隨著大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，研究變配電站智能監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)已然成為一種趨勢(shì)。在現(xiàn)代化的變配電站，大量應(yīng)用溫度、溫濕度、煙感、振動(dòng)、水浸、門磁感應(yīng)等傳感器類型，通過它們能夠感知聲、熱、力、光、電、位移等信號(hào)，根據(jù)這些最原始的信息，做出精準(zhǔn)的分析與決策。

利用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，在計(jì)算機(jī)模擬環(huán)境中，對(duì)整個(gè)變配電站內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行數(shù)字化展示、自動(dòng)化運(yùn)行、智能化分析。在國內(nèi)，變配電和智能化技術(shù)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(lán)本，其主要設(shè)備包括兩臺(tái)35kV/6kV變壓器，采用兩路供電方式，高壓開關(guān)柜數(shù)套，以及電能表等儀表。開關(guān)柜采用高性能的氣體絕緣開關(guān)設(shè)備，如廈門ABB公司生產(chǎn)的型號(hào)分別為ZX2和ZX0，整套開關(guān)柜具有可靠的電能傳輸、數(shù)字化的保護(hù)控制技術(shù)、智能化的傳感器系統(tǒng)及便捷的插接式連接。

REF542plus是應(yīng)用于開關(guān)柜上的多功能綜合保護(hù)開關(guān)控制裝置，實(shí)現(xiàn)變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的重要通信接口。REF542plus開關(guān)裝置集成了保護(hù)、控制、測(cè)量、監(jiān)視、自我診斷以及通信等功能，用于自動(dòng)化配網(wǎng)。

2 變配電站自動(dòng)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(guān)柜的數(shù)據(jù)，并以計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)變壓器和開關(guān)柜的運(yùn)行情況的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.1 變配電站自動(dòng)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(shù)據(jù)采集和處理、控制操作、警報(bào)和處理、遠(yuǎn)動(dòng)、同步時(shí)鐘、人機(jī)聯(lián)合以及運(yùn)行管理等七大功能，即：1）數(shù)據(jù)采集和處理功能；2）控制操作功能；3）警報(bào)和處理功能；4）遠(yuǎn)動(dòng)功能；5）同步時(shí)鐘功能；6）人機(jī)聯(lián)合功能；7）運(yùn)行管理功能。

2.2 變配電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在該原水泵站35kV的變配電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中，PLC通過MODBUS RTU通信規(guī)約與REF542plus綜合保護(hù)裝置相連，讀取電壓、電流、頻率、功率因數(shù)及功率等數(shù)據(jù)，通過RsView32組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)變配電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，主要由變配電系統(tǒng)一次系統(tǒng)圖、各個(gè)開關(guān)、閘刀狀態(tài)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)組成，實(shí)現(xiàn)采集、顯示、處理的基本功能，以及數(shù)據(jù)判斷、觸發(fā)報(bào)警、報(bào)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(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)可以清晰、直觀地展示整個(gè)原水泵站的變配電情況。

圖1 原水泵站變配電站自動(dòng)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(jìn)線，其中，Ⅰ段為思泵3707母線，Ⅱ段為浦泵7245母線，35kV的電壓經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)變?yōu)?kV，分別對(duì)應(yīng)6kV Ⅰ段和6kV Ⅱ段。

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

3 變配電站物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)變配電站智能監(jiān)測(cè)與診斷，大致分為3個(gè)部分：①針對(duì)35kV/6kV變壓器的局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電纜溫度以及母線溫度無線傳感監(jiān)測(cè)、以及變壓器油箱和電纜接頭部位的視頻監(jiān)測(cè)；②針對(duì)開關(guān)柜的柜內(nèi)溫濕度、電纜接頭溫度、柜門開關(guān)信號(hào)的無線傳感監(jiān)測(cè)，柜體下方的SF6泄漏檢測(cè)；③針對(duì)整個(gè)變配電站內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)每一個(gè)房間的溫濕度和煙霧報(bào)警，變配電站地下層的水浸監(jiān)測(cè)。

3.1 變配電站物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

在變配電站的智能監(jiān)控整體解決方案中，主要運(yùn)用到局部放電監(jiān)測(cè)、SF6泄漏檢測(cè)、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(cè)器等技術(shù)。

1）局部放電監(jiān)測(cè)

當(dāng)變壓器內(nèi)部性能不良或發(fā)生故障時(shí)，會(huì)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(cè)為主要檢測(cè)手段，對(duì)絕緣盆子進(jìn)行定時(shí)智能巡檢提到預(yù)警和報(bào)警提醒功能。

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

表1 局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的傳感器

當(dāng)局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到有局放信號(hào)時(shí)，通過軟件查看當(dāng)前局部放電譜圖如圖2所示，可查詢放電信號(hào)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(jù)監(jiān)測(cè)到的放電位置，可以有效發(fā)現(xiàn)變壓器運(yùn)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(cuò)，及時(shí)處理故障隱患，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

圖2 尖端放電狀態(tài)

2）SF6泄漏檢測(cè)

SF6泄漏檢測(cè)的核心感應(yīng)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(gòu)成信號(hào)處理單元。根據(jù)氣體的性狀及泄漏特征，SF6和氧氣監(jiān)測(cè)單元分布安裝于SF6開關(guān)下方離地面約10cm地方，主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送至控制室計(jì)算機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，當(dāng)監(jiān)測(cè)到有SF6氣體泄漏時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開啟風(fēng)機(jī)排風(fēng)，具有10m長距離人體紅外探測(cè)、語音提示和高頻笛音報(bào)警、光報(bào)警、定時(shí)或超限觸發(fā)或強(qiáng)制風(fēng)機(jī)起/停操作等功能。SF6泄漏報(bào)警系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 SF6泄漏報(bào)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(gè)類型的無線傳感器、網(wǎng)絡(luò)、以及無線傳感基站組成，根據(jù)傳感器的類型可以監(jiān)測(cè)到各個(gè)類型的“感官數(shù)據(jù)”，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(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、無線射頻傳輸模塊以及電源模塊組成，經(jīng)微型化封裝而成。其測(cè)溫原理是熱敏電阻測(cè)溫，熱敏電阻的阻值會(huì)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(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的溫度，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)溫升和溫差的智能分析，為分析和預(yù)警設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性提供科學(xué)依據(jù)。

無線溫度傳感器用在變壓器、電纜接頭、閘刀觸點(diǎn)、銅排連接點(diǎn)、電容器、消弧線圈、易發(fā)熱設(shè)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(shù)模轉(zhuǎn)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(zhǔn)確測(cè)量環(huán)境中的溫、濕度。可以將其安裝在高壓電氣柜、開關(guān)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(chǎng)，來監(jiān)測(cè)柜門的開、關(guān)狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)開關(guān)次數(shù)。當(dāng)柜門被操作人員打開后沒有關(guān)閉，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提醒“請(qǐng)關(guān)閉柜門”。或者當(dāng)柜門被非法打開時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警“請(qǐng)勿打開柜門”。

（4）無線水浸傳感器

用于監(jiān)測(cè)傳感器安裝位置是否被水浸，實(shí)時(shí)地將水浸信號(hào)，通過傳輸基站上傳到控制主機(jī)，以達(dá)到在線監(jiān)控、并發(fā)出報(bào)警的目的。水浸傳感器以60s的間隔發(fā)送無線信號(hào)，當(dāng)其進(jìn)行狀態(tài)改變時(shí)，會(huì)以6s的間隔連續(xù)發(fā)送三次無線信號(hào)。將傳感器ID和實(shí)際位置綁定，系統(tǒng)可根據(jù)傳感器ID地址，來判斷出何時(shí)、何地、產(chǎn)生狀態(tài)變化，以及狀態(tài)變化持續(xù)時(shí)間。

（5）無線光電感煙探測(cè)器

當(dāng)某個(gè)房間內(nèi)產(chǎn)生煙霧時(shí)，傳感器探測(cè)到煙霧信號(hào)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警。無線光電感煙探測(cè)器通過探測(cè)燃燒物陰燃時(shí)產(chǎn)生的煙霧來報(bào)警，避免更為嚴(yán)重的火災(zāi)發(fā)生。

3.2 變配電站物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

變配電站物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖5所示，主要以設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與智能報(bào)警，環(huán)境監(jiān)測(cè)與輔助控制兩部分為主。

圖5 變配電站物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1）狀態(tài)監(jiān)測(cè)與智能報(bào)警

通過對(duì)電纜接頭處、電力母排、開關(guān)柜的電纜接頭、電纜井的電纜、電動(dòng)機(jī)接線處以及其他易發(fā)熱設(shè)備，安裝無線溫度傳感器。在開關(guān)柜內(nèi)，安裝溫濕度、門磁感應(yīng)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的溫度、溫度濕度、開關(guān)柜門狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并對(duì)溫度設(shè)定報(bào)警閥值，避免溫度過高帶來的故障和損失。

2）環(huán)境監(jiān)測(cè)與輔助控制

在變配電站每個(gè)房間內(nèi)，安裝無線溫濕度傳感器、感煙探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度、濕度、煙霧等環(huán)境變化的監(jiān)測(cè)和報(bào)警，并與空調(diào)、風(fēng)機(jī)等設(shè)備聯(lián)動(dòng)。在變配電站的地下層集水井加裝無線水浸傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位情況，并與集水井水泵聯(lián)動(dòng)。

4 大數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用

大數(shù)據(jù)分析術(shù)是實(shí)現(xiàn)變配電站智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。根據(jù)變配電設(shè)備運(yùn)行和人員管理累計(jì)下來的經(jīng)驗(yàn)、自動(dòng)化系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，和科學(xué)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(xué)地達(dá)到大數(shù)據(jù)分析的目標(biāo)。

與傳統(tǒng)的在線聯(lián)機(jī)分析處理（OLAP）不同，對(duì)大數(shù)據(jù)的深度分析主要基于大規(guī)模的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，一般而言，機(jī)器學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練過程可以歸結(jié)為最優(yōu)化定義于大規(guī)模訓(xùn)練數(shù)據(jù)上的目標(biāo)函數(shù)并且通過一個(gè)循環(huán)迭代的算法實(shí)現(xiàn)，如式（1）、式（2）所示。因而與傳統(tǒng)的OLAP相比較，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的大數(shù)據(jù)分析具有自己獨(dú)特的特點(diǎn)。

目標(biāo)函數(shù)：

如式（1）、式（2）所示，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的大數(shù)據(jù)分析算法目標(biāo)函數(shù)和迭代優(yōu)化過程，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1）迭代性。由于用于優(yōu)化問題通常沒有閉式解，因而對(duì)模型參數(shù)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(diǎn)。

2）容錯(cuò)性。機(jī)器學(xué)習(xí)的算法設(shè)計(jì)和模型評(píng)價(jià)容忍非最優(yōu)值點(diǎn)的存在，同時(shí)多次迭代的特性也允許在循環(huán)的過程中產(chǎn)生一些錯(cuò)誤，模型的最終收斂不受影響。

3）參數(shù)收斂的非均勻性。模型中一些參數(shù)經(jīng)過少數(shù)幾輪迭代后便不再改變，而有些參數(shù)則需要很長時(shí)間才能達(dá)到收斂。

這些特點(diǎn)決定了理想的大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和其他計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有很大不同，可以避免資源都浪費(fèi)在通信、等待、協(xié)調(diào)等非有效的計(jì)算上。大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在變配電站智能監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，將有助于“智慧變配電站”的實(shí)現(xiàn)，如圖6所示，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析而出變壓器母排的三相溫度變化趨勢(shì)，在時(shí)間上，溫度變化趨勢(shì)與該原水泵站運(yùn)行的工況基本吻合。

圖6 物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析

大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在四大關(guān)鍵點(diǎn)：①所有設(shè)備要有網(wǎng)絡(luò)連接以便獲取數(shù)據(jù)，豐富了數(shù)據(jù)；②要有各種類型的物聯(lián)網(wǎng)傳感器，數(shù)據(jù)的多樣性；③大數(shù)據(jù)的獲取，將所有設(shè)備、所有人連接后，所有數(shù)據(jù)都大量集中至智能信息系統(tǒng)之中，并優(yōu)化大數(shù)據(jù)分析的算法；④分析和決策，獲取大量數(shù)據(jù)之后需要進(jìn)行分析，得出更科學(xué)、精準(zhǔn)的運(yùn)行趨勢(shì)，并對(duì)設(shè)備狀態(tài)的檢測(cè)和預(yù)測(cè)提出決策性意見。

結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，大數(shù)據(jù)分析和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shè)備中加裝智能化控制單元，可以讓設(shè)備賦予一定的智慧或思考能力，繼而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

“技術(shù)創(chuàng)新”與“管理創(chuàng)新”有機(jī)結(jié)合，“基于大數(shù)據(jù)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(jià)值，是將來變配電站智能化管理的一種發(fā)展趨勢(shì)。