基于物聯網的智能電網全域狀態監測系統
企業: 日期:2020-05-27
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1 方案背景

信息通信技術的快速發展為電力系統的可靠、安全、經濟、高效運行提供了強有力的技術支撐,這也是智能電網在世界各國獲得廣泛重視和應用的技術基礎。智能電網以傳統物理電網為基礎,融合了傳感測量技術、通信技術、控制技術和信息處理技術,為電網與用戶的雙向互動提供了橋梁,大大提升了新能源的接入和消納能力,保障了電網的安全可靠運行。

作為能源流、信息流和業務流承載體,智能電網是一個極具典型特征的信息物理系統,電力設備廣域分布,采集終端規模龐大,通信網絡多樣異構,運行信息實時交互,具備應對負荷時變和突發事故的高度自適應調整和自愈能力,信息系統與物理系統深度融合。在這個環節眾多、廣域分布的信息物理系統中,如何感知和傳輸電網中廣域分布設備的運行數據,實現設備故障在線診斷與安全預警以及與調度等業務協同應用是亟待解決的行業難題。

2 方案設計

基于物聯網的智能電網全域狀態監測系統,通過將基于WIA(Wireless Networks for Industrial Automatiion)的傳感器網絡與電力專網、寬帶移動通信網融合,提出并實現了面向智能電網輸變配用環節的全域狀態監測的物聯網體系架構(如圖1所示)。該架構以WIA傳感器網絡作為底層監測網絡,基于多模式感知技術實現智能電網輸變配用環節不同應用場景的狀態信息收集和傳輸,采用電力專網或公網作為智能電網全域狀態監測的骨干網,將底層電力專用終端和智能傳感監測裝置與上層的生產和營銷數據中心連接,實現對智能電網輸變配用設備的安全監控、用電信息采集與互動。

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圖1 基于物聯網的智能電網全域狀態監測系統架構

基于物聯網的智能電網全域狀態監測系統主要包括以下4個部分(如圖2所示):

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圖2 基于物聯網的智能電網全域狀態監測系統組成

(1)輸電線路在線監測裝置包括基于物聯網的輸電線路導線溫度監測裝置、輸電線路導線拉力傾角監測裝置、輸電線路振動監測裝置以及桿塔傾斜振動監測裝置。輸電線路監測裝置與輸電線路監測系統網關共同構成輸電線路在線監測子系統,可完成線路及鐵塔周圍環境監視,實現對桿塔橫向傾斜、縱向傾斜等的在線監測并實現遠程數據傳輸,為導線負荷、導線覆冰分析提供實時數據。

(2)變電站在線監測裝置包括基于物聯網的母線測溫裝置、SF6監測裝置、鐵芯接地電流監測裝置、避雷器監測裝置以及油色譜監測裝置,與變電站在線監測系統軟件共同構成變電站在線監測子系統。系統的通信穩定可靠,室外一般條件下無線裝置通信距離可以達到100米~200米,數據周期最快為1秒,周期性數據時延小于1秒,報警數據時延小于100毫秒。各監測裝置間可以自動形成網絡,數據傳輸成功率高于99%。

(3)配電環節在線監測子系統包括基于物聯網的故障指示裝置、故障指示系統網關和故障指示系統軟件?;谖锫摼W的配電線路故障指示系統通過對線路的負荷電流進行實時監測,判斷線路是否發生故障。

(4)用電環節的用戶用電信息監測子系統包括基于物聯網的智能電表通信模塊、智能電表數據采集器和智能電表數據集中器。智能電表通信模塊可方便地安裝于用戶智能電表內,實現對用戶用電數據的采集和傳輸。智能電表數據采集器通過RS485總線連接到多個智能電表,實現集中式數據采集。智能電表數據集中器的作用是通過WIA無線通信網絡匯聚來自智能電表的數據并實現遠程傳輸。

3 方案創新性

方案的主要創新包括:

(1)提出了面向智能電網全域狀態監測的物聯網體系架構,形成了針對智能電網輸變配用環節狀態監測的整體解決方案;

(2)提出了面向智能電網輸變配用環節的多模式自組織傳感網技術,能夠滿足智能電網在線安全監測、能源計量等多種傳感應用要求;

(3)針對智能電網輸電線路監測、變電站設備狀態監測、配電線路狀態監測以及用戶用電信息采集的實際需求,開發了系列化的通信裝置;

(4)研發了輸變電設備狀態監測系統,實現了輸變電設備的安全預警,并將設備狀態信息與電網調度相結合,為生產管理提供信息支持,全面提高運維水平。

4 用戶效益

在遼寧電網建成了覆蓋電網輸電、變電、配電和用電過程的全域狀態監測系統,為智能電網安全運行提供了新的技術手段和控制模式,應用成效顯著:

(1)成功預報多起輸電線、變電站故障隱患,減少了現場維護費用。成功預報多起輸電線路異常,包括桿塔變形及傾斜、線路覆冰及不均勻脫冰等嚴重隱患,人工巡查勞動量降低30%;成功對幾十起包括變壓器油色譜異常在內的嚴重故障進行了預警,發現變壓器油中溶解氣含量異常(增長率)和鐵芯接地電流數據異常多起,設備故障率降低75%,主變的大修周期從5年延長至9年,綜合維修費用減少50%;在用電信息采集方面,電網通行的周期(15分鐘)抄收成功率達到100%,節省了大量人力。

(2)準確定位配電網故障,降低了停電損失。實現了配電網接地短路故障的快速區段定位,提高了故障查找效率,故障排除時間由2小時降為1小時。

(3)運營監測(控)信息支撐系統,降低了平臺運營成本。首次將設備狀態信息系統融入D5000調度系統。通過全面掌控電網設備運行狀態,提高了設備運行狀態的可控和在控能力,實現了“大運行”與“大檢修”之間的協同。

5 方案意義

本方案緊密結合國家電網公司智能電網投資建設政策,面向電力系統實際需求,利用物聯網技術,構建基于物聯網的智能電網全域狀態監測系統,建立涉及智能電網輸、配、變、用等環節智能監控、計量及電網與用戶交互的應用驗證系統,研制開發一系列具有自主知識產權的先進裝置和系統,推動了電力物聯網技術產業的發展,提高了電網的智能化水平和自動化水平,有力支撐了智能電網的建設。

摘自《自動化博覽》2020年5月刊

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