淺談基于 MEMS 結(jié)構(gòu)的配電站環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測及自動化運維裝置的研究

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(shè)計是按照“以人為本"、功能實用、技術(shù)先進、運行可靠、經(jīng)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(lián)網(wǎng)建設(shè)總體規(guī)劃作為目標，本著科學規(guī)劃、安全可靠、資源共享的原則，將基于 MEMS（微機電系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)的配電站項目建設(shè)成國內(nèi)現(xiàn)代化、信息化、數(shù)字化的配電站。

關(guān)鍵詞 ：MEMS（微機電系統(tǒng)）結(jié)構(gòu) ；配電站項目探究 ；環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測

1.1 MEMS（微機電系統(tǒng)）的定義

MEMS——微電子機械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(tǒng)。

1.2 配電站環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測及自動化運維裝置的國內(nèi)外發(fā)展趨勢

1.2.1 國內(nèi)發(fā)展趨勢

    隨著社會和時代的不斷發(fā)展，現(xiàn)代通信技術(shù)和監(jiān)測終端技術(shù)的發(fā)展，配電站監(jiān)測系統(tǒng)也向著多功能、智能化、模塊化的方式發(fā)展，其監(jiān)測方式也由于現(xiàn)代的輸配電監(jiān)測設(shè)備，轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^監(jiān)測設(shè)備來實現(xiàn)對電力系統(tǒng)運行安全和電能質(zhì)量監(jiān)控的研究。依據(jù)配電站監(jiān)測量的多樣性，其監(jiān)測量劃分為與電相關(guān)以及非電相關(guān)監(jiān)測兩部分 ：電相關(guān)監(jiān)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(jiān)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(guān)控制柜實現(xiàn)配電、控制和保護功能，通過互感器和各種電工儀表來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視功能的。而這種傳統(tǒng)的開關(guān)柜與儀表配有多種指針刻度儀表及繼電器產(chǎn)生模擬效據(jù)，這會給很多關(guān)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(zhì)的要求較高。

    隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微處理器技術(shù)、抗干擾技術(shù)等新技術(shù)的快速發(fā)展，使得電力自動化技術(shù)得到了很大的發(fā)展空間。這些技術(shù)被應(yīng)用于配電領(lǐng)域，實現(xiàn)了傳統(tǒng)的采集控制與網(wǎng)絡(luò)通信相結(jié)合，從而誕生了智能型開關(guān)柜及相關(guān)產(chǎn)品。

1.2.2 國外發(fā)展趨勢

    目前，國際上基于現(xiàn)場總線開發(fā)的配電管理系統(tǒng)己獲得成熟開發(fā)與市場化應(yīng)用。隨著“以人為本"的發(fā)展理念將和對電氣設(shè)備控制自動化和智能化程度的要求和對電網(wǎng)安全性和用電質(zhì)量的要求越來越高，就需要企業(yè)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(xiàn)高透明度，而這也成為一種必然的發(fā)展趨勢。高低壓配電領(lǐng)域內(nèi)現(xiàn)場總線技術(shù)己被廣泛應(yīng)用，但當時部署的監(jiān)控系統(tǒng)上還是有些許不足。

(1) 監(jiān)控單一，不能實現(xiàn)遠程部署

    以往配電站使用的監(jiān)控系統(tǒng)多為設(shè)備廠商配套提供，差別很大，而且監(jiān)控項單一，多為電力信息的實時顯示狀態(tài)，不具備綜合監(jiān)控、遠程報警和輔助維護功能。

(2) 軟件技術(shù)不統(tǒng)一，擴展性不強

    智能設(shè)備的發(fā)展初期，各廠家監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件技術(shù)不統(tǒng)一，協(xié)議和標準不統(tǒng)一，規(guī)約按照自身理解構(gòu)建。使得后續(xù)設(shè)備互相無關(guān)聯(lián)，并且擴展性不強。

(3) 其使用界面和接口單一，數(shù)據(jù)性太強

    配電站基本上都有的室內(nèi)監(jiān)管操作室，且尚未具備遠程監(jiān)控操作能力，與現(xiàn)階段智能手機、準確化主頁管理等技術(shù)不兼容。

1.2.3 國內(nèi)外配電站環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測及自動化運維裝置的探究問題

    國內(nèi)外有很多關(guān)于配電站綜合在線監(jiān)測方法，并早已將其投入到了實際應(yīng)用中。但當前配電站綜合監(jiān)測系統(tǒng)都是將各個獨立的監(jiān)測系統(tǒng)采集的實時狀態(tài)參量傳輸集成在統(tǒng)一的監(jiān)控平臺上，這些監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了基本監(jiān)測功能，但系統(tǒng)內(nèi)部之間沒有進行信息交互，對設(shè)備狀態(tài)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(tǒng)）結(jié)構(gòu)的配電站環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測及自動化運維裝置的作用

1.3.1 可以提高該企業(yè)工作人員的工作質(zhì)量

    通過 MEMS（微機電系統(tǒng)）傳感器采集技術(shù)、坐標定位技術(shù)、設(shè)備建模技術(shù)、地理編碼技術(shù)、路徑導航技術(shù)等應(yīng)用技術(shù)，可以幫助該企業(yè)工作人員逐步完善此配電站的環(huán)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(guān)鍵指標進行不間斷的監(jiān)測，這樣就可以提高該企業(yè)工作人員的工作質(zhì)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(guān)設(shè)備的搶修響應(yīng)效率

    基于 MEMS（微機電系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)的配電站環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測及自動化運維裝置，可以通過各種前端感知設(shè)備，從而獲取配電站室內(nèi)環(huán)境，高壓開關(guān)狀態(tài)、低壓電氣參數(shù)、電纜層狀態(tài)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(guān)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(yīng)的效率，大大縮短搶修其時間。

1.3.3 打通告警、維修、復(fù)電的流程環(huán)節(jié)，有效規(guī)范工作步驟

    配電站環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測及自動化運維裝置的研究，可以將配電站傳統(tǒng)的“巡線 - 發(fā)現(xiàn) - 通知 - 維修 - 復(fù)電"的檢查流程模式，完善成“告警 - 維修 - 復(fù)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(fù)電等流程環(huán)節(jié)，有效規(guī)范該項工作的步驟。

2.1 移動互聯(lián)服務(wù)

    采用移動互聯(lián)技術(shù)，通過后臺數(shù)據(jù)及服務(wù)，提供故障自動告警通知的能力，在故障發(fā)生后的幾分鐘內(nèi)即可通過后臺服務(wù)和前端應(yīng)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(fā)送到相關(guān)人員手機上，提供分鐘級告警提醒的能力，整體提高故障發(fā)生 - 故障消除的效率。

2.2 設(shè)備坐標定位及導航

    采用不同坐標定位技術(shù)，根據(jù)外部環(huán)境自動選取適合的坐標定位技術(shù)，便于獲取準確坐標信息。根據(jù)故障告警及消除的工作實際情況，研究將設(shè)備設(shè)置為導航目的地的地理編碼技術(shù)，自動將設(shè)備切換成導航算法可見的目標地址。

2.3 設(shè)備信息獲取維護

    采用設(shè)備關(guān)聯(lián)綁定的方式，將故障指示器的設(shè)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(shè)備信息、位置信息進行維護完善為故障告警提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

3.1 內(nèi)容

3.1.1 MEMS 結(jié)構(gòu)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(guān)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(xiàn)差異化環(huán)境控制，延長設(shè)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(yīng)用

    研究移動互聯(lián)網(wǎng)故障告警通知方面的應(yīng)用，通過互聯(lián)網(wǎng)獲取故障告警信息，并對必要的數(shù)據(jù)內(nèi)容進行加密處理，再通過手機跟電腦 APP 通知相關(guān)人員，由此提高派件速度，減少故障發(fā)生幾率，快速進入下一工作環(huán)節(jié)。

3.1.3 定位導航技術(shù)研究

    路徑導航應(yīng)用會結(jié)合地理信息、交通路況、道路橋梁，自身位置信息等數(shù)據(jù)，自動定位多條路徑，并能夠根據(jù)實時位置進行路徑規(guī)劃及路徑的及時切換。

3.1.4 相關(guān)手機或電腦 APP 的研究與應(yīng)用

    配電站故障告警定位移動應(yīng)用 APP 可以通過對故障巡線和消除工作深入研究，實現(xiàn)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(fù)電的流程環(huán)節(jié)，流暢快捷地完成故障告警通知、維修復(fù)電的流程環(huán)節(jié)，并通過 APP 促進該項工作的規(guī)范化作業(yè)，實現(xiàn)規(guī)范化管理。

3.2 優(yōu)勢

（1）MEMS 自動化程度高，可以實現(xiàn)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(huán)境下長期運行問題和常規(guī)控制、測量與

信號兼容性問題。

（3）由于采用分層式結(jié)構(gòu)，主控層和現(xiàn)場層設(shè)備各自獨立，互不影響。主控層 (上位機 )設(shè)備退出運行時，現(xiàn)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(shù)，實現(xiàn)了較高的可靠性。

（4）由于采用分布式結(jié)構(gòu)，模塊化系統(tǒng)硬件及功能分布，現(xiàn)場設(shè)備的控制獨立，各設(shè)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)的監(jiān)控軟件具有友好的人機界面，界面可根據(jù)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(jié)構(gòu)綜合保護裝置，與常規(guī)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(shè)計，每個 CPU 由單獨開關(guān)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(shè)計工作量小，控制連接電纜少，微機設(shè)備裝置占用空間小 ；施工安裝工作量較少，現(xiàn)場調(diào)試也非常簡單。

4.1 運維裝置的應(yīng)用情況

    探究基于 MEMS 結(jié)構(gòu)的配電站環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測及自動化運維裝置，需要建設(shè)電力物聯(lián)網(wǎng)配電站環(huán)境狀態(tài)感知系統(tǒng)。該運維系統(tǒng)可以幫助用戶地理信息采集、電氣及環(huán)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(yīng)用之一。

4.2 運用運維裝置的效益

    基于 MEMS（微機電系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)的配電站環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測及自動化運維裝置，就可以準確地完成配電站環(huán)境量及電氣量信息采集、坐標信息采集、移動端設(shè)備建模等功能，同時完善的配電站環(huán)境、地址等信息。并通過手機 APP 或電腦軟件的建設(shè)，為故障和異常處理提供數(shù)據(jù)支撐，有效解決配電站管理系統(tǒng)中存在的問題 , 實現(xiàn)高效、及時和可靠的運行模式。通過各種先進的設(shè)備獲取站室內(nèi)環(huán)境，高壓開關(guān)狀態(tài)、低壓電氣參數(shù)、電纜層狀態(tài)以及安防等信息，并通過邊緣計算網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)存儲、應(yīng)用和轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)對配電站關(guān)鍵指標進行實時不間斷監(jiān)測，從而改變過去依靠人工巡視運維的傳統(tǒng)做法，減少配電站運維人員，提高工作效率。

5.1簡介

    安科瑞電氣股份有限公司根據(jù)配電室實際情況，結(jié)合多年的變電站和配電室的運行管理經(jīng)驗，了安科瑞配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能開關(guān)柜運行監(jiān)控、高壓開關(guān)柜帶電顯示、電流電壓等負載運行監(jiān)控、母線測溫監(jiān)測、電纜測溫監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、有害氣體監(jiān)測、安防監(jiān)控、采暖通風、門禁、燈光、風機、除濕機、空調(diào)控制等功能。實現(xiàn)動力環(huán)境各數(shù)據(jù)的檢測與設(shè)備控制，實現(xiàn)動力環(huán)境優(yōu)化，避免運行環(huán)境的失控導致配電設(shè)備運行故障，保證維護人員，延長設(shè)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(xiàn)配電動力環(huán)境的分布式遠程管理。

5.2系統(tǒng)功能

5.2.1 通信管理

    安科瑞智能配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)可以完成對整個配電室范圍內(nèi)的通信設(shè)備進行管理、添加、刪除、控制和數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。

5.2.2實時監(jiān)測

    安科瑞智能配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)人機界面友好，能夠顯示配電室設(shè)備的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測配電室環(huán)境參數(shù)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(guān)故障、告警等信息。

5.2.3 數(shù)據(jù)查詢

    在人機界面中，可以直接查看配電室個設(shè)備的運行數(shù)據(jù)。

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(nèi)設(shè)備的運行數(shù)據(jù)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(jiān)控系統(tǒng)具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娛覝囟取穸?、有害氣體、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)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(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)Ξa(chǎn)生的所有事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和進行歷史追溯、查詢統(tǒng)計、事故分析。

5.2.8 用戶權(quán)限管理

    為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的保障。

5.2.9網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

    安科瑞智能配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?？稍诰€診斷設(shè)備通信狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時能自動在界面上顯示故障設(shè)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(jiān)控系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進行遠程遙控操作。

5.3Acrel-2000E/B配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)配置選型

    總的來說基于 MEMS（微機電系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)的配電站環(huán)境狀態(tài)監(jiān)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。

[3] 安科瑞Acrel-2000EB配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)2020.04版

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(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。