王勝輝 王偉杰 郭旭 蘭五勝

摘 要：針對目前變電站在線監(jiān)測感知層設備存在設計規(guī)范和接口不統(tǒng)一，設備和設備之間、設備和系統(tǒng)之間交互性差等問題，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)的變電設備監(jiān)控系統(tǒng)，明確變電設備物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)、規(guī)范監(jiān)測設備和數(shù)據(jù)匯聚設備的物理接口、通信方式、通信協(xié)議，提高變電設備在線監(jiān)測設備的標準化、可靠性及智能化水平，滿足泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設需求。

關(guān)鍵詞：變電站在線監(jiān)測;物聯(lián)網(wǎng);整體架構(gòu);標準化

中圖分類號：TM633 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）14-0022-03

The Substation Equipment Monitoring System Based On Internet of Things

WANG Shenghui WANG Weijie GUO Xu LAN Wusheng

（XJ Electric Co.， Ltd.，Xuchang Henan 461000）

Abstract： Aiming at the problems of inconsistent design specifications and interfaces， poor interaction between equipment and equipment， equipment and system， etc. existing in on-line monitoring and perception layer equipment of substation， this paper proposed a substation equipment monitoring system based on the Internet of Things， which clarified the overall structure of the Internet of Things of substation equipment， standardizes the physical interface， communication mode and communication protocol of monitoring equipment and data gathering equipment， and improved the performance of the system. The standardization， reliability and intellectualization level of on-line monitoring equipment for substation equipment could meet the construction requirements of ubiquitous power Internet of Things.

Keywords： substation on-line monitoring;the Internet of Things;the overall architecture;standardized

1 研究背景

物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，而變電設備物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)在變電設備領域的融合應用。隨著邊緣計算、網(wǎng)絡泛在化等新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電網(wǎng)中的逐步應用，變電設備物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)邁入了規(guī)?；⒓苫涂缃绨l(fā)展的新階段。2018年12月舉辦的中央經(jīng)濟工作會議將加強物聯(lián)網(wǎng)等新型基礎設施建設作為2019年的重點工作，為以后的產(chǎn)業(yè)發(fā)展指明了方向。國網(wǎng)公司在2019年3月工作會議中提出了“三型兩網(wǎng)”的新時代戰(zhàn)略目標，明確將泛在電力物聯(lián)網(wǎng)作為下一步的重點工作，為電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行、經(jīng)營績效提高、服務質(zhì)量提升及戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)培育發(fā)展等提供強有力的資源支撐[1]。目前，變電站內(nèi)的在線監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)非常完善，可根據(jù)需要安裝不同類型的傳感器，實現(xiàn)變壓器、GIS、容性設備和低壓開關(guān)柜的狀態(tài)感知，然后統(tǒng)一接入輔助設備，統(tǒng)一監(jiān)控系統(tǒng)[2-4]，但不能滿足泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中對感知層設備泛在接入能力的要求，設備和設備之間、設備和系統(tǒng)之間交互性差，僅支持閾值分析、趨勢研判等基礎設備狀態(tài)評估功能。隨著智能運檢體系的深化建設，智能感知、不同種類的機器人和無人機等設備的深入應用，使得基于人工智能技術(shù)的狀態(tài)評估和診斷技術(shù)得到了極大的發(fā)展和應用。結(jié)合目前現(xiàn)狀，從全方位感知，泛在化連接、開放性共享、業(yè)務融合和創(chuàng)新發(fā)展四個方面進行建設和提升，實現(xiàn)變電設備狀態(tài)的全方位感知，提高數(shù)據(jù)的自動采集和獲取能力、數(shù)據(jù)綜合利用效率，并提出基于物聯(lián)網(wǎng)的變電設備監(jiān)控系統(tǒng)，按照感知層、網(wǎng)絡層、平臺層和應用層建設變電設備物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)變電設備的全方位感知、精確狀態(tài)評估和科學決策，提高變電設備管理的智能化水平、管理效率和安全水平[5]。

2 整體方案

變電設備的監(jiān)控系統(tǒng)主要包括設備和周邊環(huán)境。其中，設備主要包括變壓器、斷路器（GIS）和避雷器等。為提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的利用效率、系統(tǒng)可靠性和泛在接入能力，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的變電設備監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)可分為四個部分，即感知層、網(wǎng)絡層、平臺層和應用層，如圖1所示。

變電設備的物聯(lián)網(wǎng)全面感知、數(shù)據(jù)預處理、簡單狀態(tài)評估通過不同類型的智能傳感器和節(jié)點實現(xiàn);傳感數(shù)據(jù)的高速、可靠傳輸通過網(wǎng)絡層的設備和網(wǎng)絡實現(xiàn);數(shù)據(jù)和設備管理、數(shù)據(jù)存儲和邊緣計算的配置、下發(fā)通過平臺層的設備實現(xiàn);最后由應用層實現(xiàn)對采集到的數(shù)據(jù)的高級分析和應用，不僅要實現(xiàn)信息共享，而且要根據(jù)采集的信息進行狀態(tài)評估和預警，并提供輔助決策。感知層由各類物聯(lián)網(wǎng)傳感器及傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、接入節(jié)點等網(wǎng)絡節(jié)點組成，具備變電設備監(jiān)測信息采集和匯聚、邊緣計算與內(nèi)網(wǎng)回傳功能。其中，物聯(lián)網(wǎng)傳感器包含微功率無線傳感器、低功耗無線傳感器和有線傳感器三種。傳感器通信網(wǎng)絡由各類節(jié)點設備共同組建成，包括微功率/低功耗無線傳感網(wǎng)和有線傳輸網(wǎng)絡的混合網(wǎng)絡，實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡的全兼容和全覆蓋接入，同時還可根據(jù)需求配置邊緣計算功能。網(wǎng)絡層是變電設備物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸通道，通過電力光纖網(wǎng)、電力專網(wǎng)和電力APN等不同方式，實現(xiàn)感知層設備監(jiān)測信息和節(jié)點邊緣計算結(jié)論信息接入平臺層。平臺層對接入的各類物聯(lián)網(wǎng)傳感器、匯聚節(jié)點和接入節(jié)點等設備進行集中管理，對采集到的海量數(shù)據(jù)進行存儲和預處理，通過邊緣計算實現(xiàn)設備的運行狀態(tài)評估和預警。應用層配置高級數(shù)據(jù)分析功能，對眾多類型的傳感器數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，支持基于大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術(shù)的復雜診斷算法，支持算法模塊的靈活配置和調(diào)用，為電網(wǎng)運檢智能化提供相應數(shù)據(jù)支撐和分析結(jié)果[1，5]。

3 站端接入節(jié)點

站端接入節(jié)點實現(xiàn)變電站內(nèi)設備監(jiān)測信息接入、數(shù)據(jù)分析、綜合評估、故障預警和趨勢研判，可靈活配置復雜邊緣計算模型，同時接入站內(nèi)電流、電壓等設備運行信息及設備異常告警信號，實現(xiàn)變壓器、GIS開關(guān)、容性設備及低壓開關(guān)柜信息的評估分析、狀態(tài)預警和趨勢預測。當狀態(tài)量異常時，站端接入節(jié)點應主動向上層網(wǎng)絡調(diào)用異常設備相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)該設備的歷史數(shù)據(jù)縱向分析，并主動向上層網(wǎng)絡調(diào)用和異常設備同類的設備信息，實現(xiàn)該設備的橫向比較，實現(xiàn)變電設備的自主快速感知和預警[5]。

4 變壓器監(jiān)控子系統(tǒng)

匯聚節(jié)點（變壓器）通過微功耗/低功耗無線網(wǎng)絡、有線網(wǎng)絡匯聚油色譜、局部放電、鐵芯接地電流、光纖測溫和油中微水等智能傳感器監(jiān)測信息，并配置簡單邊緣計算功能，進行變壓器數(shù)據(jù)預處理、閾值診斷、設備縱橫比分析和故障預警等簡單邊緣計算;具備與接入節(jié)點交互的功能，能將監(jiān)測參量和評估信息上送，同時能接收接入節(jié)點下發(fā)的邊緣計算配置信息，如圖2所示。

其中，油色譜實現(xiàn)變壓器油中H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H2和CO2七種故障氣體的測量，支持三比值法、大衛(wèi)三角形法、產(chǎn)氣率等成熟的診斷模型，對變壓器故障性質(zhì)及類型進行綜合診斷;局部放電監(jiān)測裝置完成變壓器局部放電的在線監(jiān)測和故障診斷，當有放電發(fā)生時，裝置啟動生成PRPD、PRPS圖譜，并將放電時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過循環(huán)存儲技術(shù)進行存儲;鐵芯接地電流監(jiān)測單元實現(xiàn)變壓器/夾件電流的實時測量和故障診斷;光纖測溫通過預置在變壓器內(nèi)部繞組的測溫元件，對繞組進行測溫和預警;油中微水完成變壓器油中微量水分的在線監(jiān)測和預警。

5 斷路器（GIS）監(jiān)控子系統(tǒng)

匯聚節(jié)點（斷路器）通過微功耗/低功耗無線網(wǎng)絡、有線網(wǎng)絡匯聚SF6泄露、局部放電、氣體壓力和機械特性等智能傳感器的監(jiān)測信息，并配置簡單邊緣計算功能，具備數(shù)據(jù)預處理、閾值診斷等功能，如異常則調(diào)用平臺層存儲的操作次數(shù)、帶電檢測、停電試驗、不良工況等數(shù)據(jù)以及同廠同型設備信息，進行綜合分析，對設備缺陷嚴重程度和類型進行初步診斷，主動推送預警信息，如圖3所示。

其中，SF6泄露完成環(huán)境中SF6氣體的在線監(jiān)測，防止環(huán)境中有害氣體聚集;局部放電完成斷路器（GIS）局部放電的在線監(jiān)測和故障診斷;氣體壓力監(jiān)測通過監(jiān)測斷路器（GIS）內(nèi)部的溫度和氣體壓力，完成氣體密度的在線監(jiān)測和預警;機械特性在線監(jiān)測完成斷路器（GIS）的形成-時間特性、分合閘線圈電流等實時監(jiān)測和狀態(tài)預警。

6 變電站運行環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)

通過對變電站內(nèi)安裝的煙霧、溫濕度、水位等傳感器，對變電站的運行環(huán)境進行實時的狀態(tài)感知，在有風險時及時推送預警信息。根據(jù)安裝位置、場所重要程度布置有線/無線傳感器（例如，在電纜溝等低洼處布置多個無源無線水浸傳感器），各類傳感器信息發(fā)送至匯聚節(jié)點，具備簡單邊緣計算功能;傳感器信息和匯聚節(jié)點的評估及控制信息上送至接入節(jié)點，接入節(jié)點可靈活配置復雜邊緣計算模型，實現(xiàn)環(huán)境信息的評估分析、狀態(tài)預警和趨勢預測。同時，部分匯聚節(jié)點具備智能調(diào)節(jié)與智能控制功能，結(jié)合傳感器信息和控制要求，實現(xiàn)風機、水泵和滅火等裝置的聯(lián)動，如圖4所示。

根據(jù)煙霧傳感器等實現(xiàn)火災隱患的監(jiān)測和預警，并且與滅火裝置進行智能聯(lián)動，在有火災隱患時及時報警和自動滅火;通過SF6氣體傳感器對變電站內(nèi)的有害氣體進行實時監(jiān)測和預警，并與風機進行聯(lián)動，降低環(huán)境中的有害氣體含量;通過在電纜溝等低洼處安裝水浸傳感器，對水浸情況進行實時監(jiān)測和預警，并和水泵進行聯(lián)動，及時排出積水。

7 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)通過明確變電設備物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)的四個層級，即感知層、網(wǎng)絡層、平臺層和應用層，并且規(guī)范油色譜、鐵芯接地電流、局部放電、避雷器、SF6密度等監(jiān)測設備和數(shù)據(jù)匯聚設備的物理接口、通信方式、通信協(xié)議，可有效解決傳統(tǒng)變電站在線監(jiān)測感知層設備存在設計規(guī)范和接口不統(tǒng)一，設備和設備之間、設備和系統(tǒng)之間交互性差等問題，提高變電設備在線監(jiān)測設備的標準化、可靠性及智能化水平，滿足泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設需求。

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