基于物聯網的變電設備監控系統研究

王勝輝 王偉杰 郭旭 蘭五勝

摘 要：針對目前變電站在線監測感知層設備存在設計規范和接口不統一，設備和設備之間、設備和系統之間交互性差等問題，本文提出基于物聯網的變電設備監控系統，明確變電設備物聯網整體架構、規范監測設備和數據匯聚設備的物理接口、通信方式、通信協議，提高變電設備在線監測設備的標準化、可靠性及智能化水平，滿足泛在電力物聯網建設需求。

關鍵詞：變電站在線監測;物聯網;整體架構;標準化

中圖分類號：TM633 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）14-0022-03

The Substation Equipment Monitoring System Based On Internet of Things

WANG Shenghui WANG Weijie GUO Xu LAN Wusheng

（XJ Electric Co.， Ltd.，Xuchang Henan 461000）

Abstract： Aiming at the problems of inconsistent design specifications and interfaces， poor interaction between equipment and equipment， equipment and system， etc. existing in on-line monitoring and perception layer equipment of substation， this paper proposed a substation equipment monitoring system based on the Internet of Things， which clarified the overall structure of the Internet of Things of substation equipment， standardizes the physical interface， communication mode and communication protocol of monitoring equipment and data gathering equipment， and improved the performance of the system. The standardization， reliability and intellectualization level of on-line monitoring equipment for substation equipment could meet the construction requirements of ubiquitous power Internet of Things.

Keywords： substation on-line monitoring;the Internet of Things;the overall architecture;standardized

1 研究背景

物聯網是繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮，而變電設備物聯網是物聯網在變電設備領域的融合應用。隨著邊緣計算、網絡泛在化等新型物聯網技術在電網中的逐步應用，變電設備物聯網已經邁入了規模化、集成化和跨界發展的新階段。2018年12月舉辦的中央經濟工作會議將加強物聯網等新型基礎設施建設作為2019年的重點工作，為以后的產業發展指明了方向。國網公司在2019年3月工作會議中提出了“三型兩網”的新時代戰略目標，明確將泛在電力物聯網作為下一步的重點工作，為電網安全經濟運行、經營績效提高、服務質量提升及戰略性新興產業培育發展等提供強有力的資源支撐[1]。目前，變電站內的在線監測系統已經非常完善，可根據需要安裝不同類型的傳感器，實現變壓器、GIS、容性設備和低壓開關柜的狀態感知，然后統一接入輔助設備，統一監控系統[2-4]，但不能滿足泛在電力物聯網中對感知層設備泛在接入能力的要求，設備和設備之間、設備和系統之間交互性差，僅支持閾值分析、趨勢研判等基礎設備狀態評估功能。隨著智能運檢體系的深化建設，智能感知、不同種類的機器人和無人機等設備的深入應用，使得基于人工智能技術的狀態評估和診斷技術得到了極大的發展和應用。結合目前現狀，從全方位感知，泛在化連接、開放性共享、業務融合和創新發展四個方面進行建設和提升，實現變電設備狀態的全方位感知，提高數據的自動采集和獲取能力、數據綜合利用效率，并提出基于物聯網的變電設備監控系統，按照感知層、網絡層、平臺層和應用層建設變電設備物聯網，實現變電設備的全方位感知、精確狀態評估和科學決策，提高變電設備管理的智能化水平、管理效率和安全水平[5]。

2 整體方案

變電設備的監控系統主要包括設備和周邊環境。其中，設備主要包括變壓器、斷路器（GIS）和避雷器等。為提高系統數據的利用效率、系統可靠性和泛在接入能力，提出基于物聯網的變電設備監控系統。系統可分為四個部分，即感知層、網絡層、平臺層和應用層，如圖1所示。

變電設備的物聯網全面感知、數據預處理、簡單狀態評估通過不同類型的智能傳感器和節點實現;傳感數據的高速、可靠傳輸通過網絡層的設備和網絡實現;數據和設備管理、數據存儲和邊緣計算的配置、下發通過平臺層的設備實現;最后由應用層實現對采集到的數據的高級分析和應用，不僅要實現信息共享，而且要根據采集的信息進行狀態評估和預警，并提供輔助決策。感知層由各類物聯網傳感器及傳感器節點、匯聚節點、接入節點等網絡節點組成，具備變電設備監測信息采集和匯聚、邊緣計算與內網回傳功能。其中，物聯網傳感器包含微功率無線傳感器、低功耗無線傳感器和有線傳感器三種。傳感器通信網絡由各類節點設備共同組建成，包括微功率/低功耗無線傳感網和有線傳輸網絡的混合網絡，實現傳感器網絡的全兼容和全覆蓋接入，同時還可根據需求配置邊緣計算功能。網絡層是變電設備物聯網的數據傳輸通道，通過電力光纖網、電力專網和電力APN等不同方式，實現感知層設備監測信息和節點邊緣計算結論信息接入平臺層。平臺層對接入的各類物聯網傳感器、匯聚節點和接入節點等設備進行集中管理，對采集到的海量數據進行存儲和預處理，通過邊緣計算實現設備的運行狀態評估和預警。應用層配置高級數據分析功能，對眾多類型的傳感器數據進行統一管理，支持基于大數據、人工智能等先進技術的復雜診斷算法，支持算法模塊的靈活配置和調用，為電網運檢智能化提供相應數據支撐和分析結果[1，5]。

3 站端接入節點

站端接入節點實現變電站內設備監測信息接入、數據分析、綜合評估、故障預警和趨勢研判，可靈活配置復雜邊緣計算模型，同時接入站內電流、電壓等設備運行信息及設備異常告警信號，實現變壓器、GIS開關、容性設備及低壓開關柜信息的評估分析、狀態預警和趨勢預測。當狀態量異常時，站端接入節點應主動向上層網絡調用異常設備相關數據，實現該設備的歷史數據縱向分析，并主動向上層網絡調用和異常設備同類的設備信息，實現該設備的橫向比較，實現變電設備的自主快速感知和預警[5]。

4 變壓器監控子系統

匯聚節點（變壓器）通過微功耗/低功耗無線網絡、有線網絡匯聚油色譜、局部放電、鐵芯接地電流、光纖測溫和油中微水等智能傳感器監測信息，并配置簡單邊緣計算功能，進行變壓器數據預處理、閾值診斷、設備縱橫比分析和故障預警等簡單邊緣計算;具備與接入節點交互的功能，能將監測參量和評估信息上送，同時能接收接入節點下發的邊緣計算配置信息，如圖2所示。

其中，油色譜實現變壓器油中H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H2和CO2七種故障氣體的測量，支持三比值法、大衛三角形法、產氣率等成熟的診斷模型，對變壓器故障性質及類型進行綜合診斷;局部放電監測裝置完成變壓器局部放電的在線監測和故障診斷，當有放電發生時，裝置啟動生成PRPD、PRPS圖譜，并將放電時產生的數據通過循環存儲技術進行存儲;鐵芯接地電流監測單元實現變壓器/夾件電流的實時測量和故障診斷;光纖測溫通過預置在變壓器內部繞組的測溫元件，對繞組進行測溫和預警;油中微水完成變壓器油中微量水分的在線監測和預警。

5 斷路器（GIS）監控子系統

匯聚節點（斷路器）通過微功耗/低功耗無線網絡、有線網絡匯聚SF6泄露、局部放電、氣體壓力和機械特性等智能傳感器的監測信息，并配置簡單邊緣計算功能，具備數據預處理、閾值診斷等功能，如異常則調用平臺層存儲的操作次數、帶電檢測、停電試驗、不良工況等數據以及同廠同型設備信息，進行綜合分析，對設備缺陷嚴重程度和類型進行初步診斷，主動推送預警信息，如圖3所示。

其中，SF6泄露完成環境中SF6氣體的在線監測，防止環境中有害氣體聚集;局部放電完成斷路器（GIS）局部放電的在線監測和故障診斷;氣體壓力監測通過監測斷路器（GIS）內部的溫度和氣體壓力，完成氣體密度的在線監測和預警;機械特性在線監測完成斷路器（GIS）的形成-時間特性、分合閘線圈電流等實時監測和狀態預警。

6 變電站運行環境監控子系統

通過對變電站內安裝的煙霧、溫濕度、水位等傳感器，對變電站的運行環境進行實時的狀態感知，在有風險時及時推送預警信息。根據安裝位置、場所重要程度布置有線/無線傳感器（例如，在電纜溝等低洼處布置多個無源無線水浸傳感器），各類傳感器信息發送至匯聚節點，具備簡單邊緣計算功能;傳感器信息和匯聚節點的評估及控制信息上送至接入節點，接入節點可靈活配置復雜邊緣計算模型，實現環境信息的評估分析、狀態預警和趨勢預測。同時，部分匯聚節點具備智能調節與智能控制功能，結合傳感器信息和控制要求，實現風機、水泵和滅火等裝置的聯動，如圖4所示。

根據煙霧傳感器等實現火災隱患的監測和預警，并且與滅火裝置進行智能聯動，在有火災隱患時及時報警和自動滅火;通過SF6氣體傳感器對變電站內的有害氣體進行實時監測和預警，并與風機進行聯動，降低環境中的有害氣體含量;通過在電纜溝等低洼處安裝水浸傳感器，對水浸情況進行實時監測和預警，并和水泵進行聯動，及時排出積水。

7 結論

基于物聯網的變電站監控系統通過明確變電設備物聯網整體架構的四個層級，即感知層、網絡層、平臺層和應用層，并且規范油色譜、鐵芯接地電流、局部放電、避雷器、SF6密度等監測設備和數據匯聚設備的物理接口、通信方式、通信協議，可有效解決傳統變電站在線監測感知層設備存在設計規范和接口不統一，設備和設備之間、設備和系統之間交互性差等問題，提高變電設備在線監測設備的標準化、可靠性及智能化水平，滿足泛在電力物聯網建設需求。

參考文獻：

[1]陳麒宇.泛在電力物聯網實施策略研究[J].發電技術，2019（4）：99-102.

[2]吳志鵬，楊蘋，姜新宇，等.在線監測信息系統結構層次設計與實踐[J].電子學報，2018（46）：2803-2807.

[3]范少杰.智能變電站主設備在線監測系統的研究與設計[J].電工技術，2018（24）：28-29，31.

[4]楊濤.淺談變電站一次設備在線監測系統技術研究[J].科技風，2018（34）：195.

[5]蔡月明，封士永，杜紅衛，等.面向泛在電力物聯網的邊緣節點感知自適應數據處理方法[J].高電壓技術，2019（6）：1-8.