基于物联网技术的10kv变电站电力监控系统的设计与应用 行业动态-凯发k8一触即发
1前言
电作为一种能源，在日常生活中的地位越来越重要，提高供电可靠性是供电企业面临的一大难题。变电站作为电能的集中和分散点，提高其供电的可靠性，是解决持续供电问题的关键所在。随着不同建筑中用电设备的多样性和差异性的快速发展，各类建筑对通信质量、稳定性、可靠性等提出了更高的要求。而随着科技的进步，配电设备“触网”也使得低压配电设备在信息采集与通信上取得了长足的发展，因此变电站的信息量变得更加的复杂化和系统化。更因为与“大数据”和“云平台”这些概念的交互，而信息的采集也成为变电站重要的功能之一。但就目前的变电站监控系统来讲，由于10kv变电站中设备数量多、供电环境复杂、数据传输干扰大等问题，导致变电站监控系统数据采集困难、传输距离短、数据失真严重等。故本文对提出结合物联网技术建立变电站监控系统，实现信息优化管理，全方位监控设备运行状态，为日常电网运行管理和系统故障分析提供可靠而且全面的数据支持。
2 10kv电力监控系统的现状与不足
变电站电力监控系统作为电力的管理系统之一，在我国已经有几十年的发展历程，但就目前我国电力发展水平来看，和西方发达国家还存在较大的差距，远远跟不上现代电力工业发展的步伐。目前主要存在以下问题：（1）由于信息监控系统方面的知识欠缺、设备制造商和软件集成商技术上的差异、对变电站监控信息的重视程度不够等原因，造成目前10kv变电站电力监控工作站监控系统处于使用程度普遍较低的情况，只重视对电力系统的保护，对于监控比较轻视。（2）随着物联网技术的不断升级，信息交换数据的能力越来越强，从最开始的单字节传输到后来的文本、图片、音频、视频、远程遥控等，对变电站智能化运维的要求也越来越高。（3）不同建筑功能的不同，用电设备和监控设备也不同，对于低压出线柜的运行性能和参数关注点更不一样；尽管数据多而全，但往往从数据中并不能分析潜在的问题。
3 10kv电力监控系统的架构与功能
3.1系统拓扑结构
本文针对10kv变电站的用电设备及运维人员关注的运行参数，对电力监控系统的架构进行分析。通过在变电站部署相应的物联网感知设备，建立复杂条件下物联网环境感知机制，通过环境感知系统、多态通信系统、智能分析系统、数据分析系统等，实现对变电站环境、基础设施、人员往来、异常状况等多因素多维度实现深度感知。将电力监控系统分为设备层、通讯层和监控层三部分，具体如图1所示。
由上述系统架构可知，设备层主要对高压开关柜（如综保），低压开关柜计量设备（如电表）、执行设备（如断路器）、特殊设备（如有源滤波器）及安全监控设备（如摄像头、门禁）等，实现物联网感知设备数据的采集。由于终端设备的功能、技术的不同，其传输协议也不同，主要有modbus-rtu、iec61850、sdk、web service等协议。由于协议的不同，其硬件传输链路也不同，为实现布线的统一性，在通讯层设置数据采集器／网关、交换机等，以实现对设备通讯协议的转换及设备的物理接线统一至ip管理网中，将各种不同协议、形式的数据传输至监控层。监控层用以实现各物联网感知设备的参数进行采集、存储、分析及管理。且考虑未来对于大数据的需求，预留通讯接口将相应的数据推送到云端和其他系统。
3.2系统功能
电力监控系统在变电站智能监控中发挥核心作用，用户能够借助电力监控平台，对电力系统运行状况、设备运行状态、现场视频等信息及时了解，提高变电站安全可靠性和运行管理水平，及时掌握设备运行的参数和状态，加快变电站工作过程中对异常状况的反应速度，
并产生所需报表。为充分发挥电力监控系统的作用，实现电力监控系统的无人值守，本文设计的l0kv电力监控系统主要包括以下功能。
（1）网络结构
反映电力监控系统中设备的连接形式，展示从监控层设备到设备层设备的通讯链路，便于运维人员在设备通讯状况存在问题时对设备的检测和维修。
（2）设备信息实时监控
电力监控界面直观化，显示样式与设计图纸、现场情况对应化，信息显示内容规范化；实时监测变电站中高低压设备电能质量数据、运行状态、断路器上下级配合状况等信息。例如，高压设备、低压设备、直流设备、特殊监测设备（有源滤波器、功率因数控制器等）。
（3）“五遥”监测
通过传统的“四遥”技术+视频监控功能，不仅可以实现对变电站中设备的遥信、遥测、遥控和遥调信号的实时监控，对变电站设备的运行状况进行实时反馈显示。且为实现变电站的无人值守及电力监控系统集成遥视功能，对电力设备运行状况进行实时监视。
（4）设备维护可视化
可显示高低压设备回路测量参数、操作记录，并对设备通讯状态、断路器使用寿命等设备运维参数实时显示，及时提醒更换存在安全隐患的设备。
（5）故障分析与波形记录
当存在用电设备针对功率因数、电压骤升／骤降等事件比较敏感时，发生相应事件时可实现最少两个周期的波形数据记录，并通过电力监控系统的波形捕捉功能显示出来，便于后期电力专家通过波形数据对事件进行分析。
（6）报警管理
存储、管理设备产生的报警记录、信息日志和人员登录日志。可提供报警发生的详细位置、原因和人员操作情况，及时通知运维人员，加快维修速度，提高维修质量。
（7）报表查询
提供丰富的报表功能，用户可以对存储的数据按照年、月、周、日以及自定义日期查看报表，并按照excel，pdf等格式保存；可实现自动能源分析报告，对各出线柜的负荷曲线进行分析，对峰谷平电价进行指导，任意日期的能耗跨期对比报告、各分项能耗的排名报告等。
（8）用户管理
根据需要设置不同的角色和用户，给定不同的权限，实现不同角色、用户对系统的差异性操作，保证系统数据安全，实现问题责任追查。
4应用案例
4.1电力监控系统
某办公楼项目，根据业主要求本着实用性与先进性相结合的原则，在变电站高低压配电柜及安防系统设置了物联网感知传感器，实现对设备信息采集、存储及分析管理。结合建立的电力监控系统的功能模块实现变电站的智慧运行。且依据先进性的要求，在本电站中创新实现了以下各项功能
（1）为进一步实现实时监控、防盗报警、远程控制以及状态记录等功能，在传统“四遥”的基础上添加遥视的功能，实现变电站的无人值守。通过对变电站内部及控制室进行实时监控，建立在高低压回路发生重要报警及门禁系统非法闯入事件时，进行智能模型判断并及时发出告警，从自主、人工两个方面开展有效处置。如图2所示。
（2）对低压出线柜执行装置断路器的使用寿命实时监控，便于运维人员及时发现断路器存在的安全隐患，实现提前预警。在低压配电柜内对重要回路设置了智能配电设备，用以采集回路信息。项目中为网络机房干线、办公用电干线、空调机房干线、主要动力干线、变电站回路等回路进行实时监测，通过采集电子脱扣器内部的参数，将断路器的实时状态上传到管理平台。通过对设备信息的采集，可以将设备的老化分析、触头磨损等数据在软件中逐一显示。如图3所示。
（3）由发电源质量、输配电系统、用电设备导致产生的谐波，实际上是一种干扰量，其中用电设备产生的谐波最多。随着目前用电设备的增多，配电系统更是产生大量的谐波，故变电站根据目前用电设备不断增多的趋势，安装了有源滤波器系统，对谐波进行滤波处理。有源滤波器滤波实时状况如图4所示。
（4）在国际上已经公认，电压骤降是最严重的电能质量事件，约有80%以上的电能质量事故是由电压骤降造成的。且电压骤升／骤降的问题是无法避免的。它产生的因素有多种，例如供电系统的可靠性、各种短路故障、雷击事件、倒闸开关、变压器及电容器的投切等。由于它产生的时间较短，在电力系统受到影响时往往不能找到原因，更不能针对类似问题进行分析，故本变电站对电压骤升／骤降事件进行捕捉，帮助分析产生的相关原因，避免事件的再次发生，在发生电压骤降时，捕捉到的数据波形如图5所示。
4.2数据分析
对变电站内的运行数据进行分析应用，发现其中的问题并及时对问题进行分析处理，对于未来对电力监控系统的数据应用业务模块的建立具有重要的意义。例如，通过电力监控系统对内桥架线缆温度、线槽温度与电流的大量的数据进行分析，对其是否符合设计要求及规范进行研究分析。采集某办公楼内变电站的低压出线的温度在2017年4月5日24h内的温度显示趋势（如图6所示）以及屋顶线槽在2016年10月10日至2017年4月20日期间的温度趋势（如图7所示）：对b1-4f照明插座电缆电流非消防电梯电缆电流在201 7年4月5日24h的趋势图和使用的线缆规格进行综合分析。通过分析可知，电缆导体的温升与其载流量大小直接相关，与室外温度有关，但影响并不一定成正比，特别是在民用建筑中，通常电缆载流量只达到应有的50%，外界温度影响十分有限，但在现有规范中有不同要求。主要结论如下：
（1）无论电缆敷设在室内还是室外，电缆导体敷设处的环境温度固然重要，但起决定性作用的是电缆载流量的实际大小，对电缆温度影响更严重。而现行规范仅关注环境温度。
（2）规范仅以电缆敷设处的环境温度进行导体的允许载流量校正，而通过数据分析发现，实际上电缆实际载流量的大小因素更重要。
（3）规范规定在电缆采用不同敷设方式时，其载流量的校正系数有不同要求，敷设越多，折减越大。经过数据分析可知，电缆实际载流量的大小影响更大，当电缆载流量只达到其应有的50%时，可以不考虑折减。按照实际数据分析进行设计和施工，可以节省大量电缆的有色金属用量。
5结束语
智能变电站是变电站建设未来发展的必然趋势，通过物联网技术将变电站内各种感知传感器的信号进行采集、存储、分析和管理，用最科学有效的数据参数实现对变电站可靠、稳定的智慧运行。且通过对变电站内多种数据的有效分析、可以帮助变电站工程设计人员更好地理解相关规范的要求和运维人员关注的问题，对于实现变电站监控系统信息优化管理，提高变电系统自动化管理水平及未来对电力监控系统的大数据整合、挖掘分析具有重要的作用。
注：本文所及内容属天津市建委料技项目：基于物联集成技术的超大型绿色建筑群的智慧运维管理关键技术研究，项目编号为2016-24。
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