張彩友，鄒 暉，馮正偉，焦晨驊，劉 晉，劉 勛

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

0 引言

近年來，大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能、5G 通信等新興技術的應用正在不斷推動社會生產力進步，而電力行業(yè)作為基礎產業(yè)，一直以來把主要投入放在電網(wǎng)網(wǎng)架和電網(wǎng)設備上，推動了堅強智能電網(wǎng)建設，但對發(fā)展最快最普遍最社會化的如物聯(lián)網(wǎng)等新興技術的應用和探索還很不夠，正所謂泛在電力物聯(lián)網(wǎng)落后于堅強智能電網(wǎng)建設。

隨著電網(wǎng)規(guī)模的快速增長，如果不能做到對電網(wǎng)設備狀態(tài)、狀況實時管控，就會造成設備事故居高不下、安全生產如履薄冰的被動局面。因此，通過開展泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設，利用一系列新興技術，系統(tǒng)化考量、無死角覆蓋，達到對輸變電設備狀態(tài)的全面、實時、無間斷管控，以“物聯(lián)設備”管控“電網(wǎng)設備”，由此解決輸變電設備故障事件高發(fā)、責任性事件層出不窮、人力資源緊張等問題。

本文以500 kV 變電站智能物聯(lián)網(wǎng)綜合應用系統(tǒng)的設計、開發(fā)和試點建設為例，開展了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術在變電站中的應用研究，以期為后續(xù)500 kV 變電站泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設和應用提供參考和借鑒。

1 系統(tǒng)整體方案

1.1 系統(tǒng)概述

目前，變電站內視頻監(jiān)控系統(tǒng)、機器人巡檢系統(tǒng)、常規(guī)輔控系統(tǒng)、安防周界系統(tǒng)等各類生產輔助系統(tǒng)眾多，各類系統(tǒng)僅僅實現(xiàn)了部分數(shù)據(jù)采集、設備監(jiān)控、輔助巡檢等基礎功能[1]。各類系統(tǒng)間相對獨立，應用場景不完整，在數(shù)據(jù)共享、信息互動、智能決策、智能聯(lián)動等高級應用方面尚存在較大提升空間。因此，急需一套變電站智能物聯(lián)網(wǎng)綜合應用系統(tǒng)，通過采集多維度的大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)以“變電站作業(yè)任務為導向”的高級應用和數(shù)據(jù)分析功能。

變電站智能物聯(lián)網(wǎng)綜合應用系統(tǒng)融合視頻監(jiān)控、在線監(jiān)測、安防周界、消防監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)測、紅外成像、巡檢機器人等多種物聯(lián)網(wǎng)應用，實現(xiàn)各類物聯(lián)網(wǎng)應用間的信息縱向融合、數(shù)據(jù)橫向貫通、服務高度集成，規(guī)范、可靠、豐富、靈活地實現(xiàn)各業(yè)務應用間的信息共享和數(shù)據(jù)整合，并利用大數(shù)據(jù)分析、智能算法、圖像識別等技術實現(xiàn)設備表計自動讀取、斷路器及隔離開關分合狀態(tài)自動識別、異常告警智能分析、巡檢任務自動開展等高級功能[2]。在系統(tǒng)開發(fā)中采用B/S 架構設計，系統(tǒng)結構如圖1 所示，通過電力專網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸和訪問，滿足變電站一級部署、運維主站及公司多級應用的系統(tǒng)需求。

1.2 整體架構

變電站智能物聯(lián)網(wǎng)綜合應用系統(tǒng)整體架構如圖2 所示，系統(tǒng)采用分層、分布式結構設計，可分為感知層、網(wǎng)絡層、平臺層和應用層。底層的各級子系統(tǒng)采用獨立組網(wǎng)、獨立計算的方式，后臺系統(tǒng)與感知層設備間通過有線電力專網(wǎng)、1.8G無線專網(wǎng)和LoRa 無線網(wǎng)絡等通信網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)具有終端泛在接入、平臺開放共享、計算云邊協(xié)同、數(shù)據(jù)驅動業(yè)務、應用隨需定制等技術特征。整個系統(tǒng)采用中心計算與邊緣計算相結合的方式，提高數(shù)據(jù)處理效率，降低系統(tǒng)中心服務器負載[3]。各子系統(tǒng)和感知設備完成各類數(shù)據(jù)的采集、計算、分析等前端處理工作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的邊緣端處理；系統(tǒng)后臺中心服務器完成全景大數(shù)據(jù)的融合、分析及處理，實現(xiàn)中心端的數(shù)據(jù)分析[4]。

圖1 系統(tǒng)結構示意

圖2 系統(tǒng)整體構架

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的消防、安防、燈控等傳統(tǒng)變電站輔助設備與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)間通過智能接口設備以DL/T 860 標準協(xié)議進行通信；視頻監(jiān)控設備采用標準國網(wǎng)B 接口與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行通信[5-6]；巡檢機器人的數(shù)據(jù)通過專用SDK（軟件開發(fā)工具包）協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸；主變壓器（以下簡稱“主變”）振動、油色譜監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)專用服務器處理后以IEC 61850 協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行通信；物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通過正向隔離裝置接收變電站站控層SCADA（監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）/人機操作員站的各類遙測、遙控、遙信數(shù)據(jù)，實現(xiàn)主輔設備間的實時聯(lián)動、數(shù)據(jù)分析功能，為一鍵式遠程順控提供斷路器、隔離開關位置識別的雙重判據(jù)。

2 感知層設備

系統(tǒng)感知層主要包括變電站的工業(yè)視頻攝像機、智能巡檢機器人、變壓器振動監(jiān)測、變壓器油色譜監(jiān)測、無線溫濕度傳感器、火焰探測器、消防管道壓力傳感器以及常規(guī)輔控系統(tǒng)檢測傳感設備等多種狀態(tài)感知設備。通過采用各類型傳感器、攝像機、控制器等設備，采集變電站前端的主設備狀態(tài)數(shù)據(jù)，監(jiān)測變電站主設備健康狀態(tài)，為變電站智能物聯(lián)網(wǎng)綜合應用系統(tǒng)高級應用提供基礎數(shù)據(jù)來源。

2.1 視頻監(jiān)控設備

視頻監(jiān)控攝像機作為變電站物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的主要感知設備，是實現(xiàn)變電站一、二次主設備健康狀態(tài)全面感知、設備狀態(tài)自動巡檢的重要手段[7]。在攝像機選型時，應綜合考慮變電站現(xiàn)場安裝位置和實際業(yè)務需求。本方案中綜合利用高清紅外球機、雙目云臺、可變焦槍機、定焦小筒機、雙光譜云臺、全景鷹眼等多類型設備實現(xiàn)變電站一次設備的全覆蓋（詳見表1）。其中，利用高清紅外球機、雙目云臺、全景鷹眼實現(xiàn)設備外觀、分合指示、設備油位的全面監(jiān)視；利用可變焦槍機、定焦小筒機一對一的方式監(jiān)測各類設備表計；利用多臺雙光譜云臺全面覆蓋主變35 kV 部分電抗器、電容器等無功設備區(qū)。攝像機應采用立桿安裝與高空構架安裝相結合的方式，實現(xiàn)高空俯視、地面仰視的多角度覆蓋，為斷路器、隔離開關的分合位置判別提供多源判據(jù)。

表1 攝像機配置

2.2 變壓器監(jiān)測設備

變壓器在線監(jiān)測設備主要包括變壓器油色譜分析、鐵芯夾件接地電流、超聲波局放、本體振動等[8]。變壓器振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)結構如圖3所示，通過部署變壓器振動監(jiān)測傳感器與故障診斷程序，對運行中的變壓器進行實時在線監(jiān)測與狀態(tài)評估，及時發(fā)現(xiàn)變壓器異常、故障及損傷，預防變壓器發(fā)生突發(fā)事故[9-10]。在每臺變壓器8個位置測點采集振動信號，用多振動測點的特征矩陣來表征變壓器整體機械振動狀態(tài)，變壓器振動檢測法是一種有效方法，對變壓器的機械結構特征反映靈敏。在排除直流偏磁、過負荷運行等異常工況后，提取變壓器特定的振動特性參量，能夠有效反映出繞組變形、松動和移位等機械結構參數(shù)的變化，從而判斷繞組、鐵芯是否失穩(wěn)等變壓器機械特性狀況。

圖3 變壓器振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)結構

2.3 無線溫濕度傳感器

變電站中的端子箱、機構箱、匯控柜等戶外箱柜作為電氣設備的重要附屬設施，其安全穩(wěn)定運行是變電站一次設備正常運行、二次設備正確動作的基本條件，戶外箱柜一旦發(fā)生凝露、滲水、積水、潮濕等問題，將會直接導致各種一、二次設備的故障和缺陷。本方案通過在變電站戶外箱柜內布置LoRa 無線智能溫濕度傳感器來實時監(jiān)測箱柜內溫濕度環(huán)境，傳感器定時自動采集溫濕度數(shù)據(jù)并上傳給LoRa 網(wǎng)關，經(jīng)由無線專網(wǎng)進入變電站智能物聯(lián)網(wǎng)綜合應用系統(tǒng)，若系統(tǒng)顯示溫濕度超過預警值，可實現(xiàn)自主報警，讓運維人員第一時間作出應對措施。另外，采用LoRa 無線傳輸技術的智能溫濕度傳感器具有功耗低（電池可使用5～10 年）、傳輸距離遠、免維護等特點。

2.4 消防類傳感設備

消防類傳感器設備主要包括火焰探測器、消防管道壓力傳感器、獨立式感煙火災探測器等。其中火焰探測器采用紫外和紅外復合檢測方式，借助1 顆日光盲型紫外傳感器和2 顆低噪聲紅外熱釋電傳感器，通過內置的32 位微處理器和專用信號處理算法，能真實識別出現(xiàn)場火焰，并通過4-20 mA 信號線接至系統(tǒng)智能接口裝置，經(jīng)規(guī)約轉換后上傳至物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)后臺。消防管道壓力傳感器和獨立式感煙火災探測器均采用LoRa無線傳輸方式，采集數(shù)據(jù)經(jīng)前端傳感器處理后再上送至LoRa 網(wǎng)關，通過無線專網(wǎng)進入變電站智能物聯(lián)網(wǎng)綜合應用平臺。

3 網(wǎng)絡層解決方案

本系統(tǒng)采用有線專網(wǎng)、1.8G 電力無線專網(wǎng)、LoRa 無線網(wǎng)等組網(wǎng)方案解決系統(tǒng)各層級設備間的通信問題，實現(xiàn)感知層設備與系統(tǒng)平臺的無縫對接。

3.1 1.8G 電力無線專網(wǎng)

1.8 G 電力無線專網(wǎng)采用1785-1805 MHz 頻段通信，上下行時隙比按3：1 配置，單點最大上行速率12 Mbps，最大下行速率10 Mbps[11-12]。經(jīng)無線專網(wǎng)傳輸?shù)脑O備需要與南瑞加密芯片結合使用，對采集數(shù)據(jù)進行加密傳輸，最后經(jīng)微型安全平臺接入信息內網(wǎng)。 本方案組網(wǎng)方式如圖4 所示，它徹底解決了變電站巡檢機器人以往通過自建無線WIFI 方式與巡檢后臺間進行通信所帶來的信息安全問題，巡檢機器人可通過1.8G 電力無線專網(wǎng)安全、可靠地接入信息內網(wǎng)，為巡檢機器人數(shù)據(jù)與內網(wǎng)中各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通提供了基礎。另外，1.8G 電力無線專網(wǎng)中的安全接入平臺從終端、網(wǎng)絡、邊界三個維度構建移動安全防護網(wǎng)，為移動應用、現(xiàn)場作業(yè)、數(shù)據(jù)采集、智能巡檢等業(yè)務場景提供了傳輸通道，可有效防范無線終端、通信、信息內網(wǎng)系統(tǒng)的安全風險[13，15]。

3.2 LoRa 無線網(wǎng)

LoRa 無線傳輸技術是一種遠距離、低功耗、多節(jié)點的物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術，全球免授權無線頻段主要有433/470/868/915 MHz，傳輸距離城鎮(zhèn)可達2～5 km，郊區(qū)可達15 km[16]。本方案中采用國標版470 MHz 免授權頻段，變電站內共部署3個LoRa 網(wǎng)關，最大支持同時接入2 000 個無線傳感器，傳感器電池壽命一般為3～5 年。本系統(tǒng)共部署LoRa 無線物聯(lián)網(wǎng)傳感設備600 余個，主要包括無線溫濕度傳感器、無源表計識別攝像頭、無線水浸傳感器、消防栓壓力檢測傳感器等。

圖4 電力無線專網(wǎng)應用

1.8 G 電力無線專網(wǎng)與LoRa 網(wǎng)關的組合應用如圖5 所示，物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)LoRa 網(wǎng)關匯聚，由南瑞安全模塊CPE（客戶終端設備）加密后，通過電力1.8G 無線專網(wǎng)安全接入信息內網(wǎng)，徹底解決無線類傳感設備接入電力系統(tǒng)內網(wǎng)的安全問題，為變電站內的物聯(lián)網(wǎng)設備提供了安全、可靠的接入方式。

4 平臺應用接口

圖5 無線專網(wǎng)與LoRa 組合應用

系統(tǒng)平臺層前端應用采用B/S 架構開發(fā)設計，后端系統(tǒng)由千兆網(wǎng)絡交換機、智能算法服務器、主系統(tǒng)服務器、LoRa 數(shù)據(jù)處理服務器等硬件設備組成，系統(tǒng)綜合了物聯(lián)網(wǎng)設備管理、數(shù)據(jù)應用分析和系統(tǒng)業(yè)務處理等功能，可實現(xiàn)對各類物聯(lián)網(wǎng)傳感器及節(jié)點設備的管理、協(xié)調與監(jiān)控。主系統(tǒng)服務器與智能算法服務器、LoRa 數(shù)據(jù)處理服務器之間的業(yè)務通信采用基于Web Service 的應用程序接口，數(shù)據(jù)訪問方式如圖6 所示。智能算法服務器和LoRa 數(shù)據(jù)處理服務器作為數(shù)據(jù)分析服務端，主系統(tǒng)服務器作為數(shù)據(jù)使用方。當使用方發(fā)起數(shù)據(jù)分析請求時，數(shù)據(jù)分析服務端通過程序接口返回請求結果，并立即開展數(shù)據(jù)分析處理服務，數(shù)據(jù)處理完成后通過程序接口立即通知使用方并返回分析結果。另外，系統(tǒng)平臺層部署開放式算法擴展塢，建立統(tǒng)一算法I/O 接口，滿足傳感數(shù)據(jù)類型多、診斷算法多樣化的業(yè)務需求，為電網(wǎng)運檢智能化分析管控系統(tǒng)和全業(yè)務數(shù)據(jù)中心等平臺提供業(yè)務數(shù)據(jù)和分析結論。

圖6 Web Service 數(shù)據(jù)訪問方式

5 應用層功能

系統(tǒng)應用層開發(fā)以運維作業(yè)實際需求為導向，具備一次設備智能巡檢、設備狀態(tài)全面感知、設備操作智能聯(lián)動等功能。

5.1 智能巡檢功能

系統(tǒng)主要通過視頻監(jiān)控、巡檢機器人等設備自動開展對斷路器、隔離開關、變壓器、電抗器、電容器等一次設備的外觀檢查、表計抄錄、油位監(jiān)視、分合位置識別等日常運維巡視工作，并自動對巡視結果進行分析處理、智能告警。系統(tǒng)可按照變電站運維專業(yè)要求，自動生成運維巡檢報告，供運維人員遠程瀏覽、判斷。

5.2 設備狀態(tài)全面感知

系統(tǒng)利用主變在線監(jiān)測傳感器、視頻監(jiān)控、溫濕度傳感器等設備，實現(xiàn)變電設備狀態(tài)的全方位自我實時感知，根據(jù)閾值等標準初步判斷數(shù)據(jù)是否正常。當設備數(shù)據(jù)異常時，可通過系統(tǒng)實時獲取該設備的所有信息，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)縱向分析、各相設備和同類同型設備橫向比較，對設備狀態(tài)進行初步診斷，從而實現(xiàn)設備狀態(tài)的自主快速感知和預警。對于異常設備，及時向運行人員推送預警信息，調整狀態(tài)監(jiān)控策略，并上傳至平臺層進行更精確的診斷和分析。

5.3 設備操作聯(lián)動

變電站智能物聯(lián)網(wǎng)綜合應用系統(tǒng)與變電站站控層SCADA 系統(tǒng)通過正向隔離裝置進行通信，SCADA 系統(tǒng)通過UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）報文形式將遙控、遙信、遙測等一次設備的操作、告警信息傳輸至物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。當SCADA 系統(tǒng)中操作一次設備時，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)服務器收到相應的UDP報文后智能聯(lián)動視頻攝像機調閱相應的視頻畫面。當SCADA 系統(tǒng)一次設備出現(xiàn)SF6告警、保護跳閘等重要信息時，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)自動啟動相應的巡檢任務，為運維人員提供詳細的巡檢結果。

6 結語

隨著國網(wǎng)公司“三型兩網(wǎng)”世界一流能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)建設要求的提出，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設已全面啟動，通過泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的全面建設，為電網(wǎng)運行更安全、管理更精益、投資更精準、服務更優(yōu)質開辟了一條新路。

本文結合500 kV 變電站泛在電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的試點建設經(jīng)驗，探索研究了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在變電站的技術應用，為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在變電站中實際應用提供了參考、借鑒。