智能电网是未来电力科技发展的方向，变电站是电网智能化的重要环节。无锡物联网产业研究院在国家电网无锡西泾变电站，首次构建变电站智能监测与辅助控制系统，为变电站成功装备智能监测、判断、管理、验证等智慧功能。作为我国首座220千伏智能变电站，其样本经验已全面融入国网标准，应用于国内30余个智能变电站的建设改造。
自入选“无锡物联网应用2013年年度十大案例”以来，无锡物联网产业研究院将远距离广域物联网技术融入该系统，有效提高通信覆盖范围和基站管理容量，同时降低投入成本。目前，该系统已在电力、水行业等领域进行了试点应用，覆盖10个省区，50多个变电站，累计实现销售收入5000余万元。2015年，无锡物联网产业研究院实现营业收入5800万元，较2013年增长16%。未来，计划在该案例研发经验基础上，向智能交通、环保、金融服务等领域拓展。
电网“心脏”亟待智能化“防火墙”
由于电网系统具有显著的公共性特征，电网一旦发生事故，蔓延速度快、影响面大。变电站作为电网体系的核心和枢纽，起着汇集电能、升降电压和分配电能的作用，其运行安全与否，直接关系到电网的安全和稳定。
人是传统变电站安全监测的关键因素，设备检查、检修维护、故障处理均需人工完成。然而，以人为主体的传统监管有先天不足：一是监测周期长，短则一天长则一周，无法实现24小时动态实时监测；二是监测范围窄，工作人员无法深入设备内部或设备间的狭缝中实施检测；三是监测成本高，传统监管方式耗时耗力，人工成本高企。
“建设‘无人值守’的智能变电站迫在眉睫。”无锡物联网产业研究院智能电网部设备研发部经理张万生博士说，智能变电站需实现系统集成，所有监测和检测的信号可联动，传感器实时感知现场情况，系统自动调整和自动控制，操作人员依托网络远程在线控制。
基于物联网技术研发和应用的核心优势，无锡物联网产业研究院探索构建变电站智能监测与辅助控制系统，并成功应用于无锡惠山区前洲镇西泾变电站。
2010年12月30日，作为国内首座应用物联网技术建设的变电站，无锡供电公司西泾220千伏变电站正式竣工投运，标志着高压强电控制技术与“物联网”技术的融合进入实用化应用新阶段。该项目建立了基于物联网技术的集防入侵、防人员伤害、环境监测等功能于一体的变电站全景监测平台。
遍布于变电站各个角落的385个传感器，成为这座智能变电站核心所在。这些半个火柴盒大小的传感器，对周围环境中温度、湿度、水位以及烟雾进行感知，在第一时间将周围环境中的细微变化传输到控制中心的在线检测系统。
“举例来说，温湿度传感器通过对周围环境中温度和湿度的感应，可以自动地对通风口的风速大小和空调的温度等进行调节。”张万生说，该项工程综合运用智能传感、网络通信以及实时检测等技术，将变电所传统意义上的设备智能化，使其实现自我感知、判别和智能化决策，自动完成顺序控制。
同时，应用物联网和图像识别技术，实现了站内巡检工作的智能监督和站内防误入间隔的智能认证。各类传感器将信息收集后，通过它们之间的联动，迅速而准确地向总监控室的工作人员发出指令，为提高变电站运维巡视和安全措施布置的生产作业安全做出了有益的尝试。
“如果一个陌生人私自闯入西泾变电站，那么不到5分钟，他就会被工作人员直接‘拿下’。因为从碰触到变电站防盗门的那一刻起，他的一举一动就尽收工作人员眼底。”张万生说，首先，防盗门上的振动传感器会传送信号给系统，系统控制高清摄像机进行实时监测，同时声光报警系统进行报警。
另外，在主变压器上方安装有2台红外热成像仪，可实现24小时实时监测。过去，需要人工手持仪器到现场测温，现在一切都实现了智能化、网络化，工作人员坐在操作台前便可对现场情况一目了然，而且可以实现远程操作。
国家电网公司总经理刘振亚在西泾智能变电站调研时指出，西泾变电站的新技术、新功能和先进设施的应用达到国内领先水平，真正实现了“智”的跨越，并努力打造“能”的提升，为国家电网公司系统树立智能变电站样板，推进智能电网建设作出突出贡献。
西泾智能变电站创造多项全国第一
据无锡物联网产业研究院院长助理邢涛博士介绍，西泾变电站采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，综合运用智能传感、网络通信、实时监测等技术，创造了智能变电站建设的诸多国内第一。
首次基于物联网技术建立变电站传感测控网络。与传统变电站相比较，西泾变电站共布置温度监测、温湿度监测、磁控感应、水浸感应、震动感应等五大类385个传感器。对影响变电站运行的二次设备运行环境温湿度、一次设备重要节点温度、变电站电缆层等低洼区域水位等因素实施全方位智能监测。
“例如在地面放置的6个水浸传感器，当遇到电缆沟内有积水等问题时，可以及时反馈信号回系统，系统不仅可以控制高清摄像机查看具体情况，而且可以启动相关设备进行排水。”邢涛说。
首次构建变电站智能监测与辅助控制系统，该系统包括图像监视子系统、安全警卫子系统、火灾报警及消防子系统、采暖通风子系统、给排水子系统、SF6泄漏在线监测子系统、智能巡视子系统、防误入带电间隔子系统、设备运行温度在线监测子系统和主变红外热成像诊断子系统等10个子系统，实现了变电站辅助系统一体化智能管控，并获得国家实用新型专利。
该系统将常规变电站各自独立的辅助生产系统，通过统一的通信规约转变为综合智能化管理平台，与设备在线监测系统一起构成了变电站智能巡检系统，无需进行人工或机器人巡检，远方的监控中心便可随时掌握站内设备和辅助系统的运行情况，及时诊断并处理出现的异常现象。
首次在变电站内对多种类型的信息进行广泛、深入的融合，提高了变电站智能辅助系统的信息可靠性。通过电子围栏、墙体震动传感器、视频监控信息的感知与融合，实现高可信的无虚警、无漏警安防报警；通过感知与融合视频监控信息、红外热成像信息和烟感信息，实现高可信的消防报警；通过感知与融合、比对同一设备不同相位、同类设备之间的温度差异，以及环境温湿度信息，实现准确、快速的设备故障告警和灵活的设备运行温度管理；通过感知与融合水浸、水位、环境温湿度和视频监控信息，实现高可信的变电站环境状态告警。
首次在国内提出了针对智能变电站应用的超低功耗无线传感器网络算法。针对变电站应用中对无线传感器节点超低功耗的特殊要求，提出低功耗路由算法和动态心跳算法，使无线传感器平均工作电流降低到5微安，实现了无线传感器节点的超低功耗。
根据变电站现场运行管理要求，通过分析、比较与测试，首次采用耐高温、高比容量的扣式锂氩酰胺氯电池用于电力无线传感器节点，配合低功耗网络协议和微功耗测控技术，达到预期8-10年寿命的技术指标，为无线传感器网络在电力系统应用打下坚实基础。
自2010年底竣工投运以来，西泾变电站各类巡视合格率、布置安措准确率均达100%。西泾变电站智能监测与辅助控制系统投资为250万元，与常规变电站辅助系统120万元左右的投资相比，增加了130万元，但整体功能全面提升。
同时，西泾变电站辅助系统年运行维护成本降低了15万元，运维工作量大为减轻。其中无线温度传感器的应用减少了变电站红外测温成本8万元，环境温度及水浸监视减少变电站环境运维成本5万元，通信网络使用的维护成本减少了2万。按照设计运行年限为30年，基准收益率为8%，经计算变电站智能辅助系统的全寿命周期成本比常规系统减少37.5万元。
江苏省电力检修公司无锡分公司副总工程师、西泾变运维系统负责人陆建云表示，西泾变电站具备“智能监测、智能判断、智能管理、智能验证”功能，真正实现了无人值班、在线监控的变电站智能管理，填补物联网技术在智能变电站全面应用的空白。
“西泾样本”融入行业标准前景广阔
调研显示，物联网技术在西泾变电站的应用，有效减少运行维护工作量、降低运行维护成本、提高变电站生产效率和安全管理水平，满足变电站智能运行管理的需要，为物联网技术应用于智能变电站作出了有益的探索和实践。
“西泾变在具备智能优势同时，全面融入资源节约、环境友好和工业化理念，成为工业领域节能先锋。”江苏省电力科学研究院副院长王健民说。
进入西泾变站区大门，进入视线的仅有两栋建筑，西侧为三层建筑，一层为电缆层，二层为10千伏开关室及接地变室，三层为110千伏GIS开关室、二次设备室及功能用房。东侧为两层建筑，一层为10千伏电容器室，二层为220千伏GIS开关室。除2台18万千伏安变压器外，其他设备均建在室内。
据介绍，相对传统变电站，西泾变电站采用体积小、占地少的组合电气设备，与标准化设计同规模方案相比，建筑面积减少了10%。通过多重网络通信、信息等技术运用，有效控制电缆和通信电缆的用量，工程折合少用铜材近15吨。采用智能通风系统，全站可节约用电负荷25千瓦。
国家电网公司调研员孙竹森认为，西泾变电站作为国家电网公司46座智能变电站新建工程试点中投运的首座220千伏站，完全达到智能变电站建设的前期预想，“设计和建设水平全国领先，对国家电网公司系统的智能变电站建设起到了引领和示范作用。”
无锡物联网产业研究院“智能视频变电站间隔防误入系统”获得国家发明专利；“智能视频变电站巡检质量认证系统”、“基于物联网的变电站智能监测与辅助控制系统”、“智能视频变电站间隔防误入系统”获国家实用新型专利。编制了《智能变电站技术导则》、《变电站无线传感器网络应用技术规范》、《物联网数据交换接口规范》等十三项国家电网公司企业标准。2012年2月，国网公司基于西泾变案例经验，编撰完成《智能变电站一体化监控系统功能规范》。
智能变电站“西泾样本”已全面融入国家电网标准，为物联网技术在变电站的应用提供了支撑，并作为行业标准进行推广。截至目前，该系统已应用到全国30余个变电站的建设改造中，未来市场前景广阔。
企业简介：无锡物联网产业研究院是在中科院、江苏省院省合作框架下，由中科院上海微系统与信息技术研究所、无锡高新区合作成立的独立法人事业单位，位于无锡高新区太科园境内，于2009年1月7日登记成立，主要从事物联网的研发、设计以及中试、生产。专门从事物联网、传感网领域关键技术、标准和产业研究的机构，致力于推动“感知中国”中心建设和物联网产业大规模产业化。其功能定位是充分利用上海微系统所研究团队在传感网领域已有的领先优势和总体优势，以及江苏省和无锡市良好的产业发展环境，瞄准传感网产业化瓶颈，重点开展传感网产业链的产业化共性技术、标准研究、系统集成测试、示范应用、成果转化和产业孵化等。
延伸阅读：
原标题：【聚焦物博会】“西泾变电站”：运用物联网技术实现“无人值守”
