輸配電設(shè)備泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)思路與發(fā)展趨勢

尚亞品

（國網(wǎng)河南省電力公司汝陽縣供電公司，河南 汝陽 471200）

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)(UPIoT)建設(shè)是電網(wǎng)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要內(nèi)容和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著大量新能源的接入，電網(wǎng)的形態(tài)已經(jīng)由傳統(tǒng)的交流電網(wǎng)轉(zhuǎn)變成交直流混聯(lián)電網(wǎng)，大量電力電子設(shè)備的接入增加了電網(wǎng)的復(fù)雜度，光伏、風(fēng)電等新能源的波動性增加了電網(wǎng)的不確定性和不可控性，因而對電力設(shè)備狀態(tài)的感知提出了更高的要求。

一、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)概念

電力系統(tǒng)為迄今為止世界上最復(fù)雜的人造系統(tǒng)。電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行的需求與日俱增。國家電網(wǎng)有限公司對“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”的定義:將電力用戶及其設(shè)備、電網(wǎng)企業(yè)及其設(shè)備、發(fā)電企業(yè)及其設(shè)備、供應(yīng)商及其設(shè)備，以及人和物連接起來，產(chǎn)生共享數(shù)據(jù)，為用戶、電網(wǎng)、發(fā)電、供應(yīng)商和政府社會服務(wù)。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)將通過泛在感知、可靠通信和高性能信息處理與高級電力應(yīng)用實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)各環(huán)節(jié)、全電壓等級的“能量流、信息流、業(yè)務(wù)流”一體化融合，提升系統(tǒng)安全性和運(yùn)行效率。

二、輸配電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)差異化建設(shè)方案

（一）輸電線路物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案

輸電線路物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)采用天地協(xié)同的方式實(shí)現(xiàn)。空中采用合成孔徑雷達(dá)(SAR)遙感衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對輸電線路山火、通道異物、桿塔傾斜等較大缺陷的廣域高效監(jiān)測；地面以輸電線路導(dǎo)線上監(jiān)測裝置作為邊緣計(jì)算設(shè)備，附近桿塔上的傾斜、微氣象、雷擊閃絡(luò)等裝置通過LoRa等微功率無線通信方式將數(shù)據(jù)匯集到邊緣計(jì)算設(shè)備，邊緣計(jì)算設(shè)備再通過北斗三代短消息通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)海量小數(shù)據(jù)的回傳，以解決山區(qū)輸電線路信號盲區(qū)的問題。

（二）變電站物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案

感知層由站域級邊緣計(jì)算單元、站域級集成感知陣列、設(shè)備級感知網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備級感知傳感器組成。站域級邊緣計(jì)算設(shè)備負(fù)責(zé)變電站環(huán)境、狀態(tài)、行為、電氣參量的全面融合，實(shí)現(xiàn)設(shè)備本體及運(yùn)行環(huán)境的深度感知、風(fēng)險預(yù)警，主動觸發(fā)多參量和多設(shè)備間的聯(lián)合分析并推送預(yù)警信息。站域級集成感知陣列主要集成紅外、視頻、局放、聲音、氣味等傳感功能，實(shí)現(xiàn)對變電站設(shè)備的非接觸式測量，陣列中各單元通過以太網(wǎng)絡(luò)或全球定位系統(tǒng)(GPS)實(shí)現(xiàn)分布式同步采樣，從而實(shí)現(xiàn)對異常設(shè)備所在區(qū)域的初步定位。

（三）配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案

根據(jù)我國配網(wǎng)的建設(shè)情況，將饋線終端設(shè)備(FTU)、配變終端設(shè)備(TTU)、配電終端設(shè)備(DTU)和智能運(yùn)維監(jiān)測終端(MTU)作為配網(wǎng)的邊緣計(jì)算設(shè)備。FTU主要匯集附近故障錄波指示器、斷路器狀態(tài)監(jiān)測和環(huán)境數(shù)據(jù)，通信方式可以是4G/5G、LoRa等；TTU主要匯集變壓器負(fù)荷、變壓器狀態(tài)、低壓用戶用電、低壓配電房運(yùn)行狀態(tài)、低壓用戶電能質(zhì)量等信息，通信方式可以是485總線、以太網(wǎng)、電力載波、微功率無線、LoRa等；DTU主要匯集直流屏、保護(hù)測控裝置、變壓器等設(shè)備的自動化參量，并實(shí)現(xiàn)各電氣回路開關(guān)設(shè)備的遙控分、合控制；MTU主要匯集中壓配電站房內(nèi)的環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)、安防等信息，同時實(shí)現(xiàn)與輔控設(shè)備聯(lián)動，通信方式可以是485總線、以太網(wǎng)、LoRa等。

三、輸配電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)發(fā)展趨勢

（一）運(yùn)行管理

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)旨在讓電網(wǎng)的數(shù)據(jù)成為一種可增值的資源，通過對這些數(shù)據(jù)資源的利用來提高電網(wǎng)的安全、設(shè)備能效，從而降低運(yùn)維成本。這些數(shù)據(jù)的獲取成本包括數(shù)據(jù)獲取、傳輸、存儲、維護(hù)、計(jì)算等全鏈條的開支，在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)中，需對數(shù)據(jù)獲取成本進(jìn)行經(jīng)濟(jì)學(xué)定義，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)的精細(xì)化管理，后期還可通過經(jīng)濟(jì)市場的方式帶動低成本感知技術(shù)的發(fā)展。

（二）應(yīng)用模式

1.設(shè)備供應(yīng)商關(guān)系

電網(wǎng)公司的缺陷/故障相關(guān)的運(yùn)行數(shù)據(jù)是設(shè)備質(zhì)量重要的信息反饋，設(shè)備制造廠家可向電網(wǎng)公司購買自身或同類產(chǎn)品的運(yùn)行數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)自身產(chǎn)品質(zhì)量的提升、商業(yè)競爭等應(yīng)用。

2.行業(yè)分析

每年電網(wǎng)企業(yè)的場站設(shè)計(jì)規(guī)模、設(shè)備招投標(biāo)規(guī)模，以及不同地域的工商業(yè)用電特性都集中反映了電力行業(yè)或某特定區(qū)域的經(jīng)濟(jì)形式，針對上述數(shù)據(jù)脫敏后形成的行業(yè)分析報(bào)告可供政府、投資機(jī)構(gòu)和設(shè)備制造企業(yè)來調(diào)整其生產(chǎn)經(jīng)營行為，以便更加準(zhǔn)確地判斷行業(yè)形勢。

3.科研院所及創(chuàng)業(yè)者關(guān)系

由于電力設(shè)備多場作用的復(fù)雜工況導(dǎo)致其故障機(jī)理復(fù)雜，單純的理論模型現(xiàn)場應(yīng)用效果欠佳，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)后，電網(wǎng)企業(yè)可提供設(shè)備全面的感知數(shù)據(jù)，故障案例庫將更加豐富，如何根據(jù)電網(wǎng)企業(yè)的故障/缺陷案例開發(fā)出基于模型+數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷算法模型，將會是科研院所和電網(wǎng)企業(yè)共同承擔(dān)的主要工作。電網(wǎng)企業(yè)數(shù)據(jù)云平臺的建設(shè)必將帶動數(shù)以萬計(jì)的APP開發(fā)公司專注電網(wǎng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用，從而帶動整個生態(tài)的發(fā)展。

（三）技術(shù)發(fā)展

1.取能技術(shù)

由于從環(huán)境獲取的能量較少，取能技術(shù)通常要和傳感、通信等進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)最低的功耗要求，因此集成取能、采集、通信的系統(tǒng)級芯片(SoC)系統(tǒng)將會是低功耗感知的發(fā)展方向。

2.新型傳感技術(shù)

高度集成化的傳感器可以復(fù)用采集存儲和通信技術(shù)，降低單個參量的感知成本，同時提高裝置的可靠性，將會是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的突破點(diǎn)。對于大量的存量設(shè)備而言，非接觸式測量可將感知和設(shè)備運(yùn)行解耦，二者互不影響，從而極大地提高泛在物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的便利性。

3.衛(wèi)星在電力行業(yè)的應(yīng)用技術(shù)

我國北斗三代衛(wèi)星、地基增強(qiáng)站和大量通導(dǎo)遙小衛(wèi)星星座的建設(shè)，為電力設(shè)備狀態(tài)感知、通信和位置服務(wù)提供了更新和更加靈活的應(yīng)用手段。

4.定制化芯片技術(shù)

按照國家電網(wǎng)公司規(guī)劃，3年內(nèi)要實(shí)現(xiàn)20億個設(shè)備的互聯(lián)，會用到數(shù)以億級的芯片和傳感器，通過芯片化降低固定場景采集系統(tǒng)的低成本并提高其可靠性是降低泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)投資的有效手段，在巨大的市場驅(qū)動下，大量的電力專用芯片將面市。

結(jié)語

通過泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，降低數(shù)據(jù)獲取的邊際成本，進(jìn)一步開發(fā)數(shù)據(jù)的價值形成完整的能源生態(tài)體系，是新形勢下電網(wǎng)企業(yè)轉(zhuǎn)型為優(yōu)秀能源企業(yè)的有效手段。