摘要:随着国家电力发展“十三五”规划提出推进智能电网建设，大量先进科学技术结合到智能电网建设中，配电自动化系统作为智能电网的关键部分，也融入了大量的先进科学技术，不断地对系统进行迭代升级。本文主要介绍了基于LoRa的配电房远程监测系统的技术研究，将LoRa无线通信技术、物联网技术等技术应用到配电房的监测管理中，实现配电房的运行工作环境和设备状态的远程监测、记录、分析和运维。
关键词：LoRa无线通信、配电房、监测系统、运维管理
1.配电房监测系统现状分析
1.1 配电房监测技术背景
智能配电网建设是智能电网发展过程中的重点建设任务之一，而配电房的运维和管理对配电自动化系统建设至关重要。[1]传统的运维和管理方式是应用集合远动测控终端对配电房的配电设备进行远程监测，通过远动测控终端获取配电设备的关键状态量，并传送到配电自动化主站系统，完成对配电房的远程监测。然而，由于大部分配电房都处于偏僻地区，设备运行环境复杂、恶劣，对外通信存在盲区，无法稳定可靠地实现“远动遥测、遥控、遥信”的功能，主要还是靠配网的运维工作人员定期按时进行人工巡检，并做统计记录台账。当出现异常工况时，配网的运维工作人员通过停电事件或其他居民通知，经过分析，排查找出发生异常工况的配电房，并联系相关人员进行抢修。这种原始的运维、管理方式无法快速定位发现配电房发生的异常工况，运维、抢修工作投入的人力、物力和财力也比较多，工作效率十分低下，造成的停电时间也较长，同时也非常容易引发安全事故，对于配电网的运维、管理工作来说，这是一个迫切需要解决的问题。目前，随着科技的发展，配电房的运维、管理不断融入远程无线通信技术、物联网技术和传感技术等高新科学技术。经过配网管理单位的不断实践、试点和改进，逐渐形成了一套运行稳定可靠、基础功能完善的配电房远程监测系统。
1.2 LoRa通信技术介绍
目前，物联网无线通信技术中主要有WiFi、Bluetooth、ZigBee、NB-IoT等几种无线通信技术。对于应用无线通信技术的通信系统需要根据实际通信需求，从传输距离、传输速率、通信功耗、设备功耗和建设成本等多方面进行筛选。[2]在LPWAN通信技术产生并得到应用之前，所有的无线通信技术都存在通信距离和通信功耗无法兼并最优化的矛盾，而LoRa通信技术作为LPWAN通信技术其中的一类，同时具备通信距离远，通信功耗低等两种特点。LoRa通信技术在2015年由Semtech公司创建，是近年新兴的一种无线通信技术，工作频率包括“433、868、915”MH等几种频率，采用扩频调制解调方式实现数据的无线传输。相比其他无线通信技术，其特性主要是功耗低，通信距离远，信号穿透力强。
2.配电房远程监测系统总体架构
基于LoRa的配电房远程监测系统总体架构如图2-1所示，配电房远程监测系统主要分为系统层、网络层、设备层等三个部分。设备层包含配电自动化设备监测终端、运行环境监测终端、配电终端，通过运行环境监测终端采集配电自动化设备的运行环境，包括“温度、湿度、图像、安防”等多种环境状态量，通过配电自动化设备监测终端采集配电自动化设备的运行状况，包括“温度、电流、电压、功率、局放”等多种运行状态量，由配电终端通过RS232/485的通信协议收集运行环境监测终端和配电自动化设备监测终端的多种状态量。网络层主要包括LoRa通信终端和LoRa通信基站，由LoRa通信终端通过RS232/485通信协议接收配电终端所上传的数据信息，并通过扩频调制解调通信方式，无线传输给LoRa通信基站，LoRa通信基站包含GPRS远程无线通信模块，可通过GPRS远程无线通信将设备层采集到的数据信息传输到远程监测系统，最后由远程监测系统完成数据信息的记录、统计、分析和展示。系统层既是远程监测系统，除了记录、统计、分析和展示设备层采集的数据信息外，同时配电房运维人员也可通过远程监测系统下发远程控制指令，通过网络层实现数据的下发，配电终端将收到的远程控制指令下发给运行环境监测终端和配电自动化设备监测终端，由运行环境监测终端和配电自动化设备监测终端执行远程控制指令，完成远程监测系统对配电房运行环境和配电自动化设备的远程监测功能。
3.配电房远程监测系统功能
3.1配电设备状态监测功能
配电房远程监测系统通过配电自动化设备监测终端完成配电自动化设备的状态监测功能，主要由各类传感器、远程联动设备组成。通过各类传感器实现对变压器、计量柜、高压柜、低压柜、PT柜和直流屏等配电自动化设备运行的温度、电流、电压、功率和局放等多种状态量的采集。
(1)温度监测
配电自动化设备运行的温度监测主要通过温度传感器和热成像传感器实现，将温度传感器应用在变压器的油温、铁芯、外壳、风机，高低压柜的接线柱，计量柜、PT柜、直流屏的柜体内部、线缆等关键部位的温度状态量采集；将热成像传感器应用于变压器、高低压柜等配电自动化设备的整体温度状态量采集。同时，将配电自动化设备的温控模块结合到温度监测中，根据采集到的温度状态量对配电自动化设备的温度进行灵活控制，完成温度预警和联动控制。[3]
(2)电流监测
配电自动化设备的电流监测主要是采用电流互感器对高低压柜、PT柜、计量柜等配电自动化成套设备进行电流状态量的监测。
(3)电压监测
配电设备的电压监测主要是采用带通讯功能的电压测量表计对高低压柜、PT柜、计量柜等配电自动化成套设备进行电压状态量的监测。
(4)功率监测
配电设备的功率监测主要是采用带通讯功能的功率测量表计对高低压柜、PT柜、计量柜等配电自动化成套设备进行功率状态量的监测。
(5)局部放电监测
配电自动化设备的局部放电监测主要是采用局放在线监测装置对变压器、开关柜等配电自动化设备进行局部放电监测，并通过局部放电脉冲信号对变压器、开关柜进行局部放电校准、分析。[4]
局部放电是由于在绝缘物质内的电场强度不均匀而引发的局部放电现象，局部放电现象融于破坏绝缘体中的分子结构，造成绝缘体产生氧化裂解或热裂解。而引发这种现象的原因常常是“绝缘材料生产工艺缺陷、电场分布不均或电介质分布不均”等几种情况。局部放电能引起具有超高频脉冲电流的震荡粒子波、超声波以及多种气态物质，通过对这些物理量实施监测以及对探测信息的融合分析即可对局部放电进行定位和故障分析。
3.2配电房的运行环境监测功能
配电房远程监测系统通过运行环境监测终端完成配电房的运行环境状态监测功能，主要由各类传感器、远程联动设备组成。通过各类传感单元实现对配电房的运行环境的温（湿）度、烟雾浓度、水浸、噪音、振动、SF6气体浓度和含氧量等多种运行环境状态量的采集，并结合风机传感器、光感控制器器、视频监控和门阀电磁传感器等智能联动设备，实现对配电房运行环境的远程监测。[1]
(1)温度监测
配电房的温度监测主要采用温度传感器对配电房通风口、高低压柜、开关柜、变压器等内部重要区域进行温度监测。
(2)湿度监测
配电房的湿度监测主要采用湿度传感器对配电房通风口、高低压柜、开关柜、变压器等内部重要区域进行湿度监测。
(3)烟雾浓度、SF6气体浓度和含氧量监测
配电房的烟雾浓度、SF6气体浓度和含氧量监测主要采用相应的气体浓度传感器对配电房通风口、成套设备柜体等内部重要区域进行烟雾浓度、SF6气体浓度和含氧量监测。
(4)水浸监测
配电房的水浸监测主要采用烟雾浓度传感器对配电房排水口、成套设备底部等重要区域进行水浸监测。
(5)噪音监测
配电房的噪音监测主要采用噪音传感器对配电房成套设备柜体、变压器等内部重要区域进行噪音监测。
(6)振动监测
配电房的振动监测主要采用振动传感器对配电房成套设备柜体等内部重要设备进行振动监测。
3.3配电房的运维管理
配电房远程监测系统设备层的监测终端进行配电房配电自动化设备状态监测和运行环境监测，将采集到的配电房详细运行工况通过网络层反馈给配电房远程监测系统，配电房远程监测系统对收集到的底层设备运行状态进行数据信息的记录、统计、分析和诊断，并输出记录数据库、统计报表台账、分析诊断报告。
配电房的运维和管理包括日常巡检和异常工况抢修两种情况，配电房的日常巡检管理，主要是配电房的运维工作人员通过配电房远程监测系统对配电房的内部配电自动化设备的运行状态进行日常的巡检，查看系统是否有异常工况报警、出现异常数据提醒或设备维修提醒等信息。配电房的异常工况抢修管理主要是系统设备层监测终端发现异常工况并通过网络层反馈给配电房远程监测系统，系统发出故障报警提醒并自动隔离异常工况源头，防止造成二次故障事件，运维工作人员接到报警通知后，根据系统显示异常工况报警提醒确定故障具体位置和故障情况，立刻组织异常工况抢修人员实施异常工况抢修。
4.结论
本文通过对配电房的状态监测和LoRa无线通信技术等技术进行研究，从技术现状、系统总体架构、功能结构等方面对基于LoRa的配电房远程监测系统进行分析。基于LoRa的配电房远程监测系统融合LoRa无线通信技术、物联网技术，符合当下推广建设智能电网的需求，解决了由于配电房地处偏僻地区，通信不稳定，而造成远程监测系统运行不稳定，信息反馈不及时，无法为配电房的运维生产工作提供有效信息的问题。不仅有利于提高了配电房的运维生产工作效率，同时也减少了配电网停电时间，降低了配电网运维生产的安全风险。
参考文献
[1]宋光华 .智能配电房监控系统的技术研究[J].通信电源技术，2018,35（2）：82 - 84.
[2]吴晨，杨晨光.无线通信技术的发展研究[J].无线互联网科技，2016（7）：5 - 6.
[3]彭德林. 基于GPRS的配电网自动化监控系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2007.
[4]范闻博，带电检测技术在配电设备状态检修中的应用研究[J]. 电力电气，2016，32（17）：64 - 80.
论文作者:刘振祥
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第06期
论文发表时间:2019/7/31
标签：配电房论文; 终端论文; 监测系统论文; 自动化设备论文; 工况论文; 通信技术论文; 设备论文; 《当代电力文化》2019年第06期论文;