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劉細(xì)鳳
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:針對當(dāng)前變電站監(jiān)控系統(tǒng)尚不完善各部功能復(fù)用、難以交互且基本運維仍需人工干預(yù)等問題設(shè)計了一種變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)由終端控制單元、傳輸網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心集成終端控制單元負(fù)責(zé)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、儀表示數(shù)讀取、中央指令收發(fā)解析及數(shù)據(jù)上傳各變電站通過VPN與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心相連遠(yuǎn)程監(jiān)控中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)實時處理、數(shù)據(jù)庫存儲、系統(tǒng)前端界面服務(wù)等經(jīng)試驗該系統(tǒng)實現(xiàn)了對變電站的溫濕度監(jiān)測、煙霧警報、風(fēng)冷散熱控制、燈光控制、給排水控制及機電儀表監(jiān)測達(dá)到了預(yù)期效果有效提高了智能變電站的運維管理保證其安全平穩(wěn)有效運行實現(xiàn)無人值守。
關(guān)鍵詞:變電站;智能監(jiān)控系統(tǒng);儀表示數(shù)讀取;VPN;無人值守
0引言
變電站是發(fā)電、輸電及配電系統(tǒng)的重要組成部分其主要功用為執(zhí)行所在區(qū)域的配變電工作是保證電網(wǎng)平穩(wěn)運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)變電站往往地處偏遠(yuǎn)且分布較為分散隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的擴大與變電站數(shù)目的日益增多僅依靠人工值守遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足變電站的運維管理需求由此選用數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行遙距管控至關(guān)重要目前變電站多已實現(xiàn)對變壓器、斷路器等核心設(shè)備的監(jiān)控但監(jiān)控系統(tǒng)對變電站內(nèi)溫濕度、照明等環(huán)境參數(shù)及各機電設(shè)備指針參數(shù)的監(jiān)控明顯不足且基本的運行維護(hù)仍需人工干預(yù)此外變電站現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)各部相對獨立難以交互功能復(fù)用、服務(wù)器資源浪費等問題層出不窮。
為解決上述問題該文提出了一種變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對變電站運行環(huán)境及各設(shè)備指針儀表數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控有效提高智能變電站的運維管理保證其安全平穩(wěn)有效運行實現(xiàn)無人值守。
1系統(tǒng)概述
該系統(tǒng)由終端控制單元、傳輸網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心3部分組成終端控制單元集成傳感器、執(zhí)行設(shè)備等各輔助終端設(shè)備可實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、儀表示數(shù)讀取、中央指令收發(fā)解析、數(shù)據(jù)上傳等功能作為站端個體的各變電站通過VPN與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心相連以保證系統(tǒng)整體處于虛擬局域網(wǎng)內(nèi)可有效避免外部入侵遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時處理、數(shù)據(jù)庫存儲、系統(tǒng)前端界面服務(wù)等功能系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示
2硬件設(shè)計
2.1終端控制單元
終端控制單元由主控模塊、指令模塊、通信模塊3部分組成主控模塊是終端控制單元的核心負(fù)責(zé)將來自終端設(shè)備的環(huán)境、儀表等各參數(shù)數(shù)據(jù)信息處理為系統(tǒng)可識別的物理量值并傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心同時將監(jiān)控中心的示警信息反饋至各設(shè)備及執(zhí)行單元從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互指令模塊負(fù)責(zé)解析來自主控模塊的控制指令并將指令程序發(fā)送至各電力設(shè)備通信模塊即系統(tǒng)底層各部基礎(chǔ)通信配置。終端控制單元原理框圖如圖2所示
圖2終端控制單元原理框圖
其中終端控制單元以S3C6410芯片作為處理器核心其主頻*高可達(dá)667Hz*高可支持512M內(nèi)存?zhèn)鞲衅鬟x用FT-WQX7型七參數(shù)一體環(huán)境監(jiān)測傳感器高度集成氣象標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)可實現(xiàn)對環(huán)境溫度、相對濕度、大氣壓力、風(fēng)向、風(fēng)速、光強、降雨量等環(huán)境要素的連續(xù)實時在線監(jiān)測且測量精度高、性能穩(wěn)定可靠此外儀表監(jiān)控依托變電站巡檢機器人實現(xiàn)機器人攜帶攝像機獲取待識別的儀表圖片而后通過實時數(shù)據(jù)分析遠(yuǎn)程監(jiān)控中心即可獲悉變電站各設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。
2.2傳輸網(wǎng)絡(luò)
變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)存在多處節(jié)點均需交互通信如傳感器節(jié)點與終端控制單元、終端控制單元與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心等故該系統(tǒng)設(shè)計選用多種通信方式。
2.2.1傳感器節(jié)點與終端控制單元
為減少布線、降低系統(tǒng)部署難度該系統(tǒng)各傳感器節(jié)點與終端控制單元間的通信基于ZigBee實現(xiàn)ZigBee基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)可同時組網(wǎng)254個節(jié)點具有高可靠性滿足變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)需求。
2.2.2儀表監(jiān)控系統(tǒng)與終端控制單元
當(dāng)前變電站巡檢機器人多通過WIFI無線網(wǎng)橋傳輸數(shù)據(jù)信息但此種通信方式網(wǎng)絡(luò)安全系數(shù)較低故該系統(tǒng)加裝加密通信模塊采用支持WAPI無線標(biāo)準(zhǔn)的無線專網(wǎng)通信模組實現(xiàn)儀表監(jiān)控系統(tǒng)與終端控制單元的平穩(wěn)通信可有效避免外部入侵。
2.2.3終端控制單元與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心
終端控制單元與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心基于TCP/IP協(xié)議通信由于接收數(shù)據(jù)量過于龐大考慮數(shù)據(jù)傳輸及指令下達(dá)的實時性、穩(wěn)定性系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通信方式實現(xiàn)終端控制單元與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的信息交互。
對于以太網(wǎng)接口存在兩種接口形式即標(biāo)準(zhǔn)R45接口和SPF光纖接口因系統(tǒng)需實現(xiàn)長距傳輸且在變電站中存在強電磁干擾故采用光纖通信線纜進(jìn)行傳輸可很大程度減輕電磁干擾的影響保證傳輸信號的穩(wěn)定。
2.2.4其他通信
由于系統(tǒng)需依據(jù)變電站實際場景需求增設(shè)相應(yīng)監(jiān)控終端及傳感器為保證系統(tǒng)具有較高的兼容性、擴展性在設(shè)計上選擇預(yù)留不同的總線及通信接口如CAN總線接口、RJ45接口、RS232接口等。
3軟件設(shè)計
3.1終端控制單元程序設(shè)計
終端控制單元是遠(yuǎn)程監(jiān)控中心與變電站各設(shè)備間實現(xiàn)交互的核心環(huán)節(jié)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、儀表數(shù)據(jù)獲取上傳、中央指令收發(fā)解析等均通過終端控制單元實現(xiàn)其終端控制單元業(yè)務(wù)處理程序流程圖如圖3所示
圖3終端控制單元業(yè)務(wù)處理程序流程圖
3.2系統(tǒng)主機軟件
變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)由溫度監(jiān)測子系統(tǒng)、濕度監(jiān)測子系統(tǒng)、煙霧警報子系統(tǒng)、風(fēng)冷散熱控制子系統(tǒng)、燈光控制子系統(tǒng)、給排水控制子系統(tǒng)、機電儀表監(jiān)測子系統(tǒng)集成子系統(tǒng)示意圖如圖4所示
系統(tǒng)主機軟件使用C#WinForm開發(fā)采用并行任務(wù)處理模式如圖5(a)所示(以溫度監(jiān)測子系統(tǒng)為例)系統(tǒng)電機監(jiān)測界面包括主界面、波形顯示界面、設(shè)置界面及歷史數(shù)據(jù)界面主界面中主要為串口選擇、8路溫度數(shù)據(jù)實時顯示、某時間段內(nèi)電機運行數(shù)據(jù)查詢及設(shè)備運行狀態(tài)異常監(jiān)測波形顯示界面用于顯示電機實時運行狀態(tài)曲線設(shè)置界面如圖5(b)所示除設(shè)置溫度上限報警閾值外還可對所采集溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性補償。
圖5變電站溫度監(jiān)控子系統(tǒng)界面
3.3指針儀表自識別
變電站電機指針儀表的監(jiān)測與示數(shù)識別流程如圖6所示其中核心環(huán)節(jié)為目標(biāo)檢測與目標(biāo)識別。
3.3.1目標(biāo)檢測
對于目標(biāo)位置檢測為提高定位的實時性、準(zhǔn)確性*大程度減輕距離、曲率角度、位姿等差異對清晰儀表圖像獲取的影響系統(tǒng)采用基于SSD網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)檢測算法實現(xiàn)定位其損失函數(shù)為位置誤差與類別置信度誤差的加權(quán)和如式(1)所示:
式中:c為類別置信度預(yù)測值且c∈[0,1]l為先驗框?qū)?yīng)邊界框位置的預(yù)測值g為待識別真實目標(biāo)框N為先驗框正樣本數(shù)α為權(quán)重系數(shù)默認(rèn)其值為1。
3.3.2目標(biāo)識別
由于變電站大量儀表處于室外環(huán)境為校正不均勻光照的影響系統(tǒng)采用基于二維Gamma函數(shù)的校正算法利用提取出的光照分量依據(jù)其分布特性自適應(yīng)校正不均勻光照校正流程如圖7所示
圖7不均勻光照校正流程
對于儀表示數(shù)識別系統(tǒng)采用改進(jìn)的基于MS-ER提取指針區(qū)域算法通過*大穩(wěn)定極值的兩次穩(wěn)定區(qū)域檢測提取指針區(qū)域而后以指針通過儀表軸心為條件結(jié)合Zhang細(xì)化算法及累計概率霍夫變換(PPHT)精準(zhǔn)定位指針*后構(gòu)建儀表讀數(shù)坐標(biāo)系以獲取儀表示數(shù)。
4系統(tǒng)測試
該智能監(jiān)控系統(tǒng)在變電站進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)現(xiàn)場實際測試系統(tǒng)效果良好。
4.1指針儀表識別測試
共選取100張儀表圖片進(jìn)行示數(shù)識別測試表1所示為部分實驗結(jié)果對比目視結(jié)果與系統(tǒng)識別結(jié)果實驗數(shù)據(jù)表明:系統(tǒng)識別結(jié)果準(zhǔn)確率可達(dá)98%系統(tǒng)指針儀表識別性能良好可在技術(shù)上為機電儀表監(jiān)測子系統(tǒng)提供有力支撐。
表1指針儀表識別測試結(jié)果
注:誤差 = 目視結(jié)果 - 系統(tǒng)識別結(jié)果
相對誤差率 = 相對誤差 ( 目視結(jié)果 ) × 100%
4.2系統(tǒng)整體測試
系統(tǒng)整體測試結(jié)果如表2所示
由現(xiàn)場測試結(jié)果可知系統(tǒng)各裝置測試效果良好成功率高實現(xiàn)了對變電站運行環(huán)境及各設(shè)備指針儀表數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控保證其安全平穩(wěn)有效運行。
5安科瑞電力監(jiān)控解決方案
5.1概述
針對用戶變電站(一般為35kV及以下電壓等級),通過微機保護(hù)裝置、開關(guān)柜綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、配電室環(huán)境監(jiān)控設(shè)備、弧光保護(hù)裝置等設(shè)備組成綜合自動化的綜合監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)了變電、配電、用電的安全運行和全面管理。監(jiān)控范圍包括用戶變電站、開閉所、變電所及配電室等。
Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)是安科瑞電氣股份有限公司根據(jù)電力系統(tǒng)自動化及無人值守的要求,針對35kV及以下電壓等級研發(fā)出的一套分層分布式變電站監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是應(yīng)用電力自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息傳輸技術(shù),集保護(hù)、監(jiān)測、控制、通信等功能于一體的開放式、網(wǎng)絡(luò)化、單元化、組態(tài)化的系統(tǒng),適用于35kV及以下電壓等級的城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)變電站和用戶變電站,可實現(xiàn)對變電站的控制和管理,滿足變電站無人或少人值守的需求,為變電站安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行提供了堅實的保障。
5.2應(yīng)用場所
適用于軌道交通,工業(yè),建筑,學(xué)校,商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統(tǒng)工程設(shè)計、施工和運行維護(hù)。
5.3系統(tǒng)架構(gòu)
Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式設(shè)計,可分為三層:站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場設(shè)備層,組網(wǎng)方式可為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、光纖星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),根據(jù)用戶用電規(guī)模、用電設(shè)備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。
5.4系統(tǒng)功能
(1)實時監(jiān)測:直觀顯示配電網(wǎng)的運行狀態(tài),實時監(jiān)測各回路電參數(shù)信息,動態(tài)監(jiān)視各配電回路有關(guān)故障、告警等信號。
(2)電參量查詢:在配電一次圖中,可以直接查看該回路詳細(xì)電參量。
(3)曲線查詢:可以直接查看各電參量曲線。
(4)運行報表:查詢各回路或設(shè)備時間的運行參數(shù)。
(5)實時告警:具有實時告警功能,系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈愤b信變位,保護(hù)動作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。
(6)歷史事件查詢:對事件記錄進(jìn)行存儲和管理,方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進(jìn)行歷史追溯,查詢統(tǒng)計、事故分析。
(7)電能統(tǒng)計報表:系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能,用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況。
(8)用戶權(quán)限管理:設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能,可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限。
(9)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D:支持實時監(jiān)視并診斷各設(shè)備的通訊狀態(tài),能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
(10)電能質(zhì)量監(jiān)測:可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測。
(11)遙控功能:可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作。
(12)故障錄波:可在系統(tǒng)發(fā)生故障時,自動準(zhǔn)確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況。
(13)事故追憶:可自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時穩(wěn)態(tài)信息。
(14)Web訪問:展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息,設(shè)備通信狀態(tài),用電分析和事件記錄。
(15)APP訪問:設(shè)備數(shù)據(jù)頁面顯示各設(shè)備的電參量數(shù)據(jù)以及曲線。
5.5系統(tǒng)硬件配置
應(yīng)用場合 | 型號 | 圖 片 | 保護(hù)功能 |
電力監(jiān)控系統(tǒng) | Acrel- 2000Z | 電力監(jiān)控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所,對變電所高壓回路配置微機保護(hù)裝置及多功能儀表進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控,對0.4kV出線配置多功能計量儀表,用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況,可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關(guān)柜、變壓器微機保護(hù)測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS,包括遙控、遙信、遙測、遙調(diào)、事故報警及記錄等。 | |
網(wǎng)關(guān) | ANet- 2E8S1 | 8路RS485串口,光耦隔離,2路以太網(wǎng)接口,支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA等協(xié)議的數(shù)據(jù)接入,ModbusTCP(主、從)、104(主、從)、建筑能耗、SNMP、MQTT等協(xié)議上傳,支持?jǐn)帱c續(xù)傳、XML、JSON進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、支持標(biāo)準(zhǔn)8GBSD卡(32GB)、支持不同協(xié)議向多平臺轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);每個設(shè)備的多個報警設(shè)置。輸入電源:AC/DC220V,導(dǎo)軌式安裝。 | |
35kV/10kV/6kV 微機保護(hù)裝置 | AM6-*AM5SE-* | 適用于6-35kv配電線路、主變、配電變壓器、電動機、電容器、PT監(jiān)測/PT并列、母聯(lián)/備自投等中高壓柜微機保護(hù) | |
35kV/10kV/6kV 弧光保護(hù) | ARB5-M | 主控單元,可接20路弧光信號或4個擴展單元,配置弧光保護(hù)(8組)、失靈保護(hù)(4組)、TA斷線監(jiān)測(4組)、11個跳閘出口; | |
ARB5-E | 擴展單元,多可以插接6塊擴展插件,每個擴展插件可以采集5路弧光信號: | ||
ARB5-S | 弧光探頭,可安裝于中壓開關(guān)柜的母線室、斷路器室或電纜室,也可于低壓柜?;」馓筋^的檢測范圍為180°,半徑0.5m的扇形區(qū)域; | ||
35kV/10kV/6kV 進(jìn)線柜電能質(zhì)量 在線監(jiān)測 | APView500 | 相電壓電流+零序電壓零序電流,電壓電流不平衡度,有功無功功率及電能、事件告警及故障錄波,諧波(電壓/電流63次諧波、63組間諧波、諧波相角、諧波含有率、諧波功率、諧波畸變率、K因子)、波動/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點波形采樣、觸發(fā)及定時錄波,波形實時顯示及故障波形查看,PQDIF格式文件存儲,內(nèi)存32G,16D0+22D1,通訊2RS485+1RS232+1GPS,3以太網(wǎng)接口(+1維護(hù)網(wǎng)口)+1USB接口支持U盤讀取數(shù)據(jù),支持61850協(xié)議。 | |
35kV/100kV/6kV 高壓柜智能操控、 節(jié)點測溫 | ASD500 | 5寸大液晶彩屏動態(tài)顯示一次模擬圖及彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、3路溫溫度控制及顯示、遠(yuǎn)方/就地、分合閘、儲能旋鈕預(yù)分預(yù)合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應(yīng)、柜內(nèi)照明控制、1路以太網(wǎng)、2路RS485、1路USB接口、GPS對時、高壓柜內(nèi)電氣接點無線測溫、全電參量測溫、脈沖輸出、4~20mA輸出; | |
35kV/10kV/6kV 間隔電參量測量 | APM830 | 三相(1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ),零序電流In,四象限電能,實時及需量,本月和上月值,電流、電壓不平衡度,66種報警類型及外部事件(SOE)各16條事件記錄,支持SD卡擴展記錄,2-63次諧波,2D1+2D0,RS485/Modbus,LCD顯示; |
0.4KV低壓進(jìn)線柜多功能電力儀表 | AEM96 | 三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量,總正反向有功電能統(tǒng)計,正反向無功電能統(tǒng)計;2-31次分次諧波及總諧波含量分析、分相諧波及基波電參量(電壓、電流、功率);電流規(guī)格3×1.5(6)A,有功電能精度0.5S級,無功電能精度2級;工作溫度:-10℃~+55℃;相對濕度:≤95不結(jié)露 | |
0.4KV低壓出線柜多功能電力儀表 | AEM72 | 三相電參量U、1、P、Q、S、PF、F測量,總正反向有功電能統(tǒng)計,正反向無功電能統(tǒng)計;2-31次分次諧波及總諧波含量分析、低壓出線分相諧波及基波電參量(電壓、電流、功率);電流規(guī)格3x1.5(6)A,有功電能精度0.5S級,無功電能精度2級 |
6結(jié)束語
該文提出了一種變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對變電站運行環(huán)境及各機電設(shè)備指針儀表數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控有效提高了智能變電站的運維管理保證其安全平穩(wěn)有效運行有效解決了當(dāng)前變電站監(jiān)控系統(tǒng)尚不完善各部功能復(fù)用、難以交互且基本運維仍需人工干預(yù)等問題實現(xiàn)了無人值守。
參考文獻(xiàn)
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[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)應(yīng)用手冊.2022.05版.
作者簡介
劉細(xì)鳳,女,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向為智能照明控制系統(tǒng)領(lǐng)域