李国俊
上海城投原水有限公司青草沙水库管理分公司 上海 201913
摘要：青草沙水库35KV、10KV变配电站运行已接近10年，随着智能化以及物联网技术的不断提高，无人、少人值守已经变为一种趋势，其不仅能有效缓解生产区域分散、维护人员数量有限等难点，同时还能释放班组年轻员工活力。本文主要介绍了物联网技术应用的优势，通过对传统变配电管理经验的总结，分析无人、少人值守变配电中各监控子系统的组成及功能，以及通过引入智能巡检机器人系统，进一步提升青草沙水库变配电智能化程度，从而达到提升效率、释放人力资源活力，保障供水安全的目的。
关键词：青草沙水库 无人值守 物联网 机器人巡检
引言：
青草沙水库作为亚洲最大河口江心型水库，全长48KM，供水设计规模719万吨/天，供应上海70%用水，可谓是上海最重要的水源地之一。目前水库有上游泵闸35KV变电站及输水管理区10KV变电站各一座，下游水闸10KV配电站一座。
变配电站管理一直是原水系统运行管理的重中之重，自2009年运行至今已接近11年，随着运行要求的不断提高以及设备不断老化，不可避免的存在一些问题：
（1）变配电设备信息采集覆盖范围不够、监控功能较为单一，很难真正对变配电设备进行全方位的运行监控、数据采集、负荷监测以及事故预警等管理，无法为企业的经营管理提供进一步基础数据及分析。
（2）电力通讯、后台各监控平台未有效集成统一，诸如：有35KV、10KV、400V系统都运用不同的监控软件，无法做到一网调度、一网统管。多种平台的软硬件不仅存在数据协议、接口通信的兼容性问题，同时各平台不同规格、型号的硬件设备也降低了运行的可靠性，给备品备件的协调管理以及今后故障原因分析都带来不小的难度。
（3）目前日常工作任务的完成主要还是依赖值班人员现场操作完成，例如：设备巡查、报表抄写、辅助设备启停等。不仅存在人为误操作的风险，同时违背了企业提高运行效率、节约人力成本、释放年轻员工创造活力的宗旨。
（4）变配电站总体自动化程度及稳定性尚待提高，部分监控设备的故障率大于被监控设备，致使远方监控失去了作用和意义。另外，故障信号没有自动等级分档就全部发出，增加了管理人员的信息甄别的难度，降低了故障处置效率。
一、物联网技术应用于变配电站的优势：
变配电站能实现无人、少人值守的关键环节是全方位的远方监控、遥控，否则就犹如失去了总抓手。因此为进一步加强青草沙水库变配电站的运维管理，持续提升电力设备数字化、智能化程度，搭建一套以物联网技术为基础的变配电监控系统是一种行之有效的解决方案。
（1）、更加全面的监测覆盖
青草沙水库变配电站的主要电力设备，包含高低压开关柜、变压器以及直流屏设备，在物联网技术下通过丰富传感器种类，对关键设备内外部温湿度、有毒气体泄漏、电流电压功率等运行参数进行全方位监测，同时对电容变形、柜门连锁等薄弱点也加大监控覆盖，从而消除变配电远程监控盲区。
（2）、统一平台、多种辅助应用集成优化
基于物联网技术搭建统一的监控软件平台，使变配电站各监控子系统均能无缝于平台上进行对接，从而将各孤立系统进行整合。系统及设备运行、报警、监控信息均能实时存入后台统一数据库，可随时调用历史数据并形成曲线、方便管理人员进行状态分析、故障溯源。例如：通过对设备运行时间、事故故障记录以及历史数据曲线对比、报表分析，从而更好的判断设备运行状态、能够进一步完善设备保养内容、优化备品备件目录，为设备状态检修与故障预警提供有力支撑。
（3）、智能自动巡检——加强“视遥”智能识别
智能轨道自动巡检是变配电站无人、少人值守的重要一环，系统通过预设程序以及定位系统，对智能巡检设备进行准确定位及导航，并通过自带摄像头采集电气设备的照片、视频读取其工作状态及参数，并实时通过无线网络向监控中心返回数据以及本身的状态。监控中心对返回的数据与数据库实时进行对比，及时发现电气设备的故障，从而消除设备隐患。
二、变配电无人值守远程监控主要内容：
根据水库实际情况，物联网系统搭建的子系统主要包括：设备环境状态监控、设备运行状态监控以及终端信息管理平台。
1、环境监控系统：主要由传感器层、通信传输层、管理软件组件而成。其主要能够实现以下几个方面
1）、有毒气体泄露报警：
目前青草沙水库绝大多数高、中压开关柜均采用SF6绝缘介质，虽具有优越灭弧性能，但其有毒、无色无味、密度大且容易在低空进行聚集，从而造成缺氧中毒，对值班人员造成严重人身安全和健康。因此通过在开关柜及配电室装设专用气体检测装置，能够实时对SF6浓度及环境含氧量进行实时监控，同时与现场风机联网进行远程联动，当SF6浓度超出预设值时，中控室声光报警并自动打开风机。所有运行状态监控，通过RS-485与上位机进行通讯，同时数据、风机启停时间次数等资料都将被记录至服务器中以供历史数据查询。
2）、火灾烟感报警：
在各配电间天花板顶部按一定比例距离安装光电烟感传感器，实时监测配电间烟雾浓度，监测数据实时向物联网数据库进行传输，经平台分析比对后一旦超过报警值，中控室及现场会发出声光报警。同时物联网平台将进行三维场景定位，联动该点位摄像头进行关联拍照、录像，并将信息实时转发至相关人员移动手机客户端。
3）、温湿度监控报警：
变配电设备对环境的温湿度有着较高要求，尤其是青草沙水库地处江边，湿度、咸度有着较大腐蚀作用，对一次、二次设备运行寿命有很大影响，因此对温湿度监控和调控是必要的。整个温湿度控制由安装于设备内外的温湿度传感器、控制器以及系统主机组成。首先由温湿度传感器准确监控环境温湿度并将数据传给温湿度控制器及主机，主机及控制器根据内部预设的程序对通排风、空调进行控制；当夏季时，先启动通风系统，运行后发现仍无法达到要求，则再有主机发出命令逐台启动空调系统。当冬季时，空调系统的启动前置条件是根据盘柜内的余热来进行判断。物联网平台对整个温湿度系统进行全面数据互通、监控，可远程查询温湿度检测节点工作状态，精确定位系统故障。
4）、含水率监测报警：
目前青草沙水库变配电建筑已近10年，在遭遇极端天气时无可避免存在雨水渗漏的情况，同时部分空调管线走向不合理也可能造成冷凝滴水危害设备。因此在禁水部位设置由MCU微型控制单元、无线通讯模块、检测线等器件组成的含水率监测系统，实时将禁水位置的含水信息上传至物联网平台，从而实现远程监控的目的。
图1 变配电监控结构图
2、设备状态监控系统
1）变压器监控：
青草沙水库共有8座变压器，2座油浸式以及6座干式变压器，作为整个变压核心设备，通过物联网平台对其进行全方位监控尤为重要，除了变压器常规的电流、电压、接地等参数监控外，还主要对以下几方面进行监测：
（1）、变压器的局部放电监测
一旦变压器局部产生放电，监控系统马上通过变压器内部的超声波传感器对局部放电信号进行采集，通过后台管理平台对采集信号的分析（排除噪音干扰因素），从而实现对局部放电的故障判别以及监控设备绝缘状态，避免事故的进一步扩大。
（2）、变压器振动、温度监测
变压器绕组是常见故障最多的器件，对其进行振动幅值与加速度监测是关键，同时针对变压器机械结构力学性能是否改变、绕组是否松动，也是能够有效提前预测故障的有效途径。另外，利用数字温控器探头替代传统的试温蜡片，以此测量A、B、C三相线圈和铁芯温度，提高温度测量精度和可传输性。
2）开关柜监控
青草沙水库有35K、10KV、6KV及400V四种电压等级的开关柜，具有数量多而地点分散、维护人员少的特点。但其既是电能传输的重要中间环节又承担着切断、闭合电路的重要作用，一旦其出现故障，极有可能造成人身伤亡，因此在物联网监控平台中着重对以下3个方面进行监测：
（1）、开关柜内部测温系统：
一般封闭铠装开关柜运行时间长之后常会产生温升超标问题，将直接影响设备稳定运行、威胁生产安全。由于温度变化往往是一个缓慢的发展过程，只要监控得当并加以控制能够发现故障隐患，从而保证电气设备绝缘性能完好性。因此通过带有耐高温锂电池的低功耗控制器、数字收发器等器件，对开关柜内温度进行远程实时监控，一旦发现超过温度阈值，马上精确定位并发出报警信号。
（2）、开关柜局部放电监测：
针对早期阶段的局放缺陷，采用传统离线式开关柜局放检测仪很难准确发现问题，尤其对局部微小的缺陷和隐患，故障的检出率不高，导致供电设备可靠性不高。因此目前运用新型局放在线监测装置对开关柜在线进行监测，由于传感器自带电池进行供电，且可通过LORA无线通讯，安装方式又采用磁力直接吸附于开关柜表面，安装、通讯十分简洁，对开关柜局放隐患的解决很有帮助。
（3）、开关柜弧光监测
值班人员对高、中压开关柜倒闸误操作以及设备长时间高负荷运行会导致弧光短路，从而对人身以及设备造成致命伤害。为能够第一时间捕捉到弧光短路，采用阈值可调的紫外光弧光传感器对范围内的弧光异常点进行采集、定位并迅速通过保护系统快速切断故障电流，从而最大限度保护设备及人员安全。同时值班人员在物联网平台、移动端均能够迅速收到精确的三维平面的故障点信息，并进行远程查看、操作。
（4）、开关柜综合保护系统监控：
综合继电保护系统是监控开关柜安全运行的核心设备，其不仅监控开关柜的各项运行参数、报警信息，更重要的是其内部的参数整定值是开关柜触发保护机制的动作依据，合理的整定值能够有效排除故障或缩小故障范围，同时物联网平台与开关柜的数据互通亦由综保装置预留的通讯口来实现，因此物联网平台对综保装置的互通稳定、准确尤为重要。
三、智能巡检机器人于变配电巡检的应用：
目前青草沙水库变配电巡检主要由值班人员定时巡检完成，但随着智能设备技术提升以及进一步释放年轻值班员工活力等方面考虑，无人值守或少人值守是未来大的趋势。在此情况下，按照传统方式的巡检将会耗费大量人力和物力，同时一旦发生变配电设备事故，应急调度也将非常困难，因此在变配电站逐渐采用智能轨道巡检机器人来替代人工巡检，有效缓解上述矛盾。
智能轨道巡检架构主要由三个子系统组成：智能巡检设备本体、无线通讯网络、监控中心。其中监控软件与物联网平台进行融合，对智能机器人的运行状态进行全方位监控及信息处理。巡检机器人则自身携带定位、监控、网络以及数据采集设备，通过自身全向天线与服务器进行无线通讯方式连接。其核心机制是：
1、系统运行：整个巡检系统运行时，依次触发巡检机器人及监控软件，并建立网络连接。机器人根据预设路径进行巡检并在监测点停留完成对设备监测工作。
2、数据采集：物联网监控平台能够实时采集并储存巡检机器人通过高清智能摄像头上传的图像、视频信息，并通过智能读取其中的仪表信息（必要时与设备自身上传数据进行比对分析），从而帮助值班人员远程监控巡检情况，掌握设备运行状态。
3、远程控制：巡检机器人能够根据预设的程序以及指令沿着路线进行巡检, 定位自身及电气设备位置，同时监控中心能够与巡检机器人进行全面通信。
4、应急操作：在无人值守情况下、除了设备的功能齐全、性能完善外，整个系统的可靠性及稳定性也尤为重要，特别是巡检设备作为现场的核心设备，一旦出现运行偏差或失控，将会对值班人员造成严重误判。因此整个智能巡检系统在紧急情况下（例如：网络通讯中断、硬件设备故障等）的处理原则是停止运行并报警，切换至值班人员人工远程控制模式，避免设备误动作造成失控。
图2 智能巡检机器人系统网络图
结束语：
目前智能化设备水平越来越高，企业也在不断改革创新，变配电管理的运行模式也在不断摸索和完善。无人、少人值守作为未来发展的趋势，不仅需要物联网技术、智能化设备的硬件投入升级，更需要培养大批既懂一次设备又掌握弱电及二次设备、基础知识面更广的维护人员，只有如此才能制定更合理的维护、检修计划，正确应对各类突发情况，从而不断提升整个变配电站管理水平。
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