基于標(biāo)準(zhǔn)化物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器的變電站狀態(tài)感知系統(tǒng)研究

李 琮，胥明凱，潘慧超，付兆遠(yuǎn)，許志元

（國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012）

0 引言

隨著電網(wǎng)快速發(fā)展，傳統(tǒng)運(yùn)檢模式已無法適應(yīng)企業(yè)的新時代戰(zhàn)略目標(biāo)。國家電網(wǎng)有限公司在運(yùn)檢智能化方面進(jìn)行了長期探索，特別是自2018 年步入智能運(yùn)檢建設(shè)的快車道以來［1］，積累了豐富經(jīng)驗。但面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)工作要求和電網(wǎng)設(shè)備智能化管理需求，仍存在一些不足。一是狀態(tài)感知體系尚不完善，有效的帶電檢測和在線監(jiān)測技術(shù)手段較少，監(jiān)測裝置運(yùn)行不穩(wěn)定，配置標(biāo)準(zhǔn)不高，缺陷檢出率低，實用化程度應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)；在線監(jiān)測裝置通信和電源等相關(guān)配套技術(shù)難以滿足復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境要求，無法做到設(shè)備狀態(tài)全面感知。二是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體尚未統(tǒng)一，各類監(jiān)測裝置分散獨(dú)立，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、傳輸協(xié)議不統(tǒng)一，業(yè)務(wù)融合度不足，不能實現(xiàn)互聯(lián)互通；各專業(yè)信息化系統(tǒng)建設(shè)未開展頂層設(shè)計，部分自建信息化平臺形成數(shù)據(jù)孤島，難以滿足設(shè)備管理精益化、信息化、智能化要求。三是“大云物移”技術(shù)尚未全面應(yīng)用，已推廣的智能運(yùn)檢技術(shù)尚處于起步階段，體系架構(gòu)尚不完善，狀態(tài)感知技術(shù)手段缺失，無法覆蓋運(yùn)檢業(yè)務(wù)，缺乏多源業(yè)務(wù)綜合分析決策的智能化應(yīng)用。

因此，面對重大發(fā)展機(jī)遇，亟須開展輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究、試點(diǎn)應(yīng)用驗證和標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。闡述基于“云-管-邊-端”架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器的變電站狀態(tài)系統(tǒng)技術(shù)方案，并選取兩座變電站完成試點(diǎn)驗證，構(gòu)建開放、共享、共生的變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系，推動運(yùn)維模式向更智能、更高效、更安全轉(zhuǎn)變。

1 系統(tǒng)技術(shù)路線

選取兩座220 kV 變電站開展感知層試點(diǎn)建設(shè)，按照“互動感知、開放互聯(lián)、融合分析”的原則，實施“321”重點(diǎn)工程，即：針對“三類重要設(shè)備”（變壓器、組合電器、開關(guān)柜），搭建“兩層網(wǎng)絡(luò)”（無線傳感網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)）、應(yīng)用“一個平臺”（物聯(lián)網(wǎng)平臺），全力攻堅典型場景，樹立示范效應(yīng)，逐步建立智能、共享的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)，全面提高運(yùn)檢效率效益和管理穿透力［2］。

1.1 總體架構(gòu)

依據(jù)國家電網(wǎng)有限公司發(fā)布的《輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案》，輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)分為4個層級：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層，分別對應(yīng)“云-管-邊-端”，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

1.2 感知層

圖1 輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

感知層由各類物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器［3］、匯集節(jié)點(diǎn)、接入節(jié)點(diǎn)組成，用于實現(xiàn)傳感信息采集、匯聚、上傳及邊緣計算，分為傳感器層與數(shù)據(jù)匯聚層兩部分。變電站組網(wǎng)方案如圖2 所示。系統(tǒng)中接入的傳感器包括4 個類型：微功耗無線傳感器（A—E）、低功耗無線傳感器（F、G）、傳統(tǒng)有線傳感器（H、I）、其他智能輔助傳感器的接入。其中感知層無線協(xié)議采用低功耗局域網(wǎng)無線標(biāo)準(zhǔn)（Long Range Radio，LoRA）。

圖2 變電站組網(wǎng)方案

微功耗傳感器（A—E）。針對小數(shù)據(jù)量微功耗需求的等電位安裝的測溫、溫濕度、振動等傳感器，通過微功率無線網(wǎng)進(jìn)行接入，匯聚節(jié)點(diǎn)（1—5）利用節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)協(xié)議組成支持多跳的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，最終將數(shù)據(jù)匯聚到接入節(jié)點(diǎn)。其中匯聚節(jié)點(diǎn)1 對匯聚節(jié)點(diǎn)2、4 起到數(shù)據(jù)中繼作用。

低功耗傳感器（F、G）。針對超聲波局放、特高頻局放、泄漏電流等具有一定連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸、采集功耗相對較大的低功耗傳感器（F、G）支持節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)協(xié)議，低功耗傳感器直接與接入節(jié)點(diǎn)連接，或經(jīng)由一個或多個匯聚節(jié)點(diǎn)與接入節(jié)點(diǎn)連接，通過接入節(jié)點(diǎn)對接網(wǎng)絡(luò)層。

有線傳感器 （H、I）。針對站端已經(jīng)安裝的油色譜、避雷器泄漏電流等傳統(tǒng)有線傳感器，如圖2 所示，將IED 與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有線連接，通過匯聚節(jié)點(diǎn)4 和匯聚節(jié)點(diǎn)5 統(tǒng)一接入到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中或從站端直接接入。

其他智能輔助傳感器。針對其他一些基于TCP／IP 等協(xié)議的寬帶智能輔控系統(tǒng)，例如攝像頭、機(jī)器人、部分已安裝環(huán)境監(jiān)測傳感器等，可以通過智能輔控節(jié)點(diǎn)直接連接到接入節(jié)點(diǎn)上。

圖2 中的接入節(jié)點(diǎn)是整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制中心，對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)和傳感器進(jìn)行管理和數(shù)據(jù)采集。接入節(jié)點(diǎn)終端內(nèi)置智能計算單元，以容器方式實現(xiàn)業(yè)務(wù)軟件APP 化，采可靈活配置邊緣計算模型并就地運(yùn)算，如多通道數(shù)據(jù)同步計算、復(fù)雜閾值算法計算、跨傳感器數(shù)據(jù)的設(shè)備狀態(tài)融合智能診斷、基于人工智能的缺陷識別等能力。接入節(jié)點(diǎn)通過VPN 網(wǎng)絡(luò)或電力光纖網(wǎng)，將狀態(tài)數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)送入電力內(nèi)網(wǎng)的管理平臺。同時計算前端傳感器的測量值，實時控制智輔等系統(tǒng)開啟，實現(xiàn)站內(nèi)智能聯(lián)動。

1.3 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層由電力VPN 通道、電力光纖網(wǎng)等通信通道及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，為變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)過電力光纖網(wǎng)通過防火墻將數(shù)據(jù)發(fā)送至內(nèi)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)平臺層管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)消息隊列遙測傳輸 （Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議，數(shù)據(jù)流向如圖3 所示。

1.4 平臺層

物聯(lián)網(wǎng)平臺管理系統(tǒng)具備物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理、邊緣計算配置和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲3 大基本功能［4］。通過對物聯(lián)網(wǎng)各類傳感器及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝備的管理、協(xié)調(diào)與監(jiān)控，對物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算算法進(jìn)行遠(yuǎn)程配置，實現(xiàn)多源異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的開放式接入和海量數(shù)據(jù)存儲。平臺層部署采用統(tǒng)一集中部署方式，實現(xiàn)應(yīng)用的彈性擴(kuò)展，包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理與數(shù)據(jù)存儲、感知數(shù)據(jù)計算分析和感知數(shù)據(jù)分享服務(wù)功能，平臺層架構(gòu)如圖4 所示。

圖3 變電站網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)流向

1.5 應(yīng)用層

應(yīng)用層在平臺層數(shù)據(jù)支撐、算力提供及展現(xiàn)組件的基礎(chǔ)上，融合其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行高級分析應(yīng)用［5］。全面應(yīng)用“大云物移智”技術(shù)，結(jié)合輸變電典型應(yīng)用場景需求，依托電網(wǎng)運(yùn)檢智能化分析管控系統(tǒng)，以微應(yīng)用模塊為交互窗口對結(jié)果進(jìn)行集中展示，實現(xiàn)輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)各類數(shù)據(jù)信息的及時推送和實時分析。

2 應(yīng)用場景

選取兩座220 kV 變電站全面完成泛在電力物聯(lián)網(wǎng)感知層建設(shè)，在變壓器、組合電器、開關(guān)柜等主設(shè)備全面部署溫度、局部放電、振動、水浸等10 類智能微（低）功耗無線標(biāo)準(zhǔn)化傳感器，共計456 個，通過匯聚節(jié)點(diǎn)和接入節(jié)點(diǎn)實現(xiàn)組網(wǎng)及各類信息的全面接入和就地控制計算；接入節(jié)點(diǎn)通過安全可靠的網(wǎng)絡(luò)層將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到平臺層，在平臺層對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集、管理，從平臺層傳送到電網(wǎng)運(yùn)檢智能化分析管控系統(tǒng)中模塊和高級應(yīng)用進(jìn)行三維展示和融合分析，實現(xiàn)變電運(yùn)檢業(yè)務(wù)的智能化、信息化管理。應(yīng)用全景如圖5 所示。

通過部署基于標(biāo)準(zhǔn)化物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器實現(xiàn)變電主設(shè)備和運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)的全面感知。對兩座變電站共計4 臺主變壓器新安裝套管介損及電容量、溫度、振動、局部放電、端子箱溫濕度等智能傳感器；對23 個220 kV 間隔、27 個110 kV 間隔安裝局部放電、SF6壓力、微水智能傳感器；對96 面開關(guān)柜安裝觸頭溫度、柜體模糊測溫、局部放電、溫濕度等傳感器；實現(xiàn)變電設(shè)備狀態(tài)全方位實時感知和預(yù)警，通過在兩座變電站各設(shè)備室和電纜夾層加裝溫濕度傳感器、水浸傳感器等實現(xiàn)變電站和設(shè)備運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)感知和風(fēng)險預(yù)警。并將數(shù)據(jù)上傳至平臺層和應(yīng)用層進(jìn)行三維展示和診斷分析，如圖6 所示。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)平臺管理系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖5 應(yīng)用場景平臺層整體架構(gòu)

圖6 傳感器現(xiàn)場安裝及三維展示

3 結(jié)語

詳細(xì)介紹了基于“云-管-邊-端”架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器的變電站狀態(tài)系統(tǒng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層技術(shù)方案，并通過選取兩座220 kV 變電站完成試點(diǎn)應(yīng)用驗證，建立了開放式、可擴(kuò)展的變電物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系，實現(xiàn)了設(shè)備全息感知和立體巡檢，推動運(yùn)檢業(yè)務(wù)模式向自動化、智能化、集約化轉(zhuǎn)型。下一步將在智能傳感器類型拓展、邊緣計算算法開發(fā)、融合分析展示方面做進(jìn)一步研究，切實降低人員現(xiàn)場巡檢工作強(qiáng)度，提高運(yùn)檢工作效率，提升設(shè)備管理水平。