500 kV 變電站泛在電力物聯網應用技術研究

張彩友，鄒 暉，馮正偉，焦晨驊，劉 晉，劉 勛

（國網浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

0 引言

近年來，大數據、云計算、物聯網、移動互聯、人工智能、5G 通信等新興技術的應用正在不斷推動社會生產力進步，而電力行業作為基礎產業，一直以來把主要投入放在電網網架和電網設備上，推動了堅強智能電網建設，但對發展最快最普遍最社會化的如物聯網等新興技術的應用和探索還很不夠，正所謂泛在電力物聯網落后于堅強智能電網建設。

隨著電網規模的快速增長，如果不能做到對電網設備狀態、狀況實時管控，就會造成設備事故居高不下、安全生產如履薄冰的被動局面。因此，通過開展泛在電力物聯網建設，利用一系列新興技術，系統化考量、無死角覆蓋，達到對輸變電設備狀態的全面、實時、無間斷管控，以“物聯設備”管控“電網設備”，由此解決輸變電設備故障事件高發、責任性事件層出不窮、人力資源緊張等問題。

本文以500 kV 變電站智能物聯網綜合應用系統的設計、開發和試點建設為例，開展了泛在電力物聯網技術在變電站中的應用研究，以期為后續500 kV 變電站泛在電力物聯網的建設和應用提供參考和借鑒。

1 系統整體方案

1.1 系統概述

目前，變電站內視頻監控系統、機器人巡檢系統、常規輔控系統、安防周界系統等各類生產輔助系統眾多，各類系統僅僅實現了部分數據采集、設備監控、輔助巡檢等基礎功能[1]。各類系統間相對獨立，應用場景不完整，在數據共享、信息互動、智能決策、智能聯動等高級應用方面尚存在較大提升空間。因此，急需一套變電站智能物聯網綜合應用系統，通過采集多維度的大數據，實現以“變電站作業任務為導向”的高級應用和數據分析功能。

變電站智能物聯網綜合應用系統融合視頻監控、在線監測、安防周界、消防監視、環境監測、紅外成像、巡檢機器人等多種物聯網應用，實現各類物聯網應用間的信息縱向融合、數據橫向貫通、服務高度集成，規范、可靠、豐富、靈活地實現各業務應用間的信息共享和數據整合，并利用大數據分析、智能算法、圖像識別等技術實現設備表計自動讀取、斷路器及隔離開關分合狀態自動識別、異常告警智能分析、巡檢任務自動開展等高級功能[2]。在系統開發中采用B/S 架構設計，系統結構如圖1 所示，通過電力專網實現數據的遠程傳輸和訪問，滿足變電站一級部署、運維主站及公司多級應用的系統需求。

1.2 整體架構

變電站智能物聯網綜合應用系統整體架構如圖2 所示，系統采用分層、分布式結構設計，可分為感知層、網絡層、平臺層和應用層。底層的各級子系統采用獨立組網、獨立計算的方式，后臺系統與感知層設備間通過有線電力專網、1.8G無線專網和LoRa 無線網絡等通信網絡進行數據傳輸，系統具有終端泛在接入、平臺開放共享、計算云邊協同、數據驅動業務、應用隨需定制等技術特征。整個系統采用中心計算與邊緣計算相結合的方式，提高數據處理效率，降低系統中心服務器負載[3]。各子系統和感知設備完成各類數據的采集、計算、分析等前端處理工作，實現數據的邊緣端處理；系統后臺中心服務器完成全景大數據的融合、分析及處理，實現中心端的數據分析[4]。

圖1 系統結構示意

圖2 系統整體構架

物聯網系統中的消防、安防、燈控等傳統變電站輔助設備與物聯網系統間通過智能接口設備以DL/T 860 標準協議進行通信；視頻監控設備采用標準國網B 接口與物聯網系統進行通信[5-6]；巡檢機器人的數據通過專用SDK（軟件開發工具包）協議進行數據傳輸；主變壓器（以下簡稱“主變”）振動、油色譜監測數據經專用服務器處理后以IEC 61850 協議與物聯網系統進行通信；物聯網系統通過正向隔離裝置接收變電站站控層SCADA（監控與數據采集系統）/人機操作員站的各類遙測、遙控、遙信數據，實現主輔設備間的實時聯動、數據分析功能，為一鍵式遠程順控提供斷路器、隔離開關位置識別的雙重判據。

2 感知層設備

系統感知層主要包括變電站的工業視頻攝像機、智能巡檢機器人、變壓器振動監測、變壓器油色譜監測、無線溫濕度傳感器、火焰探測器、消防管道壓力傳感器以及常規輔控系統檢測傳感設備等多種狀態感知設備。通過采用各類型傳感器、攝像機、控制器等設備，采集變電站前端的主設備狀態數據，監測變電站主設備健康狀態，為變電站智能物聯網綜合應用系統高級應用提供基礎數據來源。

2.1 視頻監控設備

視頻監控攝像機作為變電站物聯網系統中的主要感知設備，是實現變電站一、二次主設備健康狀態全面感知、設備狀態自動巡檢的重要手段[7]。在攝像機選型時，應綜合考慮變電站現場安裝位置和實際業務需求。本方案中綜合利用高清紅外球機、雙目云臺、可變焦槍機、定焦小筒機、雙光譜云臺、全景鷹眼等多類型設備實現變電站一次設備的全覆蓋（詳見表1）。其中，利用高清紅外球機、雙目云臺、全景鷹眼實現設備外觀、分合指示、設備油位的全面監視；利用可變焦槍機、定焦小筒機一對一的方式監測各類設備表計；利用多臺雙光譜云臺全面覆蓋主變35 kV 部分電抗器、電容器等無功設備區。攝像機應采用立桿安裝與高空構架安裝相結合的方式，實現高空俯視、地面仰視的多角度覆蓋，為斷路器、隔離開關的分合位置判別提供多源判據。

表1 攝像機配置

2.2 變壓器監測設備

變壓器在線監測設備主要包括變壓器油色譜分析、鐵芯夾件接地電流、超聲波局放、本體振動等[8]。變壓器振動監測與故障診斷系統結構如圖3所示，通過部署變壓器振動監測傳感器與故障診斷程序，對運行中的變壓器進行實時在線監測與狀態評估，及時發現變壓器異常、故障及損傷，預防變壓器發生突發事故[9-10]。在每臺變壓器8個位置測點采集振動信號，用多振動測點的特征矩陣來表征變壓器整體機械振動狀態，變壓器振動檢測法是一種有效方法，對變壓器的機械結構特征反映靈敏。在排除直流偏磁、過負荷運行等異常工況后，提取變壓器特定的振動特性參量，能夠有效反映出繞組變形、松動和移位等機械結構參數的變化，從而判斷繞組、鐵芯是否失穩等變壓器機械特性狀況。

圖3 變壓器振動監測與故障診斷系統結構

2.3 無線溫濕度傳感器

變電站中的端子箱、機構箱、匯控柜等戶外箱柜作為電氣設備的重要附屬設施，其安全穩定運行是變電站一次設備正常運行、二次設備正確動作的基本條件，戶外箱柜一旦發生凝露、滲水、積水、潮濕等問題，將會直接導致各種一、二次設備的故障和缺陷。本方案通過在變電站戶外箱柜內布置LoRa 無線智能溫濕度傳感器來實時監測箱柜內溫濕度環境，傳感器定時自動采集溫濕度數據并上傳給LoRa 網關，經由無線專網進入變電站智能物聯網綜合應用系統，若系統顯示溫濕度超過預警值，可實現自主報警，讓運維人員第一時間作出應對措施。另外，采用LoRa 無線傳輸技術的智能溫濕度傳感器具有功耗低（電池可使用5～10 年）、傳輸距離遠、免維護等特點。

2.4 消防類傳感設備

消防類傳感器設備主要包括火焰探測器、消防管道壓力傳感器、獨立式感煙火災探測器等。其中火焰探測器采用紫外和紅外復合檢測方式，借助1 顆日光盲型紫外傳感器和2 顆低噪聲紅外熱釋電傳感器，通過內置的32 位微處理器和專用信號處理算法，能真實識別出現場火焰，并通過4-20 mA 信號線接至系統智能接口裝置，經規約轉換后上傳至物聯網系統后臺。消防管道壓力傳感器和獨立式感煙火災探測器均采用LoRa無線傳輸方式，采集數據經前端傳感器處理后再上送至LoRa 網關，通過無線專網進入變電站智能物聯網綜合應用平臺。

3 網絡層解決方案

本系統采用有線專網、1.8G 電力無線專網、LoRa 無線網等組網方案解決系統各層級設備間的通信問題，實現感知層設備與系統平臺的無縫對接。

3.1 1.8G 電力無線專網

1.8 G 電力無線專網采用1785-1805 MHz 頻段通信，上下行時隙比按3：1 配置，單點最大上行速率12 Mbps，最大下行速率10 Mbps[11-12]。經無線專網傳輸的設備需要與南瑞加密芯片結合使用，對采集數據進行加密傳輸，最后經微型安全平臺接入信息內網。 本方案組網方式如圖4 所示，它徹底解決了變電站巡檢機器人以往通過自建無線WIFI 方式與巡檢后臺間進行通信所帶來的信息安全問題，巡檢機器人可通過1.8G 電力無線專網安全、可靠地接入信息內網，為巡檢機器人數據與內網中各系統數據的互聯互通提供了基礎。另外，1.8G 電力無線專網中的安全接入平臺從終端、網絡、邊界三個維度構建移動安全防護網，為移動應用、現場作業、數據采集、智能巡檢等業務場景提供了傳輸通道，可有效防范無線終端、通信、信息內網系統的安全風險[13，15]。

3.2 LoRa 無線網

LoRa 無線傳輸技術是一種遠距離、低功耗、多節點的物聯網無線通信技術，全球免授權無線頻段主要有433/470/868/915 MHz，傳輸距離城鎮可達2～5 km，郊區可達15 km[16]。本方案中采用國標版470 MHz 免授權頻段，變電站內共部署3個LoRa 網關，最大支持同時接入2 000 個無線傳感器，傳感器電池壽命一般為3～5 年。本系統共部署LoRa 無線物聯網傳感設備600 余個，主要包括無線溫濕度傳感器、無源表計識別攝像頭、無線水浸傳感器、消防栓壓力檢測傳感器等。

圖4 電力無線專網應用

1.8 G 電力無線專網與LoRa 網關的組合應用如圖5 所示，物聯網傳感器數據經LoRa 網關匯聚，由南瑞安全模塊CPE（客戶終端設備）加密后，通過電力1.8G 無線專網安全接入信息內網，徹底解決無線類傳感設備接入電力系統內網的安全問題，為變電站內的物聯網設備提供了安全、可靠的接入方式。

4 平臺應用接口

圖5 無線專網與LoRa 組合應用

系統平臺層前端應用采用B/S 架構開發設計，后端系統由千兆網絡交換機、智能算法服務器、主系統服務器、LoRa 數據處理服務器等硬件設備組成，系統綜合了物聯網設備管理、數據應用分析和系統業務處理等功能，可實現對各類物聯網傳感器及節點設備的管理、協調與監控。主系統服務器與智能算法服務器、LoRa 數據處理服務器之間的業務通信采用基于Web Service 的應用程序接口，數據訪問方式如圖6 所示。智能算法服務器和LoRa 數據處理服務器作為數據分析服務端，主系統服務器作為數據使用方。當使用方發起數據分析請求時，數據分析服務端通過程序接口返回請求結果，并立即開展數據分析處理服務，數據處理完成后通過程序接口立即通知使用方并返回分析結果。另外，系統平臺層部署開放式算法擴展塢，建立統一算法I/O 接口，滿足傳感數據類型多、診斷算法多樣化的業務需求，為電網運檢智能化分析管控系統和全業務數據中心等平臺提供業務數據和分析結論。

圖6 Web Service 數據訪問方式

5 應用層功能

系統應用層開發以運維作業實際需求為導向，具備一次設備智能巡檢、設備狀態全面感知、設備操作智能聯動等功能。

5.1 智能巡檢功能

系統主要通過視頻監控、巡檢機器人等設備自動開展對斷路器、隔離開關、變壓器、電抗器、電容器等一次設備的外觀檢查、表計抄錄、油位監視、分合位置識別等日常運維巡視工作，并自動對巡視結果進行分析處理、智能告警。系統可按照變電站運維專業要求，自動生成運維巡檢報告，供運維人員遠程瀏覽、判斷。

5.2 設備狀態全面感知

系統利用主變在線監測傳感器、視頻監控、溫濕度傳感器等設備，實現變電設備狀態的全方位自我實時感知，根據閾值等標準初步判斷數據是否正常。當設備數據異常時，可通過系統實時獲取該設備的所有信息，實現歷史數據縱向分析、各相設備和同類同型設備橫向比較，對設備狀態進行初步診斷，從而實現設備狀態的自主快速感知和預警。對于異常設備，及時向運行人員推送預警信息，調整狀態監控策略，并上傳至平臺層進行更精確的診斷和分析。

5.3 設備操作聯動

變電站智能物聯網綜合應用系統與變電站站控層SCADA 系統通過正向隔離裝置進行通信，SCADA 系統通過UDP（用戶數據報協議）報文形式將遙控、遙信、遙測等一次設備的操作、告警信息傳輸至物聯網系統。當SCADA 系統中操作一次設備時，物聯網系統服務器收到相應的UDP報文后智能聯動視頻攝像機調閱相應的視頻畫面。當SCADA 系統一次設備出現SF6告警、保護跳閘等重要信息時，物聯網系統自動啟動相應的巡檢任務，為運維人員提供詳細的巡檢結果。

6 結語

隨著國網公司“三型兩網”世界一流能源互聯網企業建設要求的提出，泛在電力物聯網建設已全面啟動，通過泛在電力物聯網的全面建設，為電網運行更安全、管理更精益、投資更精準、服務更優質開辟了一條新路。

本文結合500 kV 變電站泛在電力物聯網系統的試點建設經驗，探索研究了泛在電力物聯網在變電站的技術應用，為泛在電力物聯網在變電站中實際應用提供了參考、借鑒。