物聯網技術在變電站在線監測中的應用研究

陳振曉++劉前進++林健雄

摘 要：變電站的安全可靠運行對于電網發展具有重要意義，但目前的變電站在巡檢、安全等方面的管理方法或設備故障診斷分析的智能化程度與智能電網對智能變電站的要求還存在一定差距。文中針對變電站現有的一些問題提出了基于物聯網技術四層架構體系的變電站在線監測系統，包括感知層、裝置層、數據層、應用層。其中，數據層具有實現數據共享的特點；裝置層具有解決通信接口異構性問題的功能。通過對物聯網技術在變電站設備狀態檢測和巡檢管理等方面的需求與具體的實現方案進行研究，并對物聯網技術在智能變電站的優點進行分析。

關鍵詞：物聯網；在線監測；狀態監測；數據共享；巡檢管理

中圖分類號：TP39；TM64 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）09-00-03

0 引 言

變電站作為電力系統的重要節點，負擔著電能變換與電力重新分配的重要責任，對電網的高效、安全運行起著重要作用[1]。目前，變電站在巡檢、安全等方面的管理方法或者設備故障診斷分析的智能化程度與智能電網對智能變電站的要求還存在一定差距，如巡檢手工筆錄的工作方式易出錯且不利于數據共享。

對物聯網技術在變電站中設備狀態的在線監測[2]、資產全生命周期管理[3]、安全工器具管理[4]等方面的應用已有不少研究，但在設備編碼、數據格式等方面還沒有一個統一的標準，形成了數據孤島，不利于數據共享。本文針對站多人少、狀態檢修程度不高、數據孤立等現實存在的問題，充分發揮物聯網技術的優勢，提出了物聯網技術在變電站應用的四層架構體系，并對其在設備狀態監測、巡檢管理等方面的實現方法進行研究。

1 物聯網技術

物聯網是建立在計算機、互聯網基礎之上，利用先進的傳感技術和通信技術等實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理，將現實世界和網絡空間進行連接的一種網絡[5，6]。從信息的采集到應用，將物聯網應用架構分為智能感知層、網絡傳輸層和高級應用層[7-9]。但將物聯網技術應用到變電站監測中還需解決一些關鍵問題。

1.1 智能傳感器技術

智能傳感器作為物聯網架構體系的底層，起著物體識別與狀態感知的作用。鑒于智能變電站中的電磁環境比較復雜、測量對象和參數種類多、測量精度要求高等問題，傳感器需要具有以下特點：

（1）抗干擾能力強，抵抗電磁干擾；

（2）集成化、小型化，集多功能于一體，減小體積；

（3）低功耗，解決無線傳感器的電池壽命問題。

1.2 標識與編碼技術

現有電力行業中的條形碼類標識容易損壞，且在編碼上還存在差異，不利于電力設備的管理、信息共享。目前設備標識中使用較多的是條形碼，但存在一定缺陷，尤其是處在惡劣環境中的電力設備，標識比較容易損壞，給儀器的識別帶來困難[10]。這兩個問題分別用以下方法解決：

（1）標識。使用RFID（射頻識別）技術不僅可以解決上述問題，還可以借用RFID的通信距離進行大致定位，實現巡檢的管理等。

（2）編碼。借用現有的智能變電站的架構劃分，按照變電站（1～6位）->間隔（7～9位）->電壓等級（10位）->設備（11～13位）的標準編號，對其中一些安防等設備可以歸到一個間隔進行編號。

1.3 通信技術

智能變電站所需通信終端的數量多，數據傳輸量大，所處環境復雜，因此需要通信設備具有低功耗，無線設備自組網，匯集節點能夠適應IEC61850等變電站通信標準，兼容現有通信接口等。

1.4 電源技術

電源的可靠、長期運行是物聯網各部分長期、可靠工作的重要保障。電源技術可以從以下幾方面考慮：

（1）電能的來源主要有蓄電池、光伏、風能、熱電偶發電等方式；

（2）高效的拓撲結構，在紋波要求不高的數字電路部分可以采用開關電源的拓撲結構，在對紋波較敏感的模擬電路部分宜采用開關電源+LDO的拓撲結構；

（3）電源應具有自我診斷、修復或者告警功能。

2 基于物聯網技術的變電站在線監測架構體系

借鑒物聯網技術的三層架構體系以及智能變電站三層兩網的架構體系，為解決通信接口的異構性問題，滿足數據共享的需要，形成了物聯網技術在變電站在線監測應用中的四層架構體系。該四層架構體系從下往上依次為感知層、裝置層、數據層、應用層。其體系結構如圖1所示。

2.1 感知層

智能感知層和物聯網智能感知層的功能相似，主要利用溫濕度傳感器、超聲波傳感器、振動傳感器、RFID電子標簽等對變壓器、電容器、電感器、線路等一次設備以及測控裝置等二次設備的運行狀態、周邊環境狀態、地理位置、自身屬性信息等各種狀態與屬性進行感知，為供電局、監控主站以及本站的應用層提供必要的數據信息基礎。

2.2 裝置層

裝置層具有解決通信接口異構性問題的能力。變電站設備眾多，且各自所處的環境不一樣，而選擇UART、CAN 、ZigBee、LoRa等有線和無線通信方式中的某一種則造成了通信接口的異構性，例如測量母線機械振動時，由于絕緣等原因宜采用無線通信方式；測量變壓器參數時，其電磁環境比較復雜，可能會對無線通信產生干擾，宜采用有線通信方式。

2.3 數據層

數據層是為了數據共享而分解出來的一個數據服務器，應用層、監測主站以及供電局等可以直接通過Web訪問申請數據。數據整合存儲層主要有如下作用：

（1）對數據進行整合處理，將數據分類及進行必要的格式處理等，將其標準化，可主動向高級應用上傳數據；

（2）存儲數據；

（3）作為高級應用的數據源，上級監測中心、監控后臺等在需要數據時向其發起數據請求以獲取數據，達到數據共享的目的。endprint

2.4 應用層

應用層中主要對站內所有設備實現在線監測、故障診斷、狀態評估、輔助決策與資產管理以及變電站的安全管理等高級應用[11]。應用層的軟件架構采用B/S形式，不僅可以在站內后臺觀測，也可以在供電局、監測主站等遠程終端上使用瀏覽器直接進行遠程監測。

3 物聯網技術在變電站在線監測中的應用

基于物聯網技術的變電站在線監測系統如圖2所示。關鍵部分應具有如下功能：

（1）應用后臺：應用軟件架構采用B/S模式，可在遠端通過瀏覽器直接訪問應用并獲取結果。

（2）數據服務中心：實現對數據的持久化存儲；具有服務器的功能，后臺或者遠端可以使用HTTP協議與其直接建立連接和通信；能夠對數據進行整合處理，響應并返回遠端請求的數據。

（3）IED裝置：實現異構通信網絡的接口統一；對感知層上傳的數據進行處理，正常數據直接上傳到數據服務中心，異常數據向應用后臺上傳。

3.1 變電站設備狀態檢測

目前，電力設備的維護通常是使用定期預試和檢修的方法，在一定程度上能夠解決設備的部分缺陷，但這種定期預試和檢修方式不能反映運行中設備的各種狀態，無法提前預知突發性故障[12]。目前，電力系統的規模越來越大，人們對電力的要求也越來越高，原有的檢修方法已不適應未來的需求。為了適應未來的需要，應實現電力設備從“到期必修”向“應修必修”轉變[13]。要實現這種方式的轉變就要利用先進的物聯網技術以及故障診斷技術，對變壓器、母線、電容器、避雷器等電力設備進行在線狀態監測，實現設備的突發性故障預告，從而達到“應修必修”的目的。

3.2 變電站巡檢管理

目前大多數變電站的巡檢基本還采用以手工筆錄為主的巡檢模式，這種巡檢方式主要存在以下缺點：

（1）手工記錄容易出錯，而且沒有照片等更能反映設備詳細缺陷信息的佐證材料；

（2）不易于記錄的查找，阻礙了信息與相關負責人或其他檢修人員的及時共享；

（3）缺乏有效的監督，存在監督方面的漏洞，容易出現由于主觀或者客觀原因而造成的漏檢或沒有按時進行巡檢等問題。

鑒于目前大多數變電站仍采用人工巡檢的模式，且難以實現從人工巡檢到無人巡檢的轉變，因此有必要研究從人工到無人巡檢的過渡過程。在設備上裝有RFID標簽與手持終端部分。通過手持終端可以即時查看相應設備的信息，同時利用RFID的通信距離能夠確保巡檢人員到一定范圍進行巡檢。具體巡檢管理的實現流程如圖3所示。

首先進行登記，領取巡檢任務和手持終端；然后開展巡檢業務，巡檢過程使用手持終端進行記錄拍照等，記錄會即時上傳到巡檢管理后臺；最后巡檢結束歸還手持終端，并確認巡檢結束。在巡檢過程中手持終端會提示下一個巡檢地點和項目，指定路線上如果存在漏檢，則會告警提示。

4 結 語

變電站作為電力系統的重要節點，變電站的安全可靠運行對于電網的發展具有重要意義。本文針對現有變電站在巡檢、設備運行等方面存在的一些問題，提出了物聯網技術在變電站中的四層應用架構體系。裝置層在于解決通信接口異構性的問題；數據層作為一個數據整合預處理中心，有利于實現數據共享，提高信息利用率。

設備狀態監測，不僅可以提高供電的可靠性，通過在線監測實時捕獲異常信號，提前預判電力設備的運行狀態，實現狀態檢修，避免發生故障，還可以降低成本，通過故障預測避免損失，實現“計劃檢修”到“狀態檢修”的轉變。同時更能減少人為失誤，在線數據相對比較客觀，可大大降低因窗口期而失去重要參考信息問題的概率。

在巡檢方面，不僅有利于減少由于手工記錄而需要對信息二次處理的工作量，減少人為錯誤的出現，更能增加巡檢結果的佐證材料，有利于規范巡檢管理，避免漏檢出現。

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