王旭東，王雷濤，武東亞，張鋒，徐敏

(1.中國核電工程有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450052；2. 許繼集團有限公司，河南 許昌 461000；3. 國網河南省電力公司，河南 鄭州 450018)

配電網是社會發(fā)展和國民經濟的重要公共基礎設施[1]。隨著我國經濟快速發(fā)展，用電量迅猛提高，配電網規(guī)模和設備數量呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長。但配電網的發(fā)展不平衡、不充分，導致一線巡檢人員數量不足，依靠人力為主的傳統(tǒng)巡檢模式已難以滿足配電網新形式下的巡檢需求。

設備巡檢是確保配電網安全穩(wěn)定運行的重要手段，對于如何提高巡檢效率、降低檢修風險和成本、減少停電時間等，專家學者開展了廣泛研究。文獻[2]提出一種基于二維碼和移動終端技術的方法，實現(xiàn)配電網智能化巡檢，但未對前端巡檢終端與后端系統(tǒng)的信息傳輸進行研究；文獻[3]設計開發(fā)了一種配電網車載巡檢技術，實現(xiàn)了巡檢時自動追蹤、數據同步采集、缺陷就地研判和數據實時回傳等功能，但對巡檢路線工況和人員技術要求較高，難以在交通不便的地區(qū)開展配電網巡檢任務；文獻[4]將工業(yè)無線方式應用于智能配電網移動終端巡檢系統(tǒng)中，提高了配電網巡檢的智能化水平，但移動終端不能基于所采集的信息對配電網設備運行工況作出評估；文獻[5-7]從設備檢修及故障風險角度出發(fā)，研究建立輸變電設備狀態(tài)檢修決策優(yōu)化模型，制訂合理的設備檢修計劃，提高檢修效率，但未對巡檢信息的采集處理和傳輸進行研究；文獻[8]提出了基于狀態(tài)監(jiān)測的配電網可靠性檢修選擇模型及算法，能夠提高配電網檢修的可靠性，但沒有對檢修的效率、智能化、信息傳輸處理等進行研究。上述文獻對配電網巡檢智能化、檢修決策優(yōu)化和可靠性等方面進行了研究，但對于配電網大量巡檢信息的前端和后端處理的研究較少，尤其是將最新的泛在電力物聯(lián)網技術和LoRa通信組網技術應用于配電網智能化巡檢和決策中的研究還比較匱乏。

近年來，物聯(lián)網技術日新月異，已滲入電力發(fā)、輸、配、送、用各個環(huán)節(jié)。文獻[9]提出了基于物聯(lián)網技術實現(xiàn)配電網故障區(qū)段快速、準確定位的方法，提高了故障區(qū)段定位準確度；文獻[10]梳理了配電物聯(lián)網的內涵構想和應用特征，提出了其體系架構和發(fā)展建議；文獻[11]針對配電網中隨機性電源的運維難題，提出了基于物聯(lián)網的即插即用運維方案。2019年國家電網有限公司提出加快建設“泛在電力物聯(lián)網”的目標。泛在電力物聯(lián)網是物聯(lián)網在電力行業(yè)的一種具體表現(xiàn)形式，對電力基礎數據的采集、承載、分析和應用以及通信技術和方式提出了全新的、更高的要求[12]。文獻[13]指出泛在電力物聯(lián)網將取代傳統(tǒng)巡視和運維手段，圍繞數據將衍生出多種應用模式。然而，由于泛在電力物聯(lián)網還處于起步階段，如何將其應用于配電網巡檢，實現(xiàn)巡檢的智能化和高效化，國內外還鮮有研究。

本文介紹泛在電力物聯(lián)網的基本概念和總體架構，分析其在配電網巡檢中的應用，利用邊緣計算理念對巡檢所采集的信息進行處理，根據LoRa所具有的技術優(yōu)勢，研究基于現(xiàn)場移動巡檢終端、LoRa技術、移動通信網與后端巡檢系統(tǒng)通信的配電網巡檢組網方案，實現(xiàn)信息和控制命令的傳輸，并對方案的優(yōu)勢進行分析。

1 泛在電力物聯(lián)網介紹

1.1 泛在電力物聯(lián)網概念

泛在電力物聯(lián)網是泛在物聯(lián)在電力行業(yè)的具體表現(xiàn)，將電力用戶及其設備、電網企業(yè)及其設備、發(fā)電企業(yè)及其設備、供應商及其設備以及人和物連接起來，產生共享數據，以電網為樞紐，發(fā)揮平臺和共享作用，具有終端泛在接入、平臺開放共享、計算云霧協(xié)同、數據驅動業(yè)務、應用隨需定制等特征[14-17]。

1.2 泛在電力物聯(lián)網整體架構

根據國家電網有限公司《泛在電力物聯(lián)網建設大綱》，泛在電力物聯(lián)網分為感知層、網絡層、平臺層、應用層，應用層承載對內對外業(yè)務，感知層、網絡層和平臺層承載數據共享和基礎支撐，技術攻關和安全防護貫穿各層，整體架構如圖1所示。

圖1 泛在電力物聯(lián)網整體架構Fig.1 Overall structure of widespread power internet of things

圖1中，感知層用于設備狀態(tài)、電網等信息的采集、匯聚和就地處理；網絡層用于實現(xiàn)感知層與平臺層間廣域范圍內的數據傳輸，推進電力無線專網和終端通信建設；平臺層是輸變電設備物聯(lián)網管理應用平臺，實現(xiàn)超大規(guī)模終端統(tǒng)一物聯(lián)管理；應用層通過對輸配電設備各個維度數據的高度融合，重點支撐核心業(yè)務智慧化運營[13]。

泛在網絡、人工智能、邊緣計算等物聯(lián)網新技術的快速發(fā)展和智能傳感裝備配置范圍的不斷擴大，為泛在電力物聯(lián)網在配電網巡檢中的應用提供了新的契機。

2 邊緣計算與LoRa技術分析

2.1 邊緣計算應用分析

2.1.1 邊緣計算基本概念

邊緣計算是指在網絡邊緣執(zhí)行計算的一種新型計算模型，操作對象包括來自于云服務的下行數據和萬物互聯(lián)服務的上行數據。邊緣計算的邊緣指從數據源到云計算中心路徑之間的任意計算和網絡資源[18]，核心目的是在網絡邊緣側實現(xiàn)更高效的智能，基本理念是將計算任務在接近數據源的計算資源上運行，以有效減小計算系統(tǒng)的延遲和數據傳輸帶寬，緩解云計算中心壓力，提高可用性，保護數據安全和隱私[19-20]。

2.1.2 基于邊緣計算的巡檢信息傳輸處理方案

目前配電網巡檢大都針對箱式變壓器、環(huán)網柜、開閉所等展開，通過設置各類傳感器，采集所需的設備動態(tài)和實時環(huán)境信息等上傳給相關的終端裝置，進而通過網絡上傳到后端系統(tǒng)。

At the moment, the tangential instantaneous velocity of each particle on the stator surface is in the following

配電網巡檢信息的劇增，造成信息傳輸延遲、時間和帶寬增加，嚴重影響了后端巡檢系統(tǒng)的數據處理和分析效率。為此，本文基于邊緣計算理念，在被巡檢設備中安裝專用智能傳感器終端，該終端內部軟件系統(tǒng)中植入包含一定算法的邊緣計算軟件模塊，對所采集的巡檢信息進行初步分析處理和對被巡檢設備狀態(tài)進行初步評估，減少向后端系統(tǒng)傳輸信息的數據量，降低通信系統(tǒng)壓力。

首先，智能傳感器終端將巡檢信息進行分類處理，根據各類巡檢信息的特點，在邊緣計算模塊中設置巡檢采集量對應的閾值范圍和相關過濾條件；其次，通過邊緣計算模塊清洗掉對設備初步和深度狀態(tài)評估無用的信息，進而將多源數據融合，對被巡檢設備狀態(tài)進行初步評估；最后，智能傳感器終端通過通信網絡將初步狀態(tài)評估結果和深度評估被巡檢設備狀態(tài)所需要的巡檢信息上送至后端巡檢系統(tǒng)，由后端系統(tǒng)對被巡檢設備狀態(tài)進行深度評估和展示，并可將結果回傳至巡檢現(xiàn)場終端。具體流程如圖2所示。

圖2 基于邊緣計算的配電網巡檢信息傳輸處理流程Fig.2 Inspection information transmission and processing process of distribution network based on edge calculation

2.2 LoRa技術分析

近年來，LoRa技術作為低功耗、低成本、廣覆蓋廣域物聯(lián)網最有競爭力的代表，已成為研究的熱點，其組網靈活、接收靈敏度高、抗干擾能力強、網關支持多信道多數據并行處理等優(yōu)點，非常適合低功耗、遠距離、大量連接、定位跟蹤等物聯(lián)網應用場景，與其他無線通信技術的對比見表1[21-23]。

表1 常用通信方式特點對比Tab.1 Characteristic contrasts of common communication modes

目前LoRa通常由網關基站和終端2個部分組成，既可以搭建覆蓋范圍較廣的廣域網，也可以通過簡單的LoRa網關設備搭建局域網，常用的組網模式主要有星型結構(圖3)和mesh結構(圖4)，其特點對比見表2。

圖3 基于LoRa技術的星型組網模式Fig.3 Star network mode based on LoRa technologies

圖4 基于LoRa技術的mesh組網模式Fig.4 Mesh network mode based on LoRa technologies

由表2可知，星型組網模式在信息傳輸的可靠性、容量、功耗、安全性等方面都優(yōu)于mesh組網模式，更加適合配電網巡檢的實際應用場景。

表2 基于LoRa技術的星型和mesh組網模式對比Tab.2 Contrasts of star and mesh network modes based on LoRa technologies

3 配電網智能巡檢組網方案研究

3.1 配電網智能巡檢組網方案研究

配電網巡檢面臨設備數量多、工作量大、非可視區(qū)域難以有效巡檢等困難，物聯(lián)網技術、無線通信技術的發(fā)展以及低功耗無源傳感器的提出，為解決上述問題、實現(xiàn)智能化巡檢提供了可能。

復雜情況下配電網巡檢和在線監(jiān)測對通信要求較高，因此本節(jié)采用LoRa無線通信技術完成巡檢信息傳輸，解決配電網設備采樣點分散、數據分布式處理要求高、傳統(tǒng)無線網絡帶寬不夠等問題，通過改進數據處理算法、采用具有隔離功能的模塊電源、更加合理地布置元件和接地等措施提高現(xiàn)場LoRa模塊的抗干擾能力；通過LoRa、4G/5G網絡、電力綜合數據網組成互不干擾的巡檢通信系統(tǒng)，使物聯(lián)網終端和網關能與物聯(lián)網平臺進行不同方式的信息交互。

基于泛在電力物聯(lián)網的配電網智能巡檢通信系統(tǒng)方案如下：

①配電網設備柜內部采用無線傳感技術，將設備關鍵部位預埋的采用無源、無線、多參量等技術的傳感器所采集的信息匯集至柜內安裝的智能傳感器終端。

②智能傳感器終端配置有遠距離低功耗LoRa通信模塊和近距離定制通信加密模塊，用于配電網現(xiàn)場智能巡檢，負責狀態(tài)感知與傳輸端的數據傳輸任務。近距離定制通信加密模塊通過無線通信將智能傳感器終端上的各種信息傳輸至巡檢人員手持手機、平板電腦、專用巡檢終端等，用于設備狀態(tài)的分析展示，其中手持巡檢終端內置入具有網關、控制、智能分析等功能的應用軟件。

③手持巡檢終端通過移動通信網絡與后端巡檢系統(tǒng)進行信息交互。

b)前端與后端信息傳輸網絡：

①根據配電網設備的地理位置，基于LoRa無線傳感器網絡物理和邏輯通信結構，部署LoRa基站，組建LoRa基站與智能傳感器終端之間扁平式、全互聯(lián)的星型網絡，并根據配電網巡檢區(qū)域計算LoRa基站通信的可靠距離，對LoRa基站之間的陣列進行分布式布置與規(guī)劃。

②采用規(guī)范的LoRa WAN2.0協(xié)議配置各個基站模塊中多樣化的通信鏈路，使通信網絡具備邏輯網絡隔離、終端業(yè)務標識流量控制以及數據包監(jiān)管、過濾、多播、時鐘同步等基本功能。

③在LoRa通信網絡末端配置安全網關，對智能傳感器終端傳輸的數據進行協(xié)議轉換和加密認證，利用虛擬專用網絡(virtual private network，VPN)和接入點名稱(access point name，APN)技術對安全網關的信息安全環(huán)境進行配置。

④利用智能傳感器終端內的遠距離LoRa通信模塊，經LoRa通信網絡和安全網關發(fā)送由智能傳感器終端邊緣計算處理后的設備狀態(tài)信息，與后端系統(tǒng)進行信息交互，用于后端展示和深度評估設備狀態(tài)。

c)后端狀態(tài)深度評估與分析：

①在配電網巡檢后端系統(tǒng)前后分別設置橫向隔離加密裝置和防火墻，通過以太網傳輸相關信息，使后端巡檢系統(tǒng)能夠安全可靠地接收前端現(xiàn)場采集的數據。

②后端巡檢系統(tǒng)通過4G/5G通信前置機，經安全接入平臺有線接入移動運營商網絡，實現(xiàn)與前端手持巡檢終端信息交互。

上述通信組網方案架構如圖5所示。

圖5 配電網智能巡檢通信系統(tǒng)組網架構Fig.5 Overall network structureof intelligent inspection communication system of distribution network

3.2 智能巡檢組網方案優(yōu)勢分析

本組網方案通過智能傳感器終端對巡檢信息進行邊緣計算和分析處理，減少了不必要的信息傳輸，降低了網絡傳輸壓力；聯(lián)合LoRa技術、電力綜合數據網和4G/5G通信網絡進行，建立智能巡檢通信系統(tǒng)，將被巡檢設備的初步和深度狀態(tài)評估相結合，實現(xiàn)前端與后端信息交互，有利于提高配電網巡檢效率和智能化水平。

本文方案與傳統(tǒng)配電網巡檢方案的對比見表3。

表3 本文方案與傳統(tǒng)方案的對比Tab.3 Contrasts of the proposed scheme and existing schemes

4 結束語

本文通過分析泛在電力物聯(lián)網整體架構及其在配電網巡檢中的應用，將泛在電力物聯(lián)網建設理念應用于配電網巡檢中，利用邊緣計算對巡檢信息進行分析處理，對被巡檢設備進行初步狀態(tài)評估；基于LoRa技術優(yōu)勢，提出基于LoRa、電力綜合數據網、4G/5G網絡構成配電網智能巡檢通信系統(tǒng)，并從所采用的LoRa技術、傳感器選擇與數據傳輸、智能傳感器終端等方面對方案的優(yōu)勢進行了分析。

由于邊緣計算和LoRa等相關技術在配電網巡檢中的應用還處于起步探索階段，本文所提方案在實際工程應用中的可行性和有效性還需要未來進一步驗證。