CN112531896A - 基于大数据驱动的变配电站智能监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大数据驱动的变配电站智能监控系统及方法，由变配电自动化监控系统和变配电站物联网智能监测系统组成，通过对局部放电监测、SF₆泄漏检测、无线传感器等技术的研究和应用，利用大数据分析技术对监测数据进行分析，实现变配电站的远程监控和智能监测与诊断。本发明可有效确保变配电站的安全运行，保证区域供电质量和稳定，保障各类大型工厂、大型社区正常运作。

Description

基于大数据驱动的变配电站智能监控系统及方法

技术领域

本发明涉及一种变配电站智能监控方法，尤其涉及一种基于大数据驱动的变配电站智能监控系统及方法。

背景技术

随着大数据和物联网技术的蓬勃发展，电力系统智能监控技术得到了广泛研究，基于大数据驱动的变配电站智能监控系统已然成为一种趋势。在现代化的变配电站，大量应用温度、湿度、烟感、振动、水浸、门磁感应等传感器类型，通过它们能够感知声、热、力、光、电、位移等信号，根据这些信息做出精准的分析与决策。利用物联网和大数据分析技术，在计算机模拟环境中，对整个变配电站内的设备运行情况进行数字化展示、自动化运行、智能化分析。在国内，变配电和智能化技术得到了史无前例的快速发展，传统、落后的变配电站正在被现代化的变配电站所取代。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于大数据驱动的变配电站智能监控系统及方法，能够同时监控包括局部放电监测、SF₆泄漏检测、电站配电柜监控在内的变配电站运行情况，并利用大数据分析技术对监测数据进行分析，实现变配电站的远程监控和智能监测与诊断。

技术方案：本发明所采用的技术方案是一种基于大数据驱动的变配电站智能监控系统，该系统包括变配电自动化监控系统、变配电站物联网智能监测系统和智能终端，所述变配电自动化监控系统包括10kV设备监控和0.4kV设备监控，所述变配电站物联网智能监测系统包括站室环境监控、站室安防监控、电缆及通道监控以及导轨机器人监控，所述变配电自动化监控系统和变配电站物联网智能监测系统的监控数据均发送至智能终端，所述智能终端采用基于机器学习的电力数据分析算法对采集到的各数据及操作记录进行大数据分析，并将分析结果发送至运维管理平台展示。

所述变配电自动化监控系统通过智能终端上配置的PLC控制系统将通信规约与综合保护装置相连，读取站内10kV设备和0.4kV设备的电压、电流、频率、功率因数及功率数据，并通过配置在智能终端上的组态软件实现变配电站的自动化监控。其中，所述组态软件包括变配电系统一次系统图、各个开关、闸刀状态和监测数据之间的逻辑控制流程。

所述站室环境监控包括在变配电站每个房间内安装的无线温湿度传感器、感烟探测器，用于实现对室内温度、湿度、烟雾等环境变化的监测和报警，并与空调、风机设备联动控制温湿度、排除烟雾；还包括在变配电站的地下层集水井所设的无线水浸传感器，用于实时监测水位情况，并与集水井水泵联动。

所述站室安防监控包括局部放电在线监测系统，所述局部放电在线监测系统设于35kV/6kV变压器处，采集特高频(300～3000MHz)的局部放电信号；所述站室安防监控还包括无线传感器、传感网络以及无线传感基站，所述无线传感器包括温度传感器、温湿度传感器和门磁感应传感器，所述温度传感器设置在电缆接头、电力母排、开关柜的电缆接头、电缆井的电缆、电动机接线以及其他易发热设备处，所述温湿度传感器安装在开关柜内，所述门磁感应传感器安装在开关柜柜门处，实现对开关柜的柜内温湿度、电缆接头温度、柜门开关信号的无线传感监测。

所述站室安防监控还包括设于SF₆开关下方的SF₆泄漏检测系统，所述SF₆泄漏检测系统包括SF₆传感器、氧气传感器以及信号处理单元，用于检测SF₆泄漏。

所述电缆及通道监控采用无线传感器系统，包括温度传感器、传感网络以及无线传感基站，所述温度传感器设置于变压器、电缆接头、闸刀触点、铜排连接点、电容器、消弧线圈、易发热设备的外壳处，实现对电缆温度以及母线温度的监测。

所述导轨机器人监控是通过导轨机器人的图像采集设备在其沿导轨巡线的过程中采集沿线图像。

应用于上述基于大数据驱动的变配电站智能监控系统的监控方法，包括以下步骤：

(1)智能终端通过变配电自动化监控系统、变配电站物联网智能监测系统获取各数据及操作记录；

(2)所述智能终端采用基于机器学习的电力数据分析算法对采集到的各数据及操作记录进行大数据分析；

(3)所述智能终端将分析结果通过光纤网络发送至运维管理平台展示。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、本发明中的物联网技术大量应用温度、湿度、烟感、振动、水浸、门磁感应等传感器类型，通过它们能够感知声、热、力、光、电、位移等信号，利用大数据分析技术对这些监测数据进行分析，能够做出精准的分析与决策，实现变配电站的远程监控和智能监测与诊断，从而可有效确保变配电站的安全运行，保证区域供电质量和稳定，实现变配电站的智能化和现代化；2、本发明中的智能化监控系统能够取代常规的测量系统，指针式仪表，常规的告警、报警、中央信号、光字牌等，常规的远动装置等，改变常规的操作机构和模拟盘，从而对配电站内各类电气设备进行实时监控，做出早期预警，不仅可以减少运行与维护成本，而且能够有效提高电气设备的运行可靠性。

附图说明

图1是本发明所述的基于大数据驱动的变配电站智能监控系统模块图；

图2是本发明所述的SF₆报警系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的基于大数据驱动的变配电站智能监控系统如图1所示，该系统包括配电自动化监控系统、变配电站物联网智能监测系统和智能终端。其功能主要有数据采集和处理、控制操作、警报和处理、远动、同步时钟、人机联合以及运行管理等七大功能。其中，变配电站自动化监控系统包括10kV设备监控类和0.4kV设备监控类。

在变配电站自动化监控系统中，智能终端的PLC通过将通信规约与变配电站中各电气设备的综合保护装置相连，读取10kV设备、0.4kV设备以及导轨机器人等设备的电压、电流、频率、功率因数及功率等数据，实现变压器和开关柜的运行情况的远程监控。并通过配置在智能终端上的组态软件实现变配电站自动化监控系统，组态软件主要由变配电系统一次系统图、各个开关、闸刀状态和监测数据的逻辑控制流程组成，实现采集、显示、处理的基本功能，以及数据判断、触发报警、报警记录、操作指引等其他重要功能。智能终端将采集到的各种数据及操作记录通过大数据分析后光纤网络上传至运维管理平台的展示屏显示，从而最终实现10kV设备和0.4kV设备变压器和开关柜的运行情况的远程监控。

图1中站室环境监控类、站室安防监控类和电缆及通道监控类属于变配电站物联网智能监测系统，应用物联网技术实现变配电站智能监测与诊断，大致分为三个部分：

一、状态监测

包括针对35kV/6kV变压器的局部放电监测系统、电缆温度以及母线温度无线传感监测、导轨机器人监控。

局部放电监测，是当变压器内部性能不良或发生故障时，会形成局部放电及发热等物理特征，采取以局部放电监测为主要检测手段，对绝缘盆子进行定时智能巡检提到预警和报警提醒功能。对该原水泵站变配电站内两台35kV/6kV变压器加装局部放电在线监测系统，采集特高频(300～3000MHz)的局部放电信号，通过同轴电缆传送到主机，分析处理放电信号，对局放信号进行可靠的判断。当局部放电监测系统监测到局放信号时，通过软件可查询放电信号的二维图谱和三维图谱，二维图谱可直接显示放电量大小，三维图谱可判断放电类型。根据监测到的放电位置，可以有效发现变压器运行中的绝缘状况，发现绝缘制造工艺的缺陷、安装过程中的差错，及时处理故障隐患，确保设备安全运行。

电缆温度以及母线温度无线传感监测采用无线传感器系统，温度传感器设置于变压器、电缆接头、闸刀触点、铜排连接点、电容器、消弧线圈、易发热设备的外壳等处。无线传感器系统包括各个类型的无线传感器、传感网络以及无线传感基站，根据传感器的类型可以监测到各个类型的数据，包括温度、湿度、门磁、水浸和光电感烟探测器，无线传感基站将所检测到的各类数据发送至智能终端。

导轨机器人上设有图像采集设备，其沿导轨巡线并将所采集得到的图像上传至智能终端分析。

二、智能报警

针对开关柜的柜内温湿度、电缆接头温度、柜门开关信号的无线传感监测，以及柜体下方的SF₆泄漏检测；

通过对电缆接头处、电力母排、开关柜的电缆接头、电缆井的电缆、电动机接线处以及其他易发热设备，安装无线温度传感器。在开关柜内，安装温湿度、门磁感应。物联网系统可以实时监测设备的温度、温度湿度、开关柜门状态等数据，并对温度设定报警阀值，避免温度过高带来的故障和损失。

图2是为本发明实施例中SF₆报警系统原理示意图，其中SF₆泄漏检测的核心感应元件是SF₆传感器和氧气传感器，由高性能的嵌入式微控制器和放大器构成信号处理单元。根据气体的性状及泄漏特征，SF₆和氧气监测单元分布安装于SF₆开关下方离地面约10cm地方，主机通过网络将监测到的实时数据传送至控制室计算机进行动态监控，当监测到有SF₆气体泄漏时，系统自动开启风机排风，具有10m长距离人体红外探测、语音提示和高频笛音报警、光报警、定时或超限触发或强制风机起/停操作等功能。

三、环境监测与辅助控制

针对整个变配电站内的环境监测，包括每一个房间的温湿度和烟雾报警监测，以及变配电站地下层的水浸监测。在变配电站每个房间内，安装无线温湿度传感器、感烟探测器，实现对室内温度、湿度、烟雾等环境变化的监测和报警，并与空调、风机等设备联动。在变配电站的地下层集水井加装无线水浸传感器，实时监测水位情况，并与集水井水泵联动。

以上数据上传至运维管理平台上配置的智能终端进行大数据分析。大数据分析术是实现变配电站智能监控系统的核心技术之一。根据变配电设备运行和人员管理累计下来的经验、自动化系统和物联网监控系统所监测的数据，以及科学化的模型，建立起来的一种智能化的处理方式，是为了有效、科学地达到大数据分析的目标。与传统的在线联机分析处理不同，对大数据的深度分析主要基于大规模的机器学习技术，一般而言，机器学习模型的训练过程可以归结为最优化定义于大规模训练数据上的目标函数并且通过一个循环迭代的算法实现。本实施例采用现有的基于机器学习的电力数据分析算法实现对上述各类数据的分析。基于机器学习的大数据分析具有如下的特点：

1)迭代性。由于用于优化问题通常没有闭式解，因而对模型参数确定并非一次能够完成，需要循环迭代多次逐步逼近最优值点。

2)容错性。机器学习的算法设计和模型评价容忍非最优值点的存在，同时多次迭代的特性也允许在循环的过程中产生一些错误，模型的最终收敛不受影响。

3)参数收敛的非均匀性。模型中一些参数经过少数几轮迭代后便不再改变，而有些参数则需要很长时间才能达到收敛。这些特点决定了理想的大数据分析系统的设计和其他计算系统的设计有很大不同，避免资源浪费在通信、等待、协调等非有效的计算上。

应用于上述基于大数据驱动的变配电站智能监控系统的监控方法，包括以下步骤：

(1)智能终端通过变配电自动化监控系统、变配电站物联网智能监测系统获取各数据及操作记录；

(2)所述智能终端采用基于机器学习的电力数据分析算法对采集到的各数据及操作记录进行大数据分析；

(3)所述智能终端将分析结果通过光纤网络发送至运维管理平台展示。

本发明可有效确保变配电站的安全运行，保证区域供电质量和稳定，保障各类大型工厂、大型社区正常运作。

Claims (9)

1.一种基于大数据驱动的变配电站智能监控系统，其特征在于：该系统包括变配电自动化监控系统、变配电站物联网智能监测系统和智能终端，所述变配电自动化监控系统包括10kV设备监控和0.4kV设备监控，所述变配电站物联网智能监测系统包括站室环境监控、站室安防监控、电缆及通道监控以及导轨机器人监控，所述变配电自动化监控系统和变配电站物联网智能监测系统的监控数据均发送至智能终端，所述智能终端采用基于机器学习的电力数据分析算法对采集到的各数据及操作记录进行大数据分析，并将分析结果发送至运维管理平台展示。

2.根据权利要求1所述的基于大数据驱动的变配电站智能监控系统，其特征在于：所述变配电自动化监控系统通过智能终端上配置的PLC控制系统将通信规约与综合保护装置相连，读取站内10kV设备和0.4kV设备的电压、电流、频率、功率因数及功率数据，并通过配置在智能终端上的组态软件实现变配电站的自动化监控。

3.根据权利要求2所述的基于大数据驱动的变配电站智能监控系统，其特征在于：所述组态软件包括变配电系统一次系统图、各个开关、闸刀状态和监测数据之间的逻辑控制流程。

4.根据权利要求1所述的基于大数据驱动的变配电站智能监控系统，其特征在于：所述站室环境监控包括在变配电站每个房间内安装的无线温湿度传感器、感烟探测器，用于实现对室内温度、湿度、烟雾等环境变化的监测和报警，并与空调、风机设备联动控制温湿度、排除烟雾；还包括在变配电站的地下层集水井所设的无线水浸传感器，用于实时监测水位情况，并与集水井水泵联动。

5.根据权利要求1所述的基于大数据驱动的变配电站智能监控系统，其特征在于：所述站室安防监控包括局部放电在线监测系统，所述局部放电在线监测系统设于35kV/6kV变压器处，采集特高频(300～3000MHz)的局部放电信号；所述站室安防监控还包括无线传感器、传感网络以及无线传感基站，所述无线传感器包括温度传感器、温湿度传感器和门磁感应传感器，所述温度传感器设置在电缆接头、电力母排、开关柜的电缆接头、电缆井的电缆、电动机接线以及其他易发热设备处，所述温湿度传感器安装在开关柜内，所述门磁感应传感器安装在开关柜柜门处，实现对开关柜的柜内温湿度、电缆接头温度、柜门开关信号的无线传感监测。

6.根据权利要求1所述的基于大数据驱动的变配电站智能监控系统，其特征在于：所述站室安防监控还包括设于SF₆开关下方的SF₆泄漏检测系统，所述SF₆泄漏检测系统包括SF₆传感器、氧气传感器以及信号处理单元，用于检测SF₆泄漏。

7.根据权利要求1所述的基于大数据驱动的变配电站智能监控系统，其特征在于：所述电缆及通道监控采用无线传感器系统，包括温度传感器、传感网络以及无线传感基站，所述温度传感器设置于变压器、电缆接头、闸刀触点、铜排连接点、电容器、消弧线圈、易发热设备的外壳处，实现对电缆温度以及母线温度的监测。

8.根据权利要求1所述的基于大数据驱动的变配电站智能监控系统，其特征在于：所述导轨机器人监控是通过导轨机器人的图像采集设备在其沿导轨巡线的过程中采集沿线图像。

9.一种应用于权利要求1-8任一项所述的基于大数据驱动的变配电站智能监控系统的监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)智能终端通过变配电自动化监控系统、变配电站物联网智能监测系统获取各数据及操作记录；

(2)所述智能终端采用基于机器学习的电力数据分析算法对采集到的各数据及操作记录进行大数据分析；

(3)所述智能终端将分析结果通过光纤网络发送至运维管理平台展示。

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