隨著大數據和物聯(lián)網技術的蓬勃發(fā)展，在各個領域的推廣應用，研究變配電站智能監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)已然成為一種趨勢。在現(xiàn)代化的變配電站，大量應用溫度、溫濕度、煙感、振動、水浸、門磁感應等傳感器類型，通過它們能夠感知聲、熱、力、光、電、位移等信號，根據這些最原始的信息，做出精準的分析與決策。

利用物聯(lián)網和大數據分析技術，在計算機模擬環(huán)境中，對整個變配電站內的設備運行情況進行數字化展示、自動化運行、智能化分析。在國內，變配電和智能化技術得到了史無前例的快速發(fā)展，傳統(tǒng)、落后的變配電站正在被現(xiàn)代化的變配電站所取代。

1 35kV變配電站基本概況

本文以原水泵站35kV變配電站為藍本，其主要設備包括兩臺35kV/6kV變壓器，采用兩路供電方式，高壓開關柜數套，以及電能表等儀表。開關柜采用高性能的氣體絕緣開關設備，如廈門ABB公司生產的型號分別為ZX2和ZX0，整套開關柜具有可靠的電能傳輸、數字化的保護控制技術、智能化的傳感器系統(tǒng)及便捷的插接式連接。

REF542plus是應用于開關柜上的多功能綜合保護開關控制裝置，實現(xiàn)變配電站綜合自動化系統(tǒng)的重要通信接口。REF542plus開關裝置集成了保護、控制、測量、監(jiān)視、自我診斷以及通信等功能，用于自動化配網。

2 變配電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)

通過PLC控制系統(tǒng)，依托各類通信讀取電氣開關柜的數據，并以計算機組態(tài)軟件，實現(xiàn)變壓器和開關柜的運行情況的遠程監(jiān)控。

2.1 變配電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的功能

變配電站供配電監(jiān)控系統(tǒng)功能主要有數據采集和處理、控制操作、警報和處理、遠動、同步時鐘、人機聯(lián)合以及運行管理等七大功能，即：1）數據采集和處理功能；2）控制操作功能；3）警報和處理功能；4）遠動功能；5）同步時鐘功能；6）人機聯(lián)合功能；7）運行管理功能。

2.2 變配電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

在該原水泵站35kV的變配電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)中，PLC通過MODBUS RTU通信規(guī)約與REF542plus綜合保護裝置相連，讀取電壓、電流、頻率、功率因數及功率等數據，通過RsView32組態(tài)軟件實現(xiàn)變配電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)，主要由變配電系統(tǒng)一次系統(tǒng)圖、各個開關、閘刀狀態(tài)和監(jiān)測數據組成，實現(xiàn)采集、顯示、處理的基本功能，以及數據判斷、觸發(fā)報警、報警記錄、操作指引等其他重要功能。

如圖1所示，該35kV變配電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)可以清晰、直觀地展示整個原水泵站的變配電情況。

圖1 原水泵站變配電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)圖

如圖1所示，原水泵站35kV變配電站分別由兩路35kV母線進線，其中，Ⅰ段為思泵3707母線，Ⅱ段為浦泵7245母線，35kV的電壓經變壓器轉變?yōu)?kV，分別對應6kV Ⅰ段和6kV Ⅱ段。

水廠內的所有重要負載平衡分布在兩段上，6kV Ⅰ段的負載有1#新變（第二泵房變壓器1#變壓器）、同步1#電機、異步1#電機、異步1#逆變、異步2#電機、異步2#逆變、以及Ⅰ段廠用變，6kV Ⅱ段的負載有2#新變（第二泵房變壓器2#變壓器）、異步3#逆變、異步3#電機、同步3#電機、同步2#電機、以及Ⅱ段廠用變。

3 變配電站物聯(lián)網智能監(jiān)測系統(tǒng)

應用物聯(lián)網技術實現(xiàn)變配電站智能監(jiān)測與診斷，大致分為3個部分：①針對35kV/6kV變壓器的局部放電監(jiān)測系統(tǒng)、電纜溫度以及母線溫度無線傳感監(jiān)測、以及變壓器油箱和電纜接頭部位的視頻監(jiān)測；②針對開關柜的柜內溫濕度、電纜接頭溫度、柜門開關信號的無線傳感監(jiān)測，柜體下方的SF6泄漏檢測；③針對整個變配電站內的環(huán)境監(jiān)測，監(jiān)測每一個房間的溫濕度和煙霧報警，變配電站地下層的水浸監(jiān)測。

3.1 變配電站物聯(lián)網技術應用

在變配電站的智能監(jiān)控整體解決方案中，主要運用到局部放電監(jiān)測、SF6泄漏檢測、無線傳感器（如溫度、溫濕度、門磁、水浸）以及無線光電感煙探測器等技術。

1）局部放電監(jiān)測

當變壓器內部性能不良或發(fā)生故障時，會形成局部放電及發(fā)熱等物理特征，采取以局部放電監(jiān)測為主要檢測手段，對絕緣盆子進行定時智能巡檢提到預警和報警提醒功能。

對該原水泵站變配電站內兩臺35kV/6kV變壓器加裝局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)，采集特高頻（300～3000MHz）的局部放電信號，通過同軸電纜傳送到主機，分析處理放電信號，對局放信號進行可靠的判斷。使用傳感器見表1。

表1 局放在線監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器

當局部放電監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到有局放信號時，通過軟件查看當前局部放電譜圖如圖2所示，可查詢放電信號的二維圖譜和三維圖譜，二維圖譜可直接顯示放電量大小，三維圖譜可判斷放電類型。根據監(jiān)測到的放電位置，可以有效發(fā)現(xiàn)變壓器運行中的絕緣狀況，發(fā)現(xiàn)絕緣制造工藝的缺陷、安裝過程中的差錯，及時處理故障隱患，確保設備安全運行。

圖2 尖端放電狀態(tài)

2）SF6泄漏檢測

SF6泄漏檢測的核心感應元件是SF6傳感器和氧氣傳感器，由高性能的嵌入式微控制器和放大器構成信號處理單元。根據氣體的性狀及泄漏特征，SF6和氧氣監(jiān)測單元分布安裝于SF6開關下方離地面約10cm地方，主機通過網絡將監(jiān)測到的實時數據傳送至控制室計算機進行動態(tài)監(jiān)控，當監(jiān)測到有SF6氣體泄漏時，系統(tǒng)自動開啟風機排風，具有10m長距離人體紅外探測、語音提示和高頻笛音報警、光報警、定時或超限觸發(fā)或強制風機起/停操作等功能。SF6泄漏報警系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 SF6泄漏報警系統(tǒng)原理

3）無線傳感器系統(tǒng)

無線傳感系統(tǒng)由各個類型的無線傳感器、網絡、以及無線傳感基站組成，根據傳感器的類型可以監(jiān)測到各個類型的“感官數據”，猶如人類的“摸聽看嗅”所感受到的感覺。

（1）無線溫度傳感器

由感溫模塊、數模轉換模塊、無線射頻傳輸模塊以及電源模塊組成，經微型化封裝而成。其測溫原理是熱敏電阻測溫，熱敏電阻的阻值會隨溫度的變化而改變，通過阻值的大小來反映溫度，靈敏度高。其可用于實時在線監(jiān)測實現(xiàn)電力設備的溫度，并根據監(jiān)測數據實現(xiàn)溫升和溫差的智能分析，為分析和預警設備的運行穩(wěn)定性提供科學依據。

無線溫度傳感器用在變壓器、電纜接頭、閘刀觸點、銅排連接點、電容器、消弧線圈、易發(fā)熱設備的外殼等處。

圖4 無線溫度傳感器

（2）無線溫濕度傳感器

無線溫濕度傳感器由熱敏電阻、高分子濕敏電阻、數模轉換、無線射頻傳輸以及電源組成。工作核心是熱敏電阻和高分子濕敏電阻，其能夠準確測量環(huán)境中的溫、濕度?？梢詫⑵浒惭b在高壓電氣柜、開關柜、泵房、變配電站等處，也可安裝在易發(fā)熱和易潮濕的地方。

（3）無線門磁傳感器

通過安裝在柜門上的門磁傳感器，與永磁鐵或電磁線圈等能形成磁場，來監(jiān)測柜門的開、關狀態(tài)，統(tǒng)計開關次數。當柜門被操作人員打開后沒有關閉，系統(tǒng)會自動提醒“請關閉柜門”。或者當柜門被非法打開時，系統(tǒng)會自動報警“請勿打開柜門”。

（4）無線水浸傳感器

用于監(jiān)測傳感器安裝位置是否被水浸，實時地將水浸信號，通過傳輸基站上傳到控制主機，以達到在線監(jiān)控、并發(fā)出報警的目的。水浸傳感器以60s的間隔發(fā)送無線信號，當其進行狀態(tài)改變時，會以6s的間隔連續(xù)發(fā)送三次無線信號。將傳感器ID和實際位置綁定，系統(tǒng)可根據傳感器ID地址，來判斷出何時、何地、產生狀態(tài)變化，以及狀態(tài)變化持續(xù)時間。

（5）無線光電感煙探測器

當某個房間內產生煙霧時，傳感器探測到煙霧信號，系統(tǒng)發(fā)出報警。無線光電感煙探測器通過探測燃燒物陰燃時產生的煙霧來報警，避免更為嚴重的火災發(fā)生。

3.2 變配電站物聯(lián)網智能監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

變配電站物聯(lián)網監(jiān)測系統(tǒng)如圖5所示，主要以設備狀態(tài)監(jiān)測與智能報警，環(huán)境監(jiān)測與輔助控制兩部分為主。

圖5 變配電站物聯(lián)網智能監(jiān)測系統(tǒng)

1）狀態(tài)監(jiān)測與智能報警

通過對電纜接頭處、電力母排、開關柜的電纜接頭、電纜井的電纜、電動機接線處以及其他易發(fā)熱設備，安裝無線溫度傳感器。在開關柜內，安裝溫濕度、門磁感應。物聯(lián)網系統(tǒng)可以實時監(jiān)測設備的溫度、溫度濕度、開關柜門狀態(tài)等數據，并對溫度設定報警閥值，避免溫度過高帶來的故障和損失。

2）環(huán)境監(jiān)測與輔助控制

在變配電站每個房間內，安裝無線溫濕度傳感器、感煙探測器，實現(xiàn)對室內溫度、濕度、煙霧等環(huán)境變化的監(jiān)測和報警，并與空調、風機等設備聯(lián)動。在變配電站的地下層集水井加裝無線水浸傳感器，實時監(jiān)測水位情況，并與集水井水泵聯(lián)動。

4 大數據分析的應用

大數據分析術是實現(xiàn)變配電站智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心技術之一。根據變配電設備運行和人員管理累計下來的經驗、自動化系統(tǒng)和物聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)所監(jiān)測的數據，和科學化的模型，建立起來的一種智能化的處理方式，是為了有效、科學地達到大數據分析的目標。

與傳統(tǒng)的在線聯(lián)機分析處理（OLAP）不同，對大數據的深度分析主要基于大規(guī)模的機器學習技術，一般而言，機器學習模型的訓練過程可以歸結為最優(yōu)化定義于大規(guī)模訓練數據上的目標函數并且通過一個循環(huán)迭代的算法實現(xiàn)，如式（1）、式（2）所示。因而與傳統(tǒng)的OLAP相比較，基于機器學習的大數據分析具有自己獨特的特點。

目標函數：

如式（1）、式（2）所示，基于機器學習的大數據分析算法目標函數和迭代優(yōu)化過程，具有以下優(yōu)點。

1）迭代性。由于用于優(yōu)化問題通常沒有閉式解，因而對模型參數確定并非一次能夠完成，需要循環(huán)迭代多次逐步逼近最優(yōu)值點。

2）容錯性。機器學習的算法設計和模型評價容忍非最優(yōu)值點的存在，同時多次迭代的特性也允許在循環(huán)的過程中產生一些錯誤，模型的最終收斂不受影響。

3）參數收斂的非均勻性。模型中一些參數經過少數幾輪迭代后便不再改變，而有些參數則需要很長時間才能達到收斂。

這些特點決定了理想的大數據分析系統(tǒng)的設計和其他計算系統(tǒng)的設計有很大不同，可以避免資源都浪費在通信、等待、協(xié)調等非有效的計算上。大數據分析技術在變配電站智能監(jiān)控系統(tǒng)中的應用，將有助于“智慧變配電站”的實現(xiàn)，如圖6所示，利用大數據技術分析而出變壓器母排的三相溫度變化趨勢，在時間上，溫度變化趨勢與該原水泵站運行的工況基本吻合。

圖6 物聯(lián)網智能監(jiān)測系統(tǒng)大數據分析

大數據技術的應用主要體現(xiàn)在四大關鍵點：①所有設備要有網絡連接以便獲取數據，豐富了數據；②要有各種類型的物聯(lián)網傳感器，數據的多樣性；③大數據的獲取，將所有設備、所有人連接后，所有數據都大量集中至智能信息系統(tǒng)之中，并優(yōu)化大數據分析的算法；④分析和決策，獲取大量數據之后需要進行分析，得出更科學、精準的運行趨勢，并對設備狀態(tài)的檢測和預測提出決策性意見。

結論

隨著科學技術的不斷發(fā)展和進步，大數據分析和物聯(lián)網技術也日趨成熟，為現(xiàn)代化的變配電站智能監(jiān)控系統(tǒng)管理提供了有力支撐。在未來，通過在變配電設備中加裝智能化控制單元，可以讓設備賦予一定的智慧或思考能力，繼而實現(xiàn)人機交互。

“技術創(chuàng)新”與“管理創(chuàng)新”有機結合，“基于大數據的35kV變配電站智能監(jiān)控整體解決方案”的體系不斷完備，在各類型的變配電站具有一定的推廣價值，是將來變配電站智能化管理的一種發(fā)展趨勢。