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描述:針對當前變電站監控系統尚不完善各部功能復用、難以交互且基本運維仍需人工干預等問(wèn)題設計了一種變電站智能監控系統系統由終端控制單元、傳輸網(wǎng)絡(luò )、遠程監控中心集成終端控制單元負責環(huán)境參數監測、儀表示數讀取、中央指令收發(fā)解析及數據上傳各變電站通過(guò)VPN與遠程監控中心相連遠程監控中心負責數據實(shí)時(shí)處理、數據庫存儲、系統前端界面服務(wù)等經(jīng)試驗該系統實(shí)現了對變電站的溫濕度監測、煙霧警報、風(fēng)冷散熱控制、燈光控制、給排水
標題:淺析變電站智能監控系統的設計與實(shí)現
產(chǎn)品概述
品牌 | Acrel/安科瑞 | 產(chǎn)地 | 國產(chǎn) |
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加工定制 | 否 |
胡冠楠
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定
摘要:針對當前變電站監控系統尚不完善各部功能復用、難以交互且基本運維仍需人工干預等問(wèn)題設計了一種變電站智能監控系統系統由終端控制單元、傳輸網(wǎng)絡(luò )、遠程監控中心集成終端控制單元負責環(huán)境參數監測、儀表示數讀取、中央指令收發(fā)解析及數據上傳各變電站通過(guò)VPN與遠程監控中心相連遠程監控中心負責數據實(shí)時(shí)處理、數據庫存儲、系統前端界面服務(wù)等經(jīng)試驗該系統實(shí)現了對變電站的溫濕度監測、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測達到了預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有效運行實(shí)現無(wú)人值守。
關(guān)鍵詞:變電站;智能監控系統;儀表示數讀??;VPN;無(wú)人值守
0引言
變電站是發(fā)電、輸電及配電系統的重要組成部分其主要功用為執行所在區域的配變電工作是保證電網(wǎng)平穩運行的關(guān)鍵環(huán)節變電站往往地處偏遠且分布較為分散隨著(zhù)我國電網(wǎng)規模的擴大與變電站數目的日益增多僅依靠人工值守遠遠無(wú)法滿(mǎn)足變電站的運維管理需求由此選用數據采集及監控系統進(jìn)行遙距管控至關(guān)重要目前變電站多已實(shí)現對變壓器、斷路器等核心設備的監控但監控系統對變電站內溫濕度、照明等環(huán)境參數及各機電設備指針參數的監控明顯不足且基本的運行維護仍需人工干預此外變電站現有監控系統各部相對獨立難以交互功能復用、服務(wù)器資源浪費等問(wèn)題層出不窮。
為解決上述問(wèn)題該文提出了一種變電站智能監控系統可實(shí)現對變電站運行環(huán)境及各設備指針儀表數據的實(shí)時(shí)監控有效提高智能變電站的運維管理保證其安全平穩有效運行實(shí)現無(wú)人值守。
1系統概述
該系統由終端控制單元、傳輸網(wǎng)絡(luò )、遠程監控中心3部分組成終端控制單元集成傳感器、執行設備等各輔助終端設備可實(shí)現環(huán)境參數監測、儀表示數讀取、中央指令收發(fā)解析、數據上傳等功能作為站端個(gè)體的各變電站通過(guò)VPN與遠程監控中心相連以保證系統整體處于虛擬局域網(wǎng)內可有效避免外部入侵遠程監控中心可實(shí)現數據實(shí)時(shí)處理、數據庫存儲、系統前端界面服務(wù)等功能系統整體架構如圖1所示
2硬件設計
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責將來(lái)自終端設備的環(huán)境、儀表等各參數數據信息處理為系統可識別的物理量值并傳輸至遠程監控中心同時(shí)將監控中心的示警信息反饋至各設備及執行單元從而實(shí)現數據交互指令模塊負責解析來(lái)自主控模塊的控制指令并將指令程序發(fā)送至各電力設備通信模塊即系統底層各部基礎通信配置。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667Hz*高可支持512M內存傳感器選用FT-WQX7型七參數一體環(huán)境監測傳感器高度集成氣象標準參數可實(shí)現對環(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)境要素的連續實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測且測量精度高、性能穩定可靠此外儀表監控依托變電站巡檢機器人實(shí)現機器人攜帶攝像機獲取待識別的儀表圖片而后通過(guò)實(shí)時(shí)數據分析遠程監控中心即可獲悉變電站各設備的運轉狀態(tài)。
2.2傳輸網(wǎng)絡(luò )
變電站智能監控系統存在多處節點(diǎn)均需交互通信如傳感器節點(diǎn)與終端控制單元、終端控制單元與遠程監控中心等故該系統設計選用多種通信方式。
2.2.1傳感器節點(diǎn)與終端控制單元
為減少布線(xiàn)、降低系統部署難度該系統各傳感器節點(diǎn)與終端控制單元間的通信基于ZigBee實(shí)現ZigBee基于IEEE802.15.4標準可同時(shí)組網(wǎng)254個(gè)節點(diǎn)具有高可靠性滿(mǎn)足變電站智能監控系統需求。
2.2.2儀表監控系統與終端控制單元
當前變電站巡檢機器人多通過(guò)WIFI無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋傳輸數據信息但此種通信方式網(wǎng)絡(luò )安全系數較低故該系統加裝加密通信模塊采用支持WAPI無(wú)線(xiàn)標準的無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)通信模組實(shí)現儀表監控系統與終端控制單元的平穩通信可有效避免外部入侵。
2.2.3終端控制單元與遠程監控中心
終端控制單元與遠程監控中心基于TCP/IP協(xié)議通信由于接收數據量過(guò)于龐大考慮數據傳輸及指令下達的實(shí)時(shí)性、穩定性系統采用以太網(wǎng)通信方式實(shí)現終端控制單元與遠程監控中心的信息交互。
對于以太網(wǎng)接口存在兩種接口形式即標準R45接口和SPF光纖接口因系統需實(shí)現長(cháng)距傳輸且在變電站中存在強電磁干擾故采用光纖通信線(xiàn)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定。
2.2.4其他通信
由于系統需依據變電站實(shí)際場(chǎng)景需求增設相應監控終端及傳感器為保證系統具有較高的兼容性、擴展性在設計上選擇預留不同的總線(xiàn)及通信接口如CAN總線(xiàn)接口、RJ45接口、RS232接口等。
3軟件設計
3.1終端控制單元程序設計
終端控制單元是遠程監控中心與變電站各設備間實(shí)現交互的核心環(huán)節環(huán)境參數監測、儀表數據獲取上傳、中央指令收發(fā)解析等均通過(guò)終端控制單元實(shí)現其終端控制單元業(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系統主機軟件
變電站智能監控系統由溫度監測子系統、濕度監測子系統、煙霧警報子系統、風(fēng)冷散熱控制子系統、燈光控制子系統、給排水控制子系統、機電儀表監測子系統集成子系統示意圖如圖4所示
系統主機軟件使用C#WinForm開(kāi)發(fā)采用并行任務(wù)處理模式如圖5(a)所示(以溫度監測子系統為例)系統電機監測界面包括主界面、波形顯示界面、設置界面及歷史數據界面主界面中主要為串口選擇、8路溫度數據實(shí)時(shí)顯示、某時(shí)間段內電機運行數據查詢(xún)及設備運行狀態(tài)異常監測波形顯示界面用于顯示電機實(shí)時(shí)運行狀態(tài)曲線(xiàn)設置界面如圖5(b)所示除設置溫度上限報警閾值外還可對所采集溫度數據進(jìn)行非線(xiàn)性補償。
圖5變電站溫度監控子系統界面
3.3指針儀表自識別
變電站電機指針儀表的監測與示數識別流程如圖6所示其中核心環(huán)節為目標檢測與目標識別。
3.3.1目標檢測
對于目標位置檢測為提高定位的實(shí)時(shí)性、準確性*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采用基于SSD網(wǎng)絡(luò )的目標檢測算法實(shí)現定位其損失函數為位置誤差與類(lèi)別置信度誤差的加權和如式(1)所示:
式中:c為類(lèi)別置信度預測值且c∈[0,1]l為先驗框對應邊界框位置的預測值g為待識別真實(shí)目標框N為先驗框正樣本數α為權重系數默認其值為1。
3.3.2目標識別
由于變電站大量?jì)x表處于室外環(huán)境為校正不均勻光照的影響系統采用基于二維Gamma函數的校正算法利用提取出的光照分量依據其分布特性自適應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
對于儀表示數識別系統采用改進(jìn)的基于MS-ER提取指針區域算法通過(guò)*大穩定極值的兩次穩定區域檢測提取指針區域而后以指針通過(guò)儀表軸心為條件結合Zhang細化算法及累計概率霍夫變換(PPHT)精準定位指針*后構建儀表讀數坐標系以獲取儀表示數。
4系統測試
該智能監控系統在變電站進(jìn)行了現場(chǎng)應用經(jīng)現場(chǎng)實(shí)際測試系統效果良好。
4.1指針儀表識別測試
共選取100張儀表圖片進(jìn)行示數識別測試表1所示為部分實(shí)驗結果對比目視結果與系統識別結果實(shí)驗數據表明:系統識別結果準確率可達98%系統指針儀表識別性能良好可在技術(shù)上為機電儀表監測子系統提供有力支撐。
表1指針儀表識別測試結果
注:誤差 = 目視結果 - 系統識別結果
相對誤差率 = 相對誤差 ( 目視結果 ) × 100%
4.2系統整體測試
系統整體測試結果如表2所示
由現場(chǎng)測試結果可知系統各裝置測試效果良好成功率高實(shí)現了對變電站運行環(huán)境及各設備指針儀表數據的實(shí)時(shí)監控保證其安全平穩有效運行。
5安科瑞電力監控解決方案
5.1概述
針對用戶(hù)變電站(一般為35kV及以下電壓等級),通過(guò)微機保護裝置、開(kāi)關(guān)柜綜合測控裝置、電氣接點(diǎn)無(wú)線(xiàn)測溫產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線(xiàn)監測裝置、配電室環(huán)境監控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動(dòng)化的綜合監控系統,實(shí)現了變電、配電、用電的安全運行和全面管理。監控范圍包括用戶(hù)變電站、開(kāi)閉所、變電所及配電室等。
Acrel-2000Z電力監控系統是安科瑞電氣股份有限公司根據電力系統自動(dòng)化及無(wú)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控管理系統。該系統是應用電力自動(dòng)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、監測、控制、通信等功能于一體的開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò )化、單元化、組態(tài)化的系統,適用于35kV及以下電壓等級的城網(wǎng)、農網(wǎng)變電站和用戶(hù)變電站,可實(shí)現對變電站的控制和管理,滿(mǎn)足變電站無(wú)人或少人值守的需求,為變電站安全、穩定、經(jīng)濟運行提供了堅實(shí)的保障。
5.2應用場(chǎng)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(hù)端供配電自動(dòng)化系統工程設計、施工和運行維護。
5.3系統架構
Acrel-2000Z電力監控系統采用分層分布式設計,可分為三層:站控管理層、網(wǎng)絡(luò )通信層和現場(chǎng)設備層,組網(wǎng)方式可為標準網(wǎng)絡(luò )結構、光纖星型網(wǎng)絡(luò )結構、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )結構,根據用戶(hù)用電規模、用電設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系統功能
(1)實(shí)時(shí)監測:直觀(guān)顯示配電網(wǎng)的運行狀態(tài),實(shí)時(shí)監測各回路電參數信息,動(dòng)態(tài)監視各配電回路有關(guān)故障、告警等信號。
(2)電參量查詢(xún):在配電一次圖中,可以直接查看該回路詳細電參量。
(3)曲線(xiàn)查詢(xún):可以直接查看各電參量曲線(xiàn)。
(4)運行報表:查詢(xún)各回路或設備時(shí)間的運行參數。
(5)實(shí)時(shí)告警:具有實(shí)時(shí)告警功能,系統能夠對配電回路遙信變位,保護動(dòng)作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。
(6)歷史事件查詢(xún):對事件記錄進(jìn)行存儲和管理,方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯,查詢(xún)統計、事故分析。
(7)電能統計報表:系統具備定時(shí)抄表匯總統計功能,用戶(hù)可以自由查詢(xún)自系統正常運行以來(lái)任意時(shí)間段內各配電節點(diǎn)的用電情況。
(8)用戶(hù)權限管理:設置了用戶(hù)權限管理功能,可以定義不同級別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權限。
(9)網(wǎng)絡(luò )拓撲圖:支持實(shí)時(shí)監視并診斷各設備的通訊狀態(tài),能夠完整的顯示整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )結構。
(10)電能質(zhì)量監測:可以對整個(gè)配電系統范圍內的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續性的監測。
(11)遙控功能:可以對整個(gè)配電系統范圍內的設備進(jìn)行遠程遙控操作。
(12)故障錄波:可在系統發(fā)生故障時(shí),自動(dòng)準確地記錄故障前、后過(guò)程的各種電氣量的變化情況。
(13)事故追憶:可自動(dòng)記錄事故時(shí)刻前后一段時(shí)間的所有實(shí)時(shí)穩態(tài)信息。
(14)Web訪(fǎng)問(wèn):展示頁(yè)面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點(diǎn)位數量等概況信息,設備通信狀態(tài),用電分析和事件記錄。
(15)APP訪(fǎng)問(wèn):設備數據頁(yè)面顯示各設備的電參量數據以及曲線(xiàn)。
5.5系統硬件配置
應用場(chǎng)合 | 型號 | 保護功能 |
電力監控系統 | Acrel- 2000Z | 電力監控主要針對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裝置及多功能儀表進(jìn)行保護和監控,對0.4kV出線(xiàn)配置多功能計量?jì)x表,用于測控出線(xiàn)回路電氣參數和用能情況,可實(shí)時(shí)監控高低壓供配電系統開(kāi)關(guān)柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS,包括遙控、遙信、遙測、遙調、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)議的數據接入,ModbusTCP(主、從)、104(主、從)、建筑能耗、SNMP、MQTT等協(xié)議上傳,支持斷點(diǎn)續傳、XML、JSON進(jìn)行數據傳輸、支持標準8GBSD卡(32GB)、支持不同協(xié)議向多平臺轉發(fā)數據;每個(gè)設備的多個(gè)報警設置。輸入電源:AC/DC220V,導軌式安裝。 |
35kV/10kV/6kV 微機保護裝置 | AM6-*AM5SE-* | 適用于6-35kv配電線(xiàn)路、主變、配電變壓器、電動(dòng)機、電容器、PT監測/PT并列、母聯(lián)/備自投等中高壓柜微機保護 |
35kV/10kV/6kV 弧光保護 | ARB5-M | 主控單元,可接20路弧光信號或4個(gè)擴展單元,配置弧光保護(8組)、失靈保護(4組)、TA斷線(xiàn)監測(4組)、11個(gè)跳閘出口; |
ARB5-E | 擴展單元,多可以插接6塊擴展插件,每個(gè)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(kāi)關(guān)柜的母線(xiàn)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的扇形區域; | |
35kV/10kV/6kV 進(jìn)線(xiàn)柜電能質(zhì)量 在線(xiàn)監測 | 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(wú)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(dòng)/閃變、電壓暫升、電壓暫降、電壓瞬態(tài)、電壓中斷、1024點(diǎn)波形采樣、觸發(fā)及定時(shí)錄波,波形實(shí)時(shí)顯示及故障波形查看,PQDIF格式文件存儲,內存32G,16D0+22D1,通訊2RS485+1RS232+1GPS,3以太網(wǎng)接口(+1維護網(wǎng)口)+1USB接口支持U盤(pán)讀取數據,支持61850協(xié)議。 |
35kV/100kV/6kV 高壓柜智能操控、 節點(diǎn)測溫 | ASD500 | 5寸大液晶彩屏動(dòng)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、遠方/就地、分合閘、儲能旋鈕預分預合閃光指示、分合閘完好指示、分合閘回路電壓測量、人體感應、柜內照明控制、1路以太網(wǎng)、2路RS485、1路USB接口、GPS對時(shí)、高壓柜內電氣接點(diǎn)無(wú)線(xiàn)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(shí)時(shí)及需量,本月和上月值,電流、電壓不平衡度,66種報警類(lèi)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(xiàn)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計,正反向無(wú)功電能統計;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);電流規格3×1.5(6)A,有功電能精度0.5S級,無(wú)功電能精度2級;工作溫度:-10℃~+55℃;相對濕度:≤95不結露 |
0.4KV低壓出線(xiàn)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計,正反向無(wú)功電能統計;2-31次分次諧波及總諧波含量分析、低壓出線(xiàn)分相諧波及基波電參量(電壓、電流、功率);電流規格3x1.5(6)A,有功電能精度0.5S級,無(wú)功電能精度2級 |
6結束語(yǔ)
該文提出了一種變電站智能監控系統實(shí)現了對變電站運行環(huán)境及各機電設備指針儀表數據的實(shí)時(shí)監控有效提高了智能變電站的運維管理保證其安全平穩有效運行有效解決了當前變電站監控系統尚不完善各部功能復用、難以交互且基本運維仍需人工干預等問(wèn)題實(shí)現了無(wú)人值守。
參考文獻
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[2]胡斌,孫振,鐵永魁等.變電站輔助設備智能監控系統[J].電工技術(shù)2021(07):110-113.
[3]姜拴雷,程維明,陳凱等.基于LoRa和ARM的電機實(shí)時(shí)溫度在線(xiàn)監測系統研究[J].農業(yè)裝備與車(chē)輛工程,2021,59(03):93-97
[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)應用手冊.2022.05版.
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