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技術文章

淺談基于 MEMS 結構的配電站環境狀態監測及自動化運維裝置的研究

技術文章
淮亞利
安科瑞電氣股份有限公司   上海嘉定   201801
摘  要 :本文研究的配電站智能化方案設計是按照“以人為本"、功能實用、技術先進、運行可靠、經濟合理、可擴展等各方面綜合考慮的,且充分滿足配電站綜合技防的功能要求,并將電力物聯網建設總體規劃作為目標,本著科學規劃、安全可靠、資源共享的原則,將基于 MEMS(微機電系統)結構的配電站項目建設成國內現代化、信息化、數字化的配電站。
關鍵詞 :MEMS(微機電系統)結構 ;配電站項目探究 ;環境狀態監測
1 探究基于 MEMS(微機電系統)結構的配電站環境狀態監測及自動化運維裝置的意義
1.1 MEMS(微機電系統)的定義
MEMS——微電子機械系統、微系統、微機械等,是一種尺寸僅為幾毫米甚至更小的高科技裝置。同時,MEMS 內部結構的大小一般是幾微米甚至僅為幾納米量,且是一個獨立的智能系統。
1.2 配電站環境狀態監測及自動化運維裝置的國內外發展趨勢
1.2.1 國內發展趨勢
    隨著社會和時代的不斷發展,現代通信技術和監測終端技術的發展,配電站監測系統也向著多功能、智能化、模塊化的方式發展,其監測方式也由于現代的輸配電監測設備,轉變為通過監測設備來實現對電力系統運行安全和電能質量監控的研究。依據配電站監測量的多樣性,其監測量劃分為與電相關以及非電相關監測兩部分 :電相關監測測量包含屏蔽層電位、接地電流大小、體電阻電容、護套的絕緣電阻、局部放電量等方面 ;非電監測測量包括濕度、氣體、水浸情況等特征量。
    電控制主要是通過斷路器、接觸器、熱維電器、控制繼電器、各種主令電器等組合成的開關控制柜實現配電、控制和保護功能,通過互感器和各種電工儀表來實現數據采集與監視功能的。而這種傳統的開關柜與儀表配有多種指針刻度儀表及繼電器產生模擬效據,這會給很多關于管理、儲存、維修和查詢等方面的麻煩,所以這種以人工操作為主的方式,對員工綜合素質的要求較高。
    隨著計算機網絡技術、微處理器技術、抗干擾技術等新技術的快速發展,使得電力自動化技術得到了很大的發展空間。這些技術被應用于配電領域,實現了傳統的采集控制與網絡通信相結合,從而誕生了智能型開關柜及相關產品。
1.2.2 國外發展趨勢
    目前,國際上基于現場總線開發的配電管理系統己獲得成熟開發與市場化應用。隨著“以人為本"的發展理念將和對電氣設備控制自動化和智能化程度的要求和對電網安全性和用電質量的要求越來越高,就需要企業將資源、計劃、管理觸合在一起,促使公司的管理水平達到更高層次、實現高透明度,而這也成為一種必然的發展趨勢。高低壓配電領域內現場總線技術己被廣泛應用,但當時部署的監控系統上還是有些許不足。
(1) 監控單一,不能實現遠程部署
    以往配電站使用的監控系統多為設備廠商配套提供,差別很大,而且監控項單一,多為電力信息的實時顯示狀態,不具備綜合監控、遠程報警和輔助維護功能。
(2) 軟件技術不統一,擴展性不強
    智能設備的發展初期,各廠家監控系統基礎軟件技術不統一,協議和標準不統一,規約按照自身理解構建。使得后續設備互相無關聯,并且擴展性不強。
(3) 其使用界面和接口單一,數據性太強
    配電站基本上都有的室內監管操作室,且尚未具備遠程監控操作能力,與現階段智能手機、準確化主頁管理等技術不兼容。
1.2.3 國內外配電站環境狀態監測及自動化運維裝置的探究問題
    國內外有很多關于配電站綜合在線監測方法,并早已將其投入到了實際應用中。但當前配電站綜合監測系統都是將各個獨立的監測系統采集的實時狀態參量傳輸集成在統一的監控平臺上,這些監測系統實現了基本監測功能,但系統內部之間沒有進行信息交互,對設備狀態評價指標單一,很容易導致其信息孤島。
1.3 探究基于 MEMS(微機電系統)結構的配電站環境狀態監測及自動化運維裝置的作用
1.3.1 可以提高該企業工作人員的工作質量
    通過 MEMS(微機電系統)傳感器采集技術、坐標定位技術、設備建模技術、地理編碼技術、路徑導航技術等應用技術,可以幫助該企業工作人員逐步完善此配電站的環境溫濕度、水浸情況和氣體濃度等具體信息,并可以實時對該配電站關鍵指標進行不間斷的監測,這樣就可以提高該企業工作人員的工作質量與工作效率。
1.3.2 可以提供快速故障定位導航,提高相關設備的搶修響應效率
    基于 MEMS(微機電系統)結構的配電站環境狀態監測及自動化運維裝置,可以通過各種前端感知設備,從而獲取配電站室內環境,高壓開關狀態、低壓電氣參數、電纜層狀態以及安防等具體信息,如果信息異?;蛘邎缶臅r候,配電站的工作人員可通過相關手機 APP 或電腦 APP 直接查看報修信息,并準確定位導航到信息故障位置,這就可以保證配電站的工作人員可以隨時隨地可接收到報修信息,并快速到達故障點,提高搶修響應的效率,大大縮短搶修其時間。
1.3.3 打通告警、維修、復電的流程環節,有效規范工作步驟
    配電站環境狀態監測及自動化運維裝置的研究,可以將配電站傳統的“巡線 - 發現 - 通知 - 維修 - 復電"的檢查流程模式,完善成“告警 - 維修 - 復電"的流程模式,同時,配電站需要安排不同的責任人員采用同一個 APP,流暢地完成故障告警通知、維修復電等流程環節,有效規范該項工作的步驟。
2 基于 MEMS(微機電系統)結構的配電站環境狀態監測及自動化運維裝置的技術原理
2.1 移動互聯服務
    采用移動互聯技術,通過后臺數據及服務,提供故障自動告警通知的能力,在故障發生后的幾分鐘內即可通過后臺服務和前端應用,給出故障位置和故障時間的指示信息,通過 APP通知的方式將故障信息發送到相關人員手機上,提供分鐘級告警提醒的能力,整體提高故障發生 - 故障消除的效率。
2.2 設備坐標定位及導航
    采用不同坐標定位技術,根據外部環境自動選取適合的坐標定位技術,便于獲取準確坐標信息。根據故障告警及消除的工作實際情況,研究將設備設置為導航目的地的地理編碼技術,自動將設備切換成導航算法可見的目標地址。
2.3 設備信息獲取維護
    采用設備關聯綁定的方式,將故障指示器的設備信息、位置信息、故障信息均通過移動 APP 的列表、地圖等進行直觀瀏覽查看,并可對設備信息、位置信息進行維護完善為故障告警提供基礎數據支持。
3 探究基于 MEMS 結構的配電站環境狀態監測及自動化運維裝置的內容及優勢
3.1 內容
3.1.1 MEMS 結構微型傳感器集成研究
    該項研究可供站端邊緣計算平臺或主站生成出全站關鍵部位溫濕度熱力圖、氣體濃度拓撲圖和水浸狀況拓撲圖等,實現差異化環境控制,延長設備壽命,降低能耗,打造綠色低碳站室。
3.1.2 故障告警及通知研究應用
    研究移動互聯網故障告警通知方面的應用,通過互聯網獲取故障告警信息,并對必要的數據內容進行加密處理,再通過手機跟電腦 APP 通知相關人員,由此提高派件速度,減少故障發生幾率,快速進入下一工作環節。
3.1.3 定位導航技術研究
    路徑導航應用會結合地理信息、交通路況、道路橋梁,自身位置信息等數據,自動定位多條路徑,并能夠根據實時位置進行路徑規劃及路徑的及時切換。
3.1.4 相關手機或電腦 APP 的研究與應用
    配電站故障告警定位移動應用 APP 可以通過對故障巡線和消除工作深入研究,實現故障告警、信息通知、快速定位到達等工作,打通了告警、維修、復電的流程環節,流暢快捷地完成故障告警通知、維修復電的流程環節,并通過 APP 促進該項工作的規范化作業,實現規范化管理。
3.2 優勢
(1)MEMS 自動化程度高,可以實現無人值班,大大地降低勞動強度,使變配電站成本降低,效益顯著提高。
(2)總線式。普通屏蔽雙絞線直接同 PC 連接,解決了微機保護裝置在惡劣環境下長期運行問題和常規控制、測量與
信號兼容性問題。
(3)由于采用分層式結構,主控層和現場層設備各自獨立,互不影響。主控層 (上位機 )設備退出運行時,現場層 (下位機 ) 能獨立運行且*運行要求,并采用了避錯、容錯和糾錯等技術,實現了較高的可靠性。
(4)由于采用分布式結構,模塊化系統硬件及功能分布,現場設備的控制獨立,各設備獨立運行,某一裝置故障不影響其他裝置運行,檢修維護方便。
(5)MEMS 結構系統的監控軟件具有友好的人機界面,界面可根據文字提示隨意切換。全中文顯示,簡捷、直觀且操作方便,即使不熟悉計算機的運行人員也容易掌握操作方法。
(6)MEMS 結構綜合保護裝置,與常規繼電保護相比具有更高的準確度和靈敏度,自動化程度高,故障報告記錄準確。
(7)硬件模塊化設計,每個 CPU 由單獨開關電源供電,故障報告記錄準確,可靠性更高,檢修維護更簡便。
(8)電站的電氣二次接線設計工作量小,控制連接電纜少,微機設備裝置占用空間小 ;施工安裝工作量較少,現場調試也非常簡單。
4 探究基于 MEMS 結構的配電站環境狀態監測及自動化運維裝置的發展前景
4.1 運維裝置的應用情況
    探究基于 MEMS 結構的配電站環境狀態監測及自動化運維裝置,需要建設電力物聯網配電站環境狀態感知系統。該運維系統可以幫助用戶地理信息采集、電氣及環境信息采集、報修信息的推送與查看等等,并逐步成為當前重點推廣的應用之一。
4.2 運用運維裝置的效益
    基于 MEMS(微機電系統)結構的配電站環境狀態監測及自動化運維裝置,就可以準確地完成配電站環境量及電氣量信息采集、坐標信息采集、移動端設備建模等功能,同時完善的配電站環境、地址等信息。并通過手機 APP 或電腦軟件的建設,為故障和異常處理提供數據支撐,有效解決配電站管理系統中存在的問題 , 實現高效、及時和可靠的運行模式。通過各種先進的設備獲取站室內環境,高壓開關狀態、低壓電氣參數、電纜層狀態以及安防等信息,并通過邊緣計算網關進行數據存儲、應用和轉發,實現對配電站關鍵指標進行實時不間斷監測,從而改變過去依靠人工巡視運維的傳統做法,減少配電站運維人員,提高工作效率。
5 安科瑞配電室環境監控系統的介紹與選型
5.1簡介
    安科瑞電氣股份有限公司根據配電室實際情況,結合多年的變電站和配電室的運行管理經驗,了安科瑞配電室綜合監控系統,實現了智能開關柜運行監控、高壓開關柜帶電顯示、電流電壓等負載運行監控、母線測溫監測、電纜測溫監測、環境監測、有害氣體監測、安防監控、采暖通風、門禁、燈光、風機、除濕機、空調控制等功能。實現動力環境各數據的檢測與設備控制,實現動力環境優化,避免運行環境的失控導致配電設備運行故障,保證維護人員,延長設備使用壽命,減少配電室粗放式管理導致成本過高,同時實現配電動力環境的分布式遠程管理。
5.2系統功能
5.2.1 通信管理
    安科瑞智能配電室綜合監控系統可以完成對整個配電室范圍內的通信設備進行管理、添加、刪除、控制和數據的實時監測。
5.2.2實時監測
    安科瑞智能配電室綜合監控系統人機界面友好,能夠顯示配電室設備的運行狀態,實時監測配電室環境參數信息,如視頻、溫度、濕度、漏水/水浸、水位、有害氣體和電參量等。實時顯示有關故障、告警等信息。
5.2.3 數據查詢
    在人機界面中,可以直接查看配電室個設備的運行數據。
5.2.4曲線查詢
    在曲線查詢界面,可以直接查看遙測參量曲線,包括溫度、濕度、水位、有害氣體、電壓、電流等曲線。
5.2.5運行報表
    查詢配電室內設備的運行數據報表,包括日報表、月報表、年報表和查詢報表等。
5.2.6實時告警
    安科瑞智能配電室綜合監控系統具有實時告警功能,系統能夠對配電室溫度、濕度、有害氣體、設備故障或通信故障等事件發出告警。告警如右圖所示:
5.2.7 歷史事件查詢
    安科瑞智能配電室綜合監控系統能夠對產生的所有事件記錄進行存儲和管理,方便用戶對系統事件和進行歷史追溯、查詢統計、事故分析。
5.2.8 用戶權限管理
    為保障系統穩定運行,設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作(如遙控的操作,數據庫修改等)??梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限,為系統運行、維護、管理提供可靠的保障。
5.2.9網絡拓撲圖
    安科瑞智能配電室綜合監控系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態,能夠完整的顯示整個系統網絡結構??稍诰€診斷設備通信狀態,發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。
5.2.10遙控操作
    安科瑞智能配電室綜合監控系統可以對整個配電系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。
5.3Acrel-2000E/B配電室環境監控系統配置選型
6 結束語
    總的來說基于 MEMS(微機電系統)結構的配電站環境狀態監測及自動化運維裝置后,既可以提高其工作人員的工作效率,及時排查故障,又可以降低運行成本,一舉兩得。


參考文獻

[1] 王勤,黃倩,曹春. 基于 MEMS 結構的配電站環境狀態監測及自動化運維裝置的研究       

[2] 鄭運強 . 太陽能無人值守供電站無線監控系統設計 [D].西安工業大學 ,2012.

[3] 安科瑞Acrel-2000EB配電室綜合監控系統2020.04版


作者簡介:

淮亞利,女,安科瑞電氣股份有限公司,主要從事配電室綜合監控系統的研發與應用。


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