魏天呈 張亮

（中國聯合網絡通信有限公司智能城市研究院 河北省保定市 071000）

1 引言

國家電網有限公司近年來通過信息化“SG186”、“SG-ERP”等信息通信工程建設，基本建成了覆蓋各專業(yè)的信息系統(tǒng)，支撐了企業(yè)管理、生產控制、客戶服務工作的正常開展。隨著“三型兩網、世界一流”、“數字新基建”等戰(zhàn)略的推進，國網公司物聯網應用已具有一定基礎，各省市電力公司在業(yè)務驅動下，在變電環(huán)節(jié)不同程度的應用物聯網技術實現設備狀態(tài)和環(huán)境信息的在線監(jiān)測，以期彌合巡檢工作量和人員短缺之間的矛盾，但是國網公司物聯網整體建設進度與應用規(guī)模仍存在不足，長期以來變電站在線監(jiān)測業(yè)務技術路線龐雜，不能體系，因此具備靈活部署、無線組網、低成本等優(yōu)勢的基于LoRa 技術的物聯網技術在變電站在線監(jiān)測中的應用潛力巨大。

由于標準制定工作滯后于技術應用速度，國網公司在變電站在線監(jiān)測場景存在多種通信方式，光纖、RS485、Wi-Fi、LoRa、藍牙、Zigbee、4G 公網、無線專網等方式都成為了傳感設備廠商和節(jié)點設備廠商的選擇項，造成煙囪獨立，設備在線率低、維護困難、系統(tǒng)頻繁錯報漏報的結果，一線運檢員工工作繁雜，苦不堪言，亟需互聯互通的通信設備和智能高效的監(jiān)測數據評價手段。

為統(tǒng)一通信方式、數據格式，打通多廠家傳感設備、節(jié)點設備信息傳輸通道，國網公司在2021年發(fā)布《輸變電設備物聯網節(jié)點設備無線組網協(xié)議》和《輸變電設備物聯網微功率無線網通信協(xié)議》，推薦以LoRa 技術為輸變電場景物聯網通信方式，為深化物聯網及技術應用、深度挖掘電力大數據價值奠定堅實基礎。

2 研究必要性

國家電網有限公司自“十三五”以來，各類傳感設備數量呈爆發(fā)式增長，輸電、變電、配電環(huán)節(jié)均大量使用攝像頭、無人機、傳感器、手持監(jiān)測設備、巡檢機器人等方式實現設備健康狀態(tài)和業(yè)務運行狀態(tài)的在線監(jiān)測。

從我國目前電網的整體情況上看，變電環(huán)節(jié)的各電壓等級都在積極推進數字化技術在運維檢修工作中的應用，220kV 及以下等級的變電站基本都實現了智能運檢；500kV 智能變電站也在積極推進無人值守技術的應用進度，以期能加快實現智能變電站7*24 小時無人值守，隨著技術可靠性的提升和成功應用經驗的積累，無人值守的變電站管控模式將成為未來電網變電站在線監(jiān)測的大趨勢。此外，750kV 智能變電站設備更加復雜、特殊，所需要值班人員數量更大，這就給國家電網公司變電專業(yè)運維檢修工作帶來了巨大的財力、人力資源的難題，眾多基層單位也在積極進行技術攻堅，力求解決巡檢工作量大和人員短缺之間的矛盾，這對于供電系統(tǒng)而言將極大提高整體業(yè)務數字化水平，通過技術手段踐行“雙碳”戰(zhàn)略。而且，近期各地用電量供需關系變化，對電力安全生產提出了更高的要求，變電站頻繁變更運行狀態(tài)會加速設備老化，增加升溫、局部放電、絕緣油變質等隱患，一旦變電站出現故障，將對區(qū)域內大范圍居民和工業(yè)生產帶來嚴重影響，設備維修更換時間長、工作繁雜、耗資巨大。因此，實現220kV、500kV、750kV 變電站在線監(jiān)測，對支撐工業(yè)生產，滿足人民群眾基本生活需求，保障整體電力系統(tǒng)安全十分必要。

變電站在線監(jiān)測現狀：

（1）各廠家傳感器多種接入方式并存，通信方式和數據格式多樣，缺乏統(tǒng)一的分析、告警閾值量化標準，運維檢修人員工作負擔重，精益管理水平提升進程受到掣肘。

（2）各感知系統(tǒng)相互獨立，單一維度探測數據難以精準判斷變電站整體運行狀態(tài)，業(yè)務、設備、環(huán)境監(jiān)測煙囪化，需要更豐富、科學的感知和判斷手段，提升平臺分析結果的可信程度，減少誤報漏報次數，深度挖掘電力大數據價值，實現由周期性停電向狀態(tài)性停電發(fā)展。

（3）多種通信協(xié)議共存，需要統(tǒng)一接入平臺，降低網絡管理負擔，提升統(tǒng)籌管理能力。

（4）需求可信可靠的高水平綜合管理平臺，界面優(yōu)化、人機交互水平還需提升，變電站在線監(jiān)測、安全防范、動力環(huán)境監(jiān)測、智能鎖控、等子系統(tǒng)未能實現能力整合、統(tǒng)籌管理，機器人巡視、圖像識別等創(chuàng)新技術潛力亟待挖掘。

3 基于LoRa通信的變電站物聯網在線監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 基于LoRa通信的變電站物聯網在線監(jiān)測系統(tǒng)網絡架構

變電在線監(jiān)測物聯應用體系總體架構分為四層：感知層、網絡層、平臺層和應用層，如圖1所示。

圖1：變電設備物聯網總體架構圖

（1）感知層。感知層由多形態(tài)物聯網傳感器（有源、無源、有線通信、無線通信）、網絡節(jié)點（邊緣物聯代理、安全接入網關網關）組成，分為傳感器層與數據匯聚層兩部分，實現傳感信息采集和匯聚，是物聯網系統(tǒng)中的“感知皮膚”。

傳感器層由各類物聯網傳感設備組成，實現變電站一次設備健康狀態(tài)在線監(jiān)測和環(huán)境信息在線監(jiān)數據采集，并通過有線/無線網絡將采集數據上傳至匯聚節(jié)點設備。變電在線監(jiān)測物聯網傳感器主要有微功率無線傳感器（μW 級，通信方式符合《輸變電設備物聯網微功率無線網通信協(xié)議》）、低功耗無線傳感器（mW 級，通信方式符合《輸變電設備物聯網節(jié)點設備無線組網協(xié)議》）、有線傳感器（通信方式采用光纖或RS485）三類。

數據匯聚層由匯聚節(jié)點設備、接入節(jié)點設備等網絡節(jié)點組成，各類節(jié)點構成了業(yè)務場景全覆蓋的傳感器網絡，實現了微功率/低功耗無線傳感網和有線傳輸網絡全兼容，無線匯聚節(jié)點設備相當于物聯網“路由器”，單臺匯聚節(jié)點設備可接入1000 臺傳感器。通過現場實地勘測，一座標準220kv 變電站只需4-15 臺匯聚節(jié)點設備即可實現全站信號覆蓋。接入節(jié)點設備具備基礎的網絡管理、信令調度、休眠管理的功能，單臺接入節(jié)點設備可接入3000 臺傳感器，同時搭載可軟件定義的邊緣計算框架，實現在線監(jiān)測業(yè)務全接入，變電站內物聯網信號全覆蓋，大小顆粒業(yè)務融合多維分析，站內實現邊緣計算，閉環(huán)快速分析判斷結果，重要信息上傳至平臺端。接入節(jié)點的部署，可明顯提升在線監(jiān)測系統(tǒng)判斷結果準確性，極大縮短基層運維人員處置隱患反應時間，降低物聯網接入平臺和云平臺的計算負擔，對物聯網整體的敏捷性和穩(wěn)定性具有重要意義。

（2）網絡層。網絡層由電力無線專網、4G 公網、5G 公網、光纖專網等網絡組成的通信網絡，負責感知層和平臺層的數據通信，具備高可靠、低時延、大帶寬、重安全的特性，是物聯網系統(tǒng)中的“神經系統(tǒng)”。

（3）平臺層。具有強大分析計算能力，可通過大數據、人工智能等技術對海量感知數據進行多維度綜合分析，遠程配置接入節(jié)點設備（邊緣物聯代理、安全接入網關）邊緣計算模型，周期性對接入節(jié)點設備進行維護升級，提升接入節(jié)點設備結合告警信息、環(huán)境變化、設備老化的分析能力，降低接入節(jié)點漏報、誤報次數是物聯網系統(tǒng)中的“大腦”。

（4）應用層。分為物聯網應用和用戶服務系統(tǒng)，具備復雜、專業(yè)的數據分析能力，可進行獨立計算或協(xié)同計算，是挖掘大數據價值、提升數據分析結果準確性的計算核心。

3.2 接入模式

如圖2所示，在變電站場景下，變電在線監(jiān)測物聯體系主要包括數字化表計、在線監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測3 大類型27 小類物聯裝置。其中，數字化表計主要包括SF6 密度繼電器、避雷器泄漏電流表、智能油溫計、油位監(jiān)測、液壓表等5 類表計；在線監(jiān)測類主要包括油色譜、鐵芯/夾件接地電流、局放、聲紋振動、套管電容量及介損、開關機械特性、金屬氧化物避雷器、SF6 氣體微水、觸頭及接頭測溫、少油設備油壓、交直流電源在線監(jiān)測等11 類裝置；變電站環(huán)境監(jiān)測類主要包括微氣象、水浸、溫濕度、噪聲、SF6 氣體泄漏、水位、溫/煙感、紅外對射/雙鑒、電子圍欄、開關控制器、空調控制器等11 類裝置。根據不同變電在線監(jiān)測物聯裝置的供電方式、通信需求提供四種組網模式供靈活選配。

圖2：四種接入模式圖

模式一：適用于具有設備功耗極低，通信數據帶寬要求低，使用電池供電等特征的裝置，主要包括SF6 密度表、SF6 氣體微水傳感器、鐵芯/夾件接地電流、觸頭及接頭測溫、溫濕度、水浸、水位、微氣象、溫度、煙感、噪聲、SF6 氣體泄漏等前端感知裝置，采用《輸變電設備物聯網微功率無線網通信協(xié)議》接入到匯聚節(jié)點或者邊緣物聯代理裝置。

模式二：適用于具有功耗比較低，有一定通信帶寬要求，需要易于拆裝等特征的裝置，主要包括避雷器泄漏電流表、蓄電池監(jiān)測、空調控制器、開關控制器、部分外置式局放等類型的前端感知裝置，使用電池供電，采用《輸變電設備物聯網節(jié)點設備無線組網協(xié)議》接入到匯聚節(jié)點或者邊緣物聯代理裝置。

模式三：適用于需要前端感知部分實時采集，對被感知物理量進行持續(xù)分析與處理的裝置，主要包括各種局放、聲紋振動、套管電容量及介損、開關機械特性等前端感知裝置，可以通過相對窄帶的通信通道實現分析結果或圖譜數據傳輸，使用有源供電，采用《輸變電設備物聯網節(jié)點設備無線組網協(xié)議》接入到匯聚節(jié)點或者邊緣物聯代理裝置。

模式四：適用于前端存在有源供電的就地分析主機的裝置，主要包括油色譜、分布式局放監(jiān)測裝置、紅外圖像測溫等裝置，可以通過內嵌無線轉換裝置將就地主機分析后的重點圖譜和結果數據通過無線通道轉發(fā)，通信方式符合《輸變電設備物聯網節(jié)點設備無線組網協(xié)議》，亦可采用有線方式與邊緣物聯代理裝置通信，數據最終接入到匯聚節(jié)點或者邊緣物聯代理裝置。

3.3 典型接入方案

基于新一代二次系統(tǒng)設計規(guī)范和公司智慧物聯體系建設要求，變電在線監(jiān)測物聯裝置接入遵循公司輸變電物聯網總體框架，典型接入方案如圖3所示。

圖3：物聯裝置典型接入方案

感知終端由各種有線、無線在線監(jiān)測傳感器組成，采用《輸變電物聯網節(jié)點設備無線組網協(xié)議》，《輸變電物聯網微功率無線通信協(xié)議》，傳感器數據按《輸變電物聯網傳感器數據規(guī)范》編碼上傳到無線匯聚節(jié)點。

在線監(jiān)測物聯感知終端在Ⅳ區(qū)通過匯聚節(jié)點接入無線傳感器邊緣物聯代理。無線傳感器邊緣物聯代理實現一收雙發(fā)，一路數據上送物聯管理平臺，另一路數據通過反向隔離送Ⅱ區(qū)綜合應用主機，實現站內輔控系統(tǒng)統(tǒng)一應用，并通過服務網關機將數據遠傳至集控站監(jiān)控系統(tǒng)。

4 感知設備配置

根據電站設備布置方式，結合主輔設備狀態(tài)感知、運行環(huán)境感知，智能巡檢，主輔設備智能聯動，運檢人員作業(yè)行為智能管控共五類功能需求，制定變電站詳細就地模塊（匯聚節(jié)點）配置原則以及配置清單如表1所示。

表1：變電站物聯網場景就地模塊（匯聚節(jié)點）配置清單

5 技術性能分析

變電在線監(jiān)測裝置物聯網化解決方案能夠滿足在線監(jiān)測功能的基本要求，具體體現在以下方面：

數據標準化及易擴展性：在線監(jiān)測設備數據傳輸協(xié)議采用統(tǒng)一的《輸變電物聯網節(jié)點設備無線組網協(xié)議》，《輸變電物聯網微功率無線通信協(xié)議》，解決現有傳感器多使用私有化協(xié)議，一套在線監(jiān)測系統(tǒng)中多種私有協(xié)議并存的問題，同時標準化的《輸變電物聯網傳感器數據規(guī)范》具有高度可擴展性，根據新的業(yè)務需求可以便捷擴展。

靈活供電方式：在線監(jiān)測裝置可以根據實際應用業(yè)務需求采用靈活供電方式，低功耗在線監(jiān)測裝置可以采用電池供電或者無源取能，實現無線化部署與工作，方便進行施工安裝與運維，采集數據量較大且實時性要求較高的在線檢測裝置可以采用有線供電的方式實現高頻次的數據采集。

數據傳輸帶寬：對于在線監(jiān)測類傳感器中的傳輸頻次高，數據量小，傳輸帶寬要求較低的場景使用《輸變電物聯網微功率無線通信協(xié)議》；對于在線監(jiān)測類傳感器中頻次較低，單次數據量較大的場景使用《輸變電物聯網節(jié)點設備無線組網協(xié)議》。

數據實時性與上報頻率：對于數據量小、傳輸頻次高的傳感器，采用分鐘級傳輸周期；對于單次采集數據量較大的傳感器，靈活配置傳輸周期；對于前置告警的傳感器數據優(yōu)先傳輸。

方案兼容性：變電在線監(jiān)測裝置物聯網化解決方案既支持新建變電站的在線監(jiān)測系統(tǒng)設計，也支持已投運變電站設備改造升級。

6 結語

近年來，在“三型兩網”、“數字新基建”等國家電網有限公司宏觀戰(zhàn)略的指導下，電力在線監(jiān)測設備數量呈爆發(fā)式增長，基層運維檢修人員因新技術使用而減負增效的程度十分有限，為提質增效，真正打通數據壁壘，深度挖掘電力大數據價值，國家電網公司在科研院校、頭部廠商和基層運檢人員的不斷努力下，嘗試了多種技術方案，目前物聯網在線監(jiān)測技術路線應用最廣、試點最多。

在各地“限電潮”的洪流中，變電站運行負載變化劇烈，經受了嚴峻考驗。以LoRa為基礎的電力物聯網技術，必將在應用中發(fā)展，在發(fā)展中應用，不斷融合吸納大數據、人工智能、5G、區(qū)塊鏈等新技術，加強在線監(jiān)測感知分析能力，提升精益化管理水平，為電力安全生產保駕護航。