翟文亞

（山東理工職業(yè)學(xué)院 山東 濟(jì)寧 272000）

0 引言

普通變電站和信息技術(shù)結(jié)合為現(xiàn)代電力行業(yè)生產(chǎn)工作的發(fā)展基礎(chǔ)，信息技術(shù)的特點(diǎn)為自動化、智能化，對傳統(tǒng)變電站設(shè)備運(yùn)行管理工作進(jìn)行升級。 技術(shù)人員通過專門的軟件程序?qū)ψ冸娬緝?nèi)部設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，如果出現(xiàn)異常問題，系統(tǒng)裝置能夠及時(shí)解決問題。 技術(shù)人員以系統(tǒng)反饋結(jié)果實(shí)現(xiàn)針對性對策，使智能變電站設(shè)備的運(yùn)行隱患得到降低。 因此，本文分析變電站監(jiān)控運(yùn)維系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［1］。

1 系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)分析，設(shè)計(jì)人員通過網(wǎng)絡(luò)層、感知層和應(yīng)用層構(gòu)成系統(tǒng)架構(gòu)，圖1 為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)

1.1 應(yīng)用層

主站應(yīng)用軟件平臺能夠細(xì)化不同的輸入性質(zhì)，通過數(shù)據(jù)庫軟件、通信軟件與監(jiān)視軟件構(gòu)成。 在創(chuàng)建應(yīng)用軟件平臺時(shí)，根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化商業(yè)數(shù)據(jù)庫，使系統(tǒng)開放性程度得到加強(qiáng)。 通過客觀分析，應(yīng)用軟件平臺為一體化系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)縱橫向的集成管理，并且為各個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行環(huán)境。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能變電站監(jiān)控與運(yùn)維系統(tǒng)的智能數(shù)據(jù)采集終端特點(diǎn)為：

（1）設(shè)計(jì)人員通過高集成微電子技術(shù)靈活配置通信方式，并且實(shí)現(xiàn)安裝維護(hù)，提高終端集成度；

（2）利用液晶顯示器漢字顯示功能將數(shù)據(jù)資源提供給終端配置和告警管理裝置，對運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和管理，設(shè)計(jì)人員使用大容量存儲器保管運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)；

（3）監(jiān)控信息實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，通過以太網(wǎng)、無線射頻網(wǎng)絡(luò)等方式，加強(qiáng)設(shè)備信息的傳輸效率；

（4）在對集中器進(jìn)行選擇時(shí)，要對支持環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行優(yōu)先選擇［2］。

1.3 感知層

利用數(shù)字式傳感器結(jié)合有源無線射頻傳輸，加強(qiáng)變電站環(huán)境信號的傳輸效率。 另外，利用軟件選擇電路板和無線傳感器設(shè)備，監(jiān)測濕度和溫度并以氟化硫（SF）氣體傳感器監(jiān)測，隨后反饋結(jié)果，精準(zhǔn)評估變電站設(shè)備等運(yùn)行環(huán)境。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 無線物聯(lián)傳感器

以物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)的流向和處理方式，將物聯(lián)網(wǎng)劃分成為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層。 在感知層中安裝紅外線、攝像頭、讀寫器等終端，此類傳感器能夠?qū)ξ锢硎录c數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。 因此設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是通過智能變電站系統(tǒng)在監(jiān)測處理器中流入，所以將攝像頭、溫濕度傳感器等設(shè)備安裝在智能變電站環(huán)境中［3］。

2.2 分布式變電站通信體系

根據(jù)變電站通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議，劃分智能變電站通信體系包括變電站層、間隔層和設(shè)備層，實(shí)現(xiàn)分層分布式結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建。 變電站層能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)一次設(shè)備組織劃分間隔層，包括機(jī)電保護(hù)和測量等。 假如在線傳輸智能變電站數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中，就要制定針對性網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。 此協(xié)議為IEC6185 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，基于此對通信網(wǎng)絡(luò)邏輯節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，和通信服務(wù)器連接構(gòu)成智能變電站和監(jiān)測服務(wù)器的邏輯通路，圖2 為分層分布式結(jié)構(gòu)。

圖2 分層分布式結(jié)構(gòu)

2.3 主控芯片和微處理器選型

智能變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)主控芯片為CC2530，此芯片中具備收發(fā)器功能，并且滿足分層分布式通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)需求，在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性較高。 智能變電站監(jiān)測不僅包括數(shù)據(jù)，還要對視頻圖像收集，所以占據(jù)系統(tǒng)內(nèi)存比較大。 為了保證系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的效率高，要將增強(qiáng)型8051 MCU 設(shè)置在主控芯片中，能夠直接實(shí)現(xiàn)閃存編程。 在線監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的數(shù)據(jù)運(yùn)算要求，利用數(shù)字信號處理器（digital signal processor，DSP），能夠在無故障的狀態(tài)下連續(xù)工作，并且外界電磁信號不會對其造成影響［4］。

2.4 人員定位終端設(shè)計(jì)

人員定位終端為無線傳感器（ZigBee）網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，在本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，此模塊利用參考點(diǎn)的位置設(shè)置定位人員。 智能變電站輔助管理系統(tǒng)的軟件能夠在視頻監(jiān)控系統(tǒng)云臺實(shí)現(xiàn)人員位置信息的發(fā)送，調(diào)整視角后對拍攝人員進(jìn)行追蹤。 也可根據(jù)相應(yīng)的位置劃分工作區(qū)域，實(shí)現(xiàn)電子圍欄的功能。

人員定位終端由工作人員隨身攜帶，可以通過電池進(jìn)行供電，終端一般處于實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，能夠?qū)崟r(shí)判斷參考點(diǎn)的位置并上傳位置信息。

2.5 設(shè)備電源系統(tǒng)

針對系統(tǒng)設(shè)備電源的供電問題，以不同的場所和用途劃分為電感供電、感應(yīng)電源供電等。 本文系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對于無線傳感器外的設(shè)備供電。 對于無線傳感網(wǎng)設(shè)備來說，要求協(xié)調(diào)器與路由同時(shí)工作，保證系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的正常功能，利用電池進(jìn)行供電。

在實(shí)現(xiàn)線纜、母排節(jié)點(diǎn)、開關(guān)觸點(diǎn)等溫度監(jiān)控時(shí)，設(shè)備在運(yùn)行過程中改變溫度的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 在監(jiān)控節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備供電時(shí)，通過感應(yīng)電能拾取線圈。 以此，避免出現(xiàn)有線供電布線等情況，還能夠使電池取電過程中需要頻繁更換電池的問題得到解決。

取能電源的構(gòu)成包括補(bǔ)償鐵心與線圈、整流濾波單元、取能鐵心與線圈、降壓穩(wěn)壓單元，使用軟磁材料，取能鐵心初始磁導(dǎo)率比補(bǔ)償鐵心要高，并且兩者反向串聯(lián)，抵消大電流感應(yīng)電動勢，從而降低熱耗。 沖擊保護(hù)單元吸收脈沖尖峰、前端飽和等，緩沖高頻能量。 在正路濾波單元中將交流電整流作為脈沖直流電，然后進(jìn)行諧波的濾波。通過降壓穩(wěn)壓單元保護(hù)輸出電壓，利用斬波器變換，從而輸出直流恒壓。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 開關(guān)觸點(diǎn)溫度檢測

高壓開關(guān)柜為電力系統(tǒng)主要高壓成套設(shè)備，根據(jù)線路方案使一次、二次設(shè)備在柜內(nèi)組裝，不僅節(jié)約空間、供電可靠、安裝方案，還能夠美化環(huán)境。 此測溫系統(tǒng)觸頭指的是開關(guān)柜和斷路器的觸頭，利用觸指構(gòu)成斷路器的觸頭。 開關(guān)柜在工作中會出現(xiàn)熱損耗，在周圍介質(zhì)中通過傳導(dǎo)、對流散失。 因?yàn)閯屿o觸頭接觸內(nèi)部空氣的對流比較緩慢，在熱分析中充分考慮觸頭接觸的內(nèi)部傳導(dǎo)散熱等情況，所以在觸頭中安裝測溫模塊，實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜開關(guān)觸點(diǎn)的溫度檢測，由于觸點(diǎn)接觸比較緊密，可以使用溫度傳感器在溫度標(biāo)簽外部進(jìn)行安裝。 在溫度檢測標(biāo)簽工作的過程中，ZigBee 無線傳感器模塊能夠定時(shí)工作。 在喚醒標(biāo)簽后，檢測溫度傳感器對溫度型號進(jìn)行檢測，換算成為數(shù)字量之后向就近路由器發(fā)送，從而轉(zhuǎn)發(fā)管理系統(tǒng)。 通過管理系統(tǒng)能夠接收各個(gè)觸點(diǎn)傳感器發(fā)送的溫度信號，并且描述曲線。假如曲線超過上限值就會報(bào)警，提示及時(shí)維護(hù)［5-6］。

3.2 變電站環(huán)境監(jiān)測

變電站站內(nèi)的微環(huán)境監(jiān)測主要為電纜溝、站內(nèi)溫濕度等：針對戶外微氣象六要素監(jiān)測使用分布式，簡單來說就是利用六要素的不同設(shè)備檢測，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 由于變電站的區(qū)域是有限的，所以各個(gè)微環(huán)境的差別并不大。 本文利用集中式的方式在路由器合適位置處設(shè)置，檢測信息利用路由器對管理系統(tǒng)傳輸；針對室內(nèi)溫濕度的檢測，可以使用室內(nèi)型溫度檢測標(biāo)簽，或者將溫濕度傳感器設(shè)置在室內(nèi)ZigBee 路由器中；在漏浸水檢測過程中，用托辨式和檢測標(biāo)簽結(jié)合實(shí)現(xiàn)［7］。 將漏浸水檢測標(biāo)簽安裝在電纜溝等地方，如果對漏水進(jìn)行檢測，就會利用無線傳感網(wǎng)將告警信息在管理系統(tǒng)發(fā)送。

針對水浸、溫濕度監(jiān)測標(biāo)簽，利用ZigBee 芯片工作在定時(shí)的時(shí)間段進(jìn)行喚醒工作。 在喚醒標(biāo)簽中全面檢測溫濕度信號和水浸信號，換算數(shù)字量后發(fā)送路由器，向管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)。 管理系統(tǒng)對各觸點(diǎn)傳感器傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行記錄，如果超過上限值就會報(bào)警，提醒維修人員及時(shí)維護(hù)［8］。

3.3 安全設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)無線高壓測溫、環(huán)境監(jiān)測預(yù)警和變電站容設(shè)備監(jiān)測等合理設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)變壓器指令的過程中，針對變壓器故障以監(jiān)測反饋的運(yùn)行異常情況分析準(zhǔn)確工位，根據(jù)具體原因使用相應(yīng)的對策，使變壓器絕緣安全預(yù)警功能得到加強(qiáng)。 在變電站容設(shè)備監(jiān)測過程中，結(jié)合自動管理和智能控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測變電站重要場所和等效電容，從而保證信號傳輸?shù)陌踩浴?/p>

為了進(jìn)一步地提高變電站運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的安全性，要求設(shè)計(jì)人員將物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)檢測技術(shù)（general packet radio service，GPRS），利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對變電站運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。 比如，在傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用過程中，運(yùn)營商通過分組無線業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)檢測技術(shù)對設(shè)備圖像和溫度進(jìn)行檢測，通過分組無線業(yè)務(wù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)異常情況的定位，使現(xiàn)場運(yùn)行中的問題得到解決［9］。

3.4 視頻監(jiān)控聯(lián)動模塊

變電站內(nèi)監(jiān)控?cái)z像頭的主要功能為位置預(yù)設(shè)和云臺，使視頻動態(tài)跟蹤需求得到滿足。 云臺包括電動云臺和固定云臺兩種，在監(jiān)視范圍小的時(shí)候可以使用固定云臺，在云臺中固定攝像頭，對攝像機(jī)角度進(jìn)行調(diào)整，從而滿足最佳工作姿態(tài)。

在大范圍監(jiān)控區(qū)域掃描監(jiān)視中使用電動云臺，從而擴(kuò)大攝像機(jī)的監(jiān)視范圍。 利用相應(yīng)原理可以看出來，利用兩個(gè)交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)云臺安裝平臺的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)水平、垂直的運(yùn)動，控制器信號能夠定位精準(zhǔn)控制電動機(jī)［10-11］。 利用控制器信號實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，電動云臺攝像機(jī)對監(jiān)視區(qū)自動掃描，并且跟蹤監(jiān)視對象的行動軌跡。

云臺根據(jù)其回轉(zhuǎn)的特點(diǎn)可分為只能左右旋轉(zhuǎn)的水平旋轉(zhuǎn)云臺和既能左右旋轉(zhuǎn)又能上下旋轉(zhuǎn)的全方位云臺。電動云臺水平旋轉(zhuǎn)和垂直旋轉(zhuǎn)角度分別為0°～350°、90°。云臺旋轉(zhuǎn)速度主要包括變速和恒速，部分高速攝像頭應(yīng)用系統(tǒng)中的云臺水平旋轉(zhuǎn)速度超過480°／s，垂直方向旋轉(zhuǎn)速度超過120°／s。 本文云臺和照相器材云臺不同，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的云臺能夠利用控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制［12］。 視頻監(jiān)控聯(lián)動功能和人員定位與電動云臺功能特點(diǎn)結(jié)合，跟蹤拍攝確定人員。 在對變電站區(qū)域人員進(jìn)行定位之后，系統(tǒng)通過計(jì)算對當(dāng)前人員地點(diǎn)視角良好攝像頭進(jìn)行選擇，從而拍攝當(dāng)前區(qū)域。 在改變?nèi)藛T位置之后，要求重新計(jì)算人員的位置，并且以攝像頭的變化角度對跟蹤拍攝需求進(jìn)行調(diào)整。

此過程為實(shí)時(shí)動態(tài)切換，能夠通過攝像頭動態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤拍攝定位人員，以人員的運(yùn)動軌跡回放運(yùn)動軌跡的視頻攝像，對運(yùn)維人員進(jìn)行防誤和安防操作。

4 實(shí)驗(yàn)和分析

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用某電網(wǎng)公司變電站數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，表1 為數(shù)據(jù)信息。

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

和傳統(tǒng)通信手段對比，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要優(yōu)勢是可用時(shí)間比較久。 表2 為通信模塊損耗測試結(jié)果，在傳輸數(shù)據(jù)包周期為1min 以內(nèi)時(shí)，通信模塊的功耗比較高，并且可用時(shí)間比較長。 在傳輸數(shù)據(jù)包為1d 或者1h 的時(shí)候，通信模塊功耗低，能夠用10a 或者5a。 此實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本文設(shè)計(jì)的通信性能功耗低，并且可用時(shí)間久。

表2 通信模塊損耗測試結(jié)果

5 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣能夠?yàn)槲覈冸娬具\(yùn)行工作提供良好的技術(shù)保證，使變電站的運(yùn)維人員能夠結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行宏觀調(diào)控，對變電站運(yùn)行環(huán)境與工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督。 基于此，研究人員將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與自動化技術(shù)相結(jié)合，及時(shí)定位變電站內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)行異常問題，避免內(nèi)部出現(xiàn)隱患，促進(jìn)我國電力生產(chǎn)領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。