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★國(guó)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(cè)；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(jìn)，變電站作為電力系統(tǒng)的重要節(jié)點(diǎn)，其運(yùn)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(jì)、預(yù)警模型設(shè)計(jì)和仿真分析，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包含基于分布式架構(gòu)的智能化變電站環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本研究設(shè)計(jì)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(jī)，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(biāo)體系，確保了系統(tǒng)的預(yù)警準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

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

1.1　系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能化變電站環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，包含了變電站現(xiàn)場(chǎng)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(yuǎn)程監(jiān)控中心和移動(dòng)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(chǎng)設(shè)備^[1]。在變電站環(huán)境監(jiān)測(cè)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(jī)監(jiān)測(cè)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(shí)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（4th-Generation，4G），進(jìn)行遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)，通過(guò)通信網(wǎng)關(guān)或者各種傳感器和采集裝置的數(shù)據(jù)，實(shí)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(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、分析和存儲(chǔ)，并通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)或外網(wǎng)將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和移動(dòng)終端。

（4）移動(dòng)終端。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了手機(jī)APP訪問(wèn)方式，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過(guò)手機(jī)APP對(duì)變電站環(huán)境進(jìn)行全面監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和管理。工作人員也可通過(guò)手機(jī)APP隨時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、接收告警信息，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)化監(jiān)控和管理。

1.2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1　圖像采集前置機(jī)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了基于嵌入式系統(tǒng)的圖像采集前置機(jī)，該設(shè)計(jì)主要包括四個(gè)功能模塊：視頻信號(hào)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(hào)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(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能，通過(guò)RJ45接口與外部網(wǎng)絡(luò)連接。圖像采集前置機(jī)在運(yùn)行中，主要通過(guò)攝像頭采集的模擬視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)SAA7111A進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字視頻信號(hào)被送入ZR36060進(jìn)行JPEG壓縮，并通過(guò)FIFO緩沖傳輸給EP1C12Q240C8處理器，最終通過(guò)RTL8019AS芯片將數(shù)據(jù)包發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。其中處理器還可以接收來(lái)自遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭的遠(yuǎn)程控制。

1.2.2環(huán)境溫濕度采集前置機(jī)設(shè)計(jì)

環(huán)境溫濕度采集前置機(jī)基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，由SHT20溫濕度傳感器、CC2530微控制器、無(wú)線通信和電源模塊組成。該前置機(jī)由SHT20傳感器通過(guò)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)或網(wǎng)關(guān)）接收到無(wú)線傳輸?shù)臏貪穸葦?shù)據(jù)后，進(jìn)一步處理溫濕度數(shù)據(jù)信息。

1.2.3風(fēng)量采集前置機(jī)設(shè)計(jì)

風(fēng)量采集前置機(jī)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(jì)在MPXV4006DP傳感器后端配置了信號(hào)調(diào)理電路，該電路以AD623運(yùn)算放大器為核心，負(fù)責(zé)對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理。經(jīng)過(guò)調(diào)理的信號(hào)通過(guò)單向二極管輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳輸給微處理器進(jìn)行處理。

風(fēng)量采集前置機(jī)在運(yùn)行中，同樣由MPXV4006DP傳感器感知風(fēng)壓變化，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，電信號(hào)經(jīng)過(guò)AD623運(yùn)放進(jìn)行放大和濾波處理，然后通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，微處理器接收數(shù)字信號(hào)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。最后通過(guò)LoRa無(wú)線模塊將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)管理系統(tǒng)，并接收系統(tǒng)指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集參數(shù)的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。

1.3　軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能化變電站環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)采用分布式設(shè)計(jì)，主要分為后臺(tái)管理系統(tǒng)和移動(dòng)端兩大部分^[2]。（1）后臺(tái)管理系統(tǒng)：作為系統(tǒng)軟件的核心，后臺(tái)管理系統(tǒng)主要包含了采集數(shù)據(jù)、日志管理、系統(tǒng)報(bào)警、設(shè)備信息維護(hù)和報(bào)表管理五個(gè)主要模塊。（2）移動(dòng)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(gè)功能模塊，可以通過(guò)系統(tǒng)軟件運(yùn)用提高系統(tǒng)靈活性和響應(yīng)速度，促使運(yùn)維人員能夠快速發(fā)現(xiàn)和處理潛在問(wèn)題。

2　智能化變電站預(yù)警系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究

2.1　預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建

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

（1）溫濕度指標(biāo)針對(duì)變電站控制柜、繼電保護(hù)室和蓄電池室等關(guān)鍵區(qū)域，設(shè)定了分級(jí)預(yù)警閾值^[3]。例如，控制柜內(nèi)部溫度預(yù)警值為35℃，報(bào)警值40℃；相對(duì)濕度預(yù)警值60%，報(bào)警值70%。（2）液位監(jiān)測(cè)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(dá)到總高度80%時(shí)預(yù)警，90%時(shí)報(bào)警。（3）空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)側(cè)重于六氟化硫（SF6）氣體濃度，預(yù)警值為3000mg/m3，報(bào)警值6000mg/m3。（4）設(shè)備異響檢測(cè)基于聲音頻譜分析，通過(guò)比對(duì)正常運(yùn)行時(shí)的聲音特征來(lái)識(shí)別潛在故障。

2.2　預(yù)警模型設(shè)計(jì)

變電站環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)采用多層次、多維度的綜合分析方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)的精準(zhǔn)識(shí)別和及時(shí)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(shí)別和預(yù)警決策五個(gè)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(guò)分布在變電站各處的傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)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(fù)責(zé)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、去噪和標(biāo)準(zhǔn)化處理，以提高后續(xù)分析的準(zhǔn)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(shí)別環(huán)節(jié)則結(jié)合支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM），對(duì)提取的特征進(jìn)行分類(lèi)和異常檢測(cè)。最后，預(yù)警決策模塊基于預(yù)設(shè)的閾值和專(zhuān)家規(guī)則，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)分析和實(shí)時(shí)趨勢(shì)預(yù)測(cè)，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(jì)

預(yù)警信息推送模塊根據(jù)預(yù)警級(jí)別和類(lèi)型對(duì)信息進(jìn)行分類(lèi)，分為普通提醒、重要預(yù)警和緊急警報(bào)三個(gè)等級(jí)^[5]。對(duì)于不同級(jí)別的預(yù)警，系統(tǒng)采用不同的推送策略。普通提醒通過(guò)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(huì)通過(guò)短信通知相關(guān)人員；緊急警報(bào)則會(huì)啟動(dòng)多重通知機(jī)制，包括系統(tǒng)彈窗、短信、電話和移動(dòng)應(yīng)用推送等，確保相關(guān)人員能夠第一時(shí)間獲知并處理緊急情況。

3　仿真分析

3.1　系統(tǒng)仿真

為驗(yàn)證智能化變電站環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的有效性和可靠性，我們?cè)O(shè)計(jì)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(xiǎn)情況^[6]。仿真主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）溫濕度仿真?；跉v史數(shù)據(jù)，建立了時(shí)間序列模型，包含日變化、季節(jié)變化和隨機(jī)擾動(dòng)三個(gè)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(jí)數(shù)擬合，考慮了年周期變化；隨機(jī)擾動(dòng)則采用均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為1.5℃的高斯白噪聲模擬。

（2）液位監(jiān)測(cè)仿真。針對(duì)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(qiáng)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(guò)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(chǎng)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?；谡＿\(yùn)行設(shè)備的聲音頻譜，添加了不同類(lèi)型和程度的噪聲信號(hào)。在模擬變壓器異常時(shí)，在1kHz-2kHz頻段增加了10dB的噪聲；模擬斷路器故障時(shí)，在50Hz-100Hz頻段增加了15dB的脈沖噪聲。

仿真過(guò)程中，設(shè)置了1000次模擬，每次模擬持續(xù)時(shí)間為24h，采樣間隔為1s。在每次模擬中，隨機(jī)插入1～3次異常事件，用于測(cè)試系統(tǒng)的檢測(cè)能力，以評(píng)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(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)上均達(dá)到或超過(guò)了設(shè)計(jì)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(lèi)異常情況下的檢測(cè)時(shí)間均控制在30s以內(nèi)，準(zhǔn)確率普遍超過(guò)95%，誤報(bào)率控制在2.5%以下，以上指標(biāo)均優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)了系統(tǒng)的高效性和可靠性。

4　結(jié)語(yǔ)

本研究開(kāi)發(fā)的智能化變電站環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)集成多種傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)處理算法和預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變電站環(huán)境的全面監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)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(jī)制增強(qiáng)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(cè)時(shí)間、準(zhǔn)確率和誤報(bào)率等關(guān)鍵指標(biāo)上均達(dá)到了較高水平，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。未來(lái)的研究可進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)警模型，引入深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)算法，提高系統(tǒng)的預(yù)測(cè)能力和自適應(yīng)性，開(kāi)展系統(tǒng)在實(shí)際變電站環(huán)境中的長(zhǎng)期運(yùn)行測(cè)試，不斷完善和優(yōu)化系統(tǒng)性能。

作者簡(jiǎn)介：

倪劍禮（1984-），男，遼寧大連人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于國(guó)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(xiàn)：

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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年11月刊