李錚 武占俠 魏本海 劉國川 陳明明

摘要：在信息技術(shù)快速發(fā)展的過程中，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，加強(qiáng)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)是電力行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)有利于提升變電站電力設(shè)備的在線監(jiān)測水平與電網(wǎng)的智能化水平。若想充分發(fā)揮泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中的作用就需要提升系統(tǒng)的監(jiān)控精度與可靠性并降低系統(tǒng)成本，同時(shí)應(yīng)靈活應(yīng)用紅外熱成像監(jiān)控子系統(tǒng)與變電站環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)，優(yōu)化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，從而對電力設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：泛在電力物聯(lián)網(wǎng)電力設(shè)備紅外熱成像應(yīng)用

中圖分類號：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? 文章編號：1672-3791（2022）01（a）-0000-00

The Application of Ubiquitous Internet of Things in Power Equipment Condition Monitoring is Discussed

LI Zheng ? WU ZhanXia ? WEI Benhai ? ?LIU Guochuan ? CHEN Mingming

（Shenzhen Guodian Technology Communication Co.， Ltd.， Shenzhen， Guangdong Province， 518109 China）

Abstract： In the process of the rapid development of information technology， the application scope of Internet of things is more and more extensive. Strengthening the construction of ubiquitous power Internet of things is the inevitable trend of the development of power industry. The construction of ubiquitous power Internet of things is conducive to improve the on-line monitoring level of substation power equipment and the intelligent level of power grid. If we want to give full play to the role of ubiquitous power Internet of things in power equipment condition monitoring， we need to improve the monitoring accuracy and reliability of the system and reduce the system cost. At the same time， we should flexibly apply the infrared thermal imaging monitoring subsystem and substation environmental monitoring subsystem to optimize the system software design， so as to monitor the state of power equipment in real time.

Key Words： Ubiquitous power Internet of things; Power equipment; Infrared thermal imaging;Application

1電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測分析

電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測主要是利用檢測手段與分析診斷技術(shù)掌握電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，增強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行的安全性與可靠性。進(jìn)行電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測主要是及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備運(yùn)行過程中的隱患與故障，降低設(shè)備出現(xiàn)重大問題的概率。在運(yùn)行過程中，電力設(shè)備會受到電、熱以及機(jī)械等各方面的負(fù)荷作用與環(huán)境的影響，可能會出現(xiàn)老化、磨損以及性能下降等問題。同時(shí)，設(shè)備當(dāng)中的絕緣材料也會因受到高溫、高壓等因素的影響而出現(xiàn)絕緣性能下降的情況;設(shè)備的導(dǎo)電材料會被氧化、腐蝕，其機(jī)械強(qiáng)度會有所下降;機(jī)械結(jié)構(gòu)部件也會出現(xiàn)動(dòng)作失靈等變化[1]。這些情況的出現(xiàn)都可能會導(dǎo)致電力設(shè)備出現(xiàn)故障與安全隱患，因此需要加強(qiáng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測，及時(shí)處理設(shè)備問題。當(dāng)前，常用的電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測手段有在線檢測與光電檢測。首先，在線檢測指的是對電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的線上檢測，可以通過傳感器獲取設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，在不影響系統(tǒng)運(yùn)行的情況下反映設(shè)備的運(yùn)行情況。例如：電力設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)是由斷路器在線監(jiān)測裝置、避雷器絕緣在線監(jiān)測裝置以及溫度在線監(jiān)測裝置共同構(gòu)成的，系統(tǒng)功能較為完善，可以對電力設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。相比于停機(jī)檢測，在線檢測不會影響到電能的生產(chǎn)與傳輸，但是傳感器的信號會受到其他信號的干擾，檢測結(jié)果不夠準(zhǔn)確，且需要根據(jù)電力設(shè)備設(shè)置特定的程序，較為復(fù)雜。其次，光電檢測時(shí)利用光/電以及電/光信號的轉(zhuǎn)變檢測電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，具有較好的絕緣性能，不會受到外界電磁場的干擾，頻率響應(yīng)也比較高。

但是近年來，電力設(shè)備越來越復(fù)雜，數(shù)據(jù)類型更加多樣化，傳統(tǒng)的電力設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)無法保證數(shù)據(jù)處理效率與質(zhì)量，且系統(tǒng)會受到環(huán)境的影響，準(zhǔn)確度較低。而將泛在電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測當(dāng)中可以充分發(fā)揮紅外熱成像系統(tǒng)與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中的作用，提高數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)理效率，實(shí)現(xiàn)智能化的遠(yuǎn)程控制，提高電力設(shè)備管控的智能化與自動(dòng)化水平。

2泛在電力物聯(lián)網(wǎng)與云管邊端架構(gòu)體系分析

2.1泛在電力物聯(lián)網(wǎng)與云管邊端架構(gòu)體系的概念

（1）2019年時(shí)國家電網(wǎng)公司提出了加強(qiáng)“三型兩網(wǎng)”建設(shè)的戰(zhàn)略部署，從而增強(qiáng)電力行業(yè)的世界競爭力。而泛在電力物聯(lián)網(wǎng)就是“三型兩網(wǎng)”的其中之一，指的是圍繞電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，利用移動(dòng)互聯(lián)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的人機(jī)交互與萬物互聯(lián)，是一個(gè)具有高效處理信息、全面感知環(huán)境等功能的智慧電網(wǎng)系統(tǒng)[2]。建設(shè)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)可以增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、提高電網(wǎng)管理質(zhì)量、優(yōu)化電力服務(wù)，充分發(fā)揮電網(wǎng)的優(yōu)勢，發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)，因此需要優(yōu)化泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)（如表1所示），推動(dòng)電力行業(yè)的發(fā)展。

（2）云管邊端架構(gòu)體系當(dāng)中的云指的是業(yè)務(wù)系統(tǒng)，管代表對邊設(shè)備的管理，邊表示邊緣設(shè)備，端指的是最底層的半智能設(shè)備，與邊設(shè)備交互相連。云管邊端架構(gòu)體系在設(shè)備檔案管理、設(shè)備實(shí)體管理、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測等各個(gè)環(huán)節(jié)中都發(fā)揮著重要作用。2019年時(shí)，國網(wǎng)配電專業(yè)工作會議提出了“大力推進(jìn)配電物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究與示范建設(shè)”這一要求，通過建設(shè)設(shè)備廣泛互聯(lián)、狀態(tài)全面感知的配電物聯(lián)網(wǎng)，形成“云—管—邊—端”四層架構(gòu)，進(jìn)行配網(wǎng)運(yùn)行、設(shè)備狀態(tài)與管理全過程的全景感知、互聯(lián)互通、智能應(yīng)用與管控。為了充分發(fā)揮云管邊端在變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)中的作用，應(yīng)當(dāng)構(gòu)建云層物聯(lián)網(wǎng)平臺與管層遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)需要完善邊層邊緣計(jì)算機(jī)終端和端層數(shù)據(jù)采集設(shè)備，從而利用云管邊端系統(tǒng)監(jiān)測配電房運(yùn)行情況、臺區(qū)情況，并加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。

2.2以泛在電力物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)是智能電網(wǎng)輸變電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，有利于提高輸變電設(shè)備的在線監(jiān)測水平，控制電力設(shè)備維修的風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化電力設(shè)備管理工作。從實(shí)際情況來看，以泛在電力物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)是由四個(gè)部分共同構(gòu)成的，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層以及應(yīng)用層（如圖1所示）[3]。

首先，作為在線監(jiān)測系統(tǒng)的底層，感知層承擔(dān)著數(shù)據(jù)信息采集與處理的重任，主要是利用振動(dòng)傳感器、溫濕度傳感器以及RFID傳感技術(shù)感知電力設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。其次，網(wǎng)絡(luò)層主要是利用廣域網(wǎng)、傳感網(wǎng)以及通信網(wǎng)接收感知層傳遞的信息并將信息傳輸至平臺層，將感知層與平臺層連接起來。再次，平臺層是以泛在電力物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵，可以將大量的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)轿锫?lián)云平臺當(dāng)中，進(jìn)行物聯(lián)統(tǒng)一管理，加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析與處理。此外，應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與用戶之間的接口，可以接收系統(tǒng)信息，并綜合處理信息，加強(qiáng)電力設(shè)備的在線監(jiān)測，為用戶提供管理服務(wù)。

3泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

在進(jìn)行電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測時(shí)應(yīng)靈活應(yīng)用泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，并結(jié)合通信技術(shù)、感知技術(shù)以及信息處理技術(shù)，利用數(shù)據(jù)采集裝置與傳感器進(jìn)行電力設(shè)備狀態(tài)信息的采集，加強(qiáng)電力設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測與同步管理，保障電力設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1紅外熱成像監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

熱量在高壓裝置中發(fā)揮著重要作用，能夠體現(xiàn)出電力設(shè)備的運(yùn)行情況，因此可以根據(jù)組件熱量監(jiān)測情況明確電力設(shè)備的故障源，使監(jiān)測系統(tǒng)能夠發(fā)出正確的動(dòng)作指令。紅外熱成像技術(shù)在溫度監(jiān)測中占據(jù)著重要地位，且技術(shù)較為成熟，比其他傳感器監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢更明顯，可以通過電力設(shè)備的紅外輻射情況明確電力設(shè)備的熱點(diǎn)。在電力設(shè)備監(jiān)測當(dāng)中應(yīng)用紅外熱成像儀可以有效監(jiān)測隔離開關(guān)、斷路器以及線路等各個(gè)方面的故障，采集電力設(shè)備的熱量信息，根據(jù)熱量信息自動(dòng)生成溫度分布熱像圖，并與正常的熱像圖進(jìn)行對比分析，從而判斷電力設(shè)備是否存在故障。

紅外熱成像監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成較為簡單，只有掃描系統(tǒng)與顯示單元。第一，掃描系統(tǒng)。掃描系統(tǒng)當(dāng)中包括諸多的構(gòu)成部分，例如熱成像儀鏡頭、成像電路組件、紅外探測器以及探測器讀出電路等。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，熱成像儀鏡頭可以采集電力設(shè)備的紅外輻射信息，并將信息傳輸至探測器上，探測器可以根據(jù)熱輻射的情況做出相應(yīng)的反應(yīng)，之后系統(tǒng)會根據(jù)探測器反應(yīng)自動(dòng)生成電子熱圖像。第二，顯示單元。顯示單元含有計(jì)算機(jī)服務(wù)器及處理與顯示設(shè)備。顯示單元可以處理電子熱圖像并進(jìn)行電力設(shè)備故障的診斷，為故障判斷提供數(shù)據(jù)信息。在運(yùn)行過程中，系統(tǒng)會壓縮圖像，之后將圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)服務(wù)器當(dāng)中進(jìn)行圖片信息的處理，之后存儲相關(guān)信息。總之，紅外熱成像監(jiān)控系統(tǒng)可以對故障溫度值與閾值進(jìn)行對比分析，并結(jié)合設(shè)備的相對溫差進(jìn)行故障的判斷。

在溫度測量過程中應(yīng)用紅外熱像儀應(yīng)當(dāng)將紅外輻射信息轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟刃畔ⅰＷ冸娬镜母邏弘娏υO(shè)備在出現(xiàn)故障之前可能會出現(xiàn)一些溫度變化情況，例如溫度升高等，而紅外光譜熱輻射無法利用肉眼分析，就可以利用紅外熱像儀將熱輻射轉(zhuǎn)變?yōu)闊釄D像，并在監(jiān)測器上顯示數(shù)據(jù)信息，利用不同的顏色展現(xiàn)不同的溫度，從而了解電力設(shè)備的故障情況。

3.2變電站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

變電站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是由終端節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)監(jiān)測中心以及中繼器節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成的。首先，終端節(jié)點(diǎn)主要是由傳感器組成的，傳感器可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸，無線中繼器可以接收信息并通過無線專網(wǎng)將信息傳輸至上位機(jī)監(jiān)測中心，上位機(jī)監(jiān)測中心會對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并發(fā)出預(yù)警信號。其次，中繼器節(jié)點(diǎn)可以將終端節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)監(jiān)測中心結(jié)合起來，增強(qiáng)系統(tǒng)的完整性。此外，上位機(jī)監(jiān)測中心可以實(shí)時(shí)處理所接收的信息，詳細(xì)記錄設(shè)備故障信息并發(fā)出自動(dòng)預(yù)警信號?？傊冸娬经h(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用了用戶定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議形式與半雙工通信方式，通信節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址具有唯一性，節(jié)點(diǎn)的工作模式?jīng)Q定著單個(gè)通信節(jié)點(diǎn)與無線中繼器之間通信鏈路的構(gòu)建與終止。在正常的工作模式下，可以按照既定規(guī)則構(gòu)建通信鏈路，但是在維護(hù)模式下，無線中繼器會根據(jù)實(shí)際情況處理通信鏈路的構(gòu)建與終止。系統(tǒng)當(dāng)中的傳感器可以通過RTC以及EEPROM進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與存儲，并通過安全芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

變電站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的功能較為完善，主要包括對環(huán)境溫度、濕度進(jìn)行監(jiān)測;對煙霧情況進(jìn)行監(jiān)測;對氣體情況進(jìn)行監(jiān)測;對電力設(shè)備局部放電產(chǎn)生的超聲波進(jìn)行監(jiān)測;對電力設(shè)備泄漏電流情況進(jìn)行監(jiān)測。第一，變電站有很多，其環(huán)境參數(shù)不同，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇溫濕度傳感器，加強(qiáng)環(huán)境溫度與濕度的監(jiān)測。第二，變電站具有火災(zāi)隱患，而一旦發(fā)生火災(zāi)就會對電力設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此需要科學(xué)選擇延誤傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測變電站的煙霧情況，降低火災(zāi)的發(fā)生概率。第三，若電力設(shè)備出現(xiàn)故障，可能會產(chǎn)生一些氣體，需利用氣體傳感器監(jiān)測氣體的類型、成分以及濃度，從而判斷電力設(shè)備是否出現(xiàn)故障。第四，局部放電故障是電力設(shè)備的常見故障，需要利用超聲波傳感器監(jiān)測局部放電故障的具體位置與放電量。第五，部分故障可導(dǎo)致電力設(shè)備泄漏電流，需利用電流傳感器監(jiān)測電力設(shè)備，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備的絕緣問題[4-6]。

3.3優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)化協(xié)議轉(zhuǎn)換器與通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。通信協(xié)議有助于協(xié)議轉(zhuǎn)換器接收無線中繼器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，且協(xié)議轉(zhuǎn)換器可以集中處理數(shù)據(jù)信息，將處理后的數(shù)據(jù)信息傳輸至上級調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)當(dāng)中，并接收系統(tǒng)發(fā)出的相關(guān)指令，將指令傳輸給節(jié)點(diǎn)設(shè)備，利用無線中繼器控制節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

4結(jié)語

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用，應(yīng)加強(qiáng)紅外熱成像監(jiān)測系統(tǒng)與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而滿足監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際需求，完善快速配置、應(yīng)用程序部署以及在線服務(wù)生成等功能，保障電力設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

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