模塊將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_管理系統(tǒng)，并接收系統(tǒng)指令，實現(xiàn)對采集參數(shù)的遠程調(diào)節(jié)。

1.3　軟件架構(gòu)設(shè)計

智能化變電站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟件架構(gòu)采用分布式設(shè)計，主要分為后臺管理系統(tǒng)和移動端兩大部分^[2]。（1）后臺管理系統(tǒng)：作為系統(tǒng)軟件的核心，后臺管理系統(tǒng)主要包含了采集數(shù)據(jù)、日志管理、系統(tǒng)報警、設(shè)備信息維護和報表管理五個主要模塊。（2）移動端：主要包括數(shù)據(jù)查看、圖像采集、異響采集和預(yù)警信息四個功能模塊，可以通過系統(tǒng)軟件運用提高系統(tǒng)靈活性和響應(yīng)速度，促使運維人員能夠快速發(fā)現(xiàn)和處理潛在問題。

2　智能化變電站預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)研究

2.1　預(yù)警指標體系構(gòu)建

智能化變電站環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)指標體系涵蓋了溫濕度、液位、空氣質(zhì)量和設(shè)備異響四個主要方面。

（1）溫濕度指標針對變電站控制柜、繼電保護室和蓄電池室等關(guān)鍵區(qū)域，設(shè)定了分級預(yù)警閾值^[3]。例如，控制柜內(nèi)部溫度預(yù)警值為35℃，報警值40℃；相對濕度預(yù)警值60%，報警值70%。（2）液位監(jiān)測主要關(guān)注消防水池、事故油池和電纜層積水。以事故油池為例，液位達到總高度80%時預(yù)警，90%時報警。（3）空氣質(zhì)量監(jiān)測側(cè)重于六氟化硫（SF6）氣體濃度，預(yù)警值為3000mg/m3，報警值6000mg/m3。（4）設(shè)備異響檢測基于聲音頻譜分析，通過比對正常運行時的聲音特征來識別潛在故障。

2.2　預(yù)警模型設(shè)計

變電站環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)采用多層次、多維度的綜合分析方法，以實現(xiàn)對潛在風(fēng)險的精準識別和及時預(yù)警^[4]。該模型主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、模式識別和預(yù)警決策五個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)預(yù)警流程圖

在數(shù)據(jù)采集階段，系統(tǒng)通過分布在變電站各處的傳感器網(wǎng)絡(luò)實時收集溫濕度、液位、空氣質(zhì)量和設(shè)備聲音等多種環(huán)境參數(shù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理環(huán)節(jié)負責(zé)對原始數(shù)據(jù)進行濾波、去噪和標準化處理，以提高后續(xù)分析的準確性。特征提取階段利用傅里葉變換、小波分析等算法從處理后的數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵特征。模式識別環(huán)節(jié)則結(jié)合支持向量機（Support Vector Machine，SVM），對提取的特征進行分類和異常檢測。最后，預(yù)警決策模塊基于預(yù)設(shè)的閾值和專家規(guī)則，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)分析和實時趨勢預(yù)測，給出最終的預(yù)警結(jié)果。

2.3　預(yù)警信息推送模塊設(shè)計

預(yù)警信息推送模塊根據(jù)預(yù)警級別和類型對信息進行分類，分為普通提醒、重要預(yù)警和緊急警報三個等級^[5]。對于不同級別的預(yù)警，系統(tǒng)采用不同的推送策略。普通提醒通過系統(tǒng)內(nèi)部消息或電子郵件方式推送；重要預(yù)警除了系統(tǒng)消息和郵件外，還會通過短信通知相關(guān)人員；緊急警報則會啟動多重通知機制，包括系統(tǒng)彈窗、短信、電話和移動應(yīng)用推送等，確保相關(guān)人員能夠第一時間獲知并處理緊急情況。

3　仿真分析

3.1　系統(tǒng)仿真

為驗證智能化變電站環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的有效性和可靠性，我們設(shè)計了一套系統(tǒng)仿真環(huán)境。其以某500kV智能化變電站2023年全年的歷史數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，模擬了變電站在不同工況下的環(huán)境參數(shù)變化和潛在風(fēng)險情況^[6]。仿真主要包括以下幾個方面：

（1）溫濕度仿真。基于歷史數(shù)據(jù)，建立了時間序列模型，包含日變化、季節(jié)變化和隨機擾動三個組成部分。日變化采用正弦函數(shù)模擬，振幅為5℃；季節(jié)變化使用傅里葉級數(shù)擬合，考慮了年周期變化；隨機擾動則采用均值為0、標準差為1.5℃的高斯白噪聲模擬。

（2）液位監(jiān)測仿真。針對消防水池和事故油池，建立了基于微分方程的液位變化模型。消防水池考慮了0.5mm/d的正常蒸發(fā)率，以及突發(fā)降雨導(dǎo)致的快速上升（模擬50mm/h的降雨強度）。事故油池則模擬了設(shè)備漏油情況，設(shè)定漏油速率為100L/h，持續(xù)2h。

（3）空氣質(zhì)量仿真。通過模擬SF6氣體濃度變化，設(shè)SF6濃度呈0.1mg/（m3/h）的速率緩慢增加。突發(fā)泄漏場景則設(shè)定初始泄漏速率為10mg/（m3/h），呈指數(shù)衰減。

（4）設(shè)備異響仿真。基于正常運行設(shè)備的聲音頻譜，添加了不同類型和程度的噪聲信號。在模擬變壓器異常時，在1kHz-2kHz頻段增加了10dB的噪聲；模擬斷路器故障時，在50Hz-100Hz頻段增加了15dB的脈沖噪聲。

仿真過程中，設(shè)置了1000次模擬，每次模擬持續(xù)時間為24h，采樣間隔為1s。在每次模擬中，隨機插入1～3次異常事件，用于測試系統(tǒng)的檢測能力，以評估系統(tǒng)性能。

3.2　仿真效果

基于系統(tǒng)仿真分析，系統(tǒng)在各項關(guān)鍵指標上均達到或超過了設(shè)計預(yù)期，展現(xiàn)出系統(tǒng)的高性能和高可靠性，結(jié)果如表1所示。

表1 仿真結(jié)果

數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)在各類異常情況下的檢測時間均控制在30s以內(nèi)，準確率普遍超過95%，誤報率控制在2.5%以下，以上指標均優(yōu)于行業(yè)標準，體現(xiàn)了系統(tǒng)的高效性和可靠性。

4　結(jié)語

本研究開發(fā)的智能化變電站環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，通過集成多種傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)處理算法和預(yù)警模型，實現(xiàn)了對變電站環(huán)境的全面監(jiān)測和實時預(yù)警。系統(tǒng)采用的分布式架構(gòu)提高了數(shù)據(jù)采集和處理的效率，多層次的預(yù)警模型和智能化的信息推送機制增強了系統(tǒng)的預(yù)警能力和響應(yīng)速度。仿真分析結(jié)果表明，系統(tǒng)在檢測時間、準確率和誤報率等關(guān)鍵指標上均達到了較高水平，驗證了系統(tǒng)的可靠性和實用性。未來的研究可進一步優(yōu)化預(yù)警模型，引入深度學(xué)習(xí)等先進算法，提高系統(tǒng)的預(yù)測能力和自適應(yīng)性，開展系統(tǒng)在實際變電站環(huán)境中的長期運行測試，不斷完善和優(yōu)化系統(tǒng)性能。

作者簡介：

倪劍禮（1984-），男，遼寧大連人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于國網(wǎng)大連供電公司，主要從事安全智能電網(wǎng)方面的工作。

參考文獻：

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摘自《自動化博覽》2024年11月刊