基于主動感知技術的輸變電設備物聯網建設及應用

池威威,劉海峰,岳國良,賈志輝,王 濤

(1.國網河北省電力有限公司雄安新區供電公司,河北 雄安新區 071000;2.國網河北省電力有限公司,河北 石家莊 050021)

當前電網規模不斷擴大,新能源大規模集中并網和分布式電源帶來電源結構性變化,電網“雙高、雙峰”特征日益凸顯,電力電子裝備、電纜、GIS設備等大量接入系統,輸變電設備狀態管控難度越來越大。采用新型智能傳感、邊緣計算、數字孿生、泛在物聯等技術對設備運行狀態進行感知識別,依托輸變電物聯網平臺實現設備實時監測、設備異常分析、虛擬巡視管理,并對設備隱患進行自主決策處理,是實現輸變電設備高效運維檢修的重要途徑。

1 輸變電設備主動感知技術

目前,國內外基于物聯網的輸變電設備狀態主動感知技術研究尚處于起步階段,通常利用設備智能傳感技術、邊緣計算技術、數字孿生技術、泛在物聯網技術進行設備狀態主動感知和智能化管控。通過設備多維度關鍵狀態參量的梳理,建立基于多參量多維度的設備狀態評估模型,基于云邊協同的物聯網智能邊緣物聯代理裝置實現異構跨域網絡互聯互通,構建對物理實體形狀和運行特性的映射,形成物理實體數字化鏡像,結合大數據和人工智能分析,以設備狀態監測為基礎,評估設備運行趨勢。

1.1 設備智能傳感技術

電網設備在正常運行時和故障前后,通常會伴有“電、聲、光、化、熱”等多種特征信息,通過對設備不同的特征信號開展帶電檢測或在線監測,可以感知和分析設備狀態[1]。傳統傳感器技術包括:電氣量感知技術、聲振感知技術、光電感知技術、化學感知技術、熱學感知技術。目前感知傳感器普遍存在成本高、體積大、安裝不便等問題,迫切需要研究小型化、低成本、安裝方便的感知終端,如微型電場傳感器、磁阻電流傳感器、局部放電空間定位傳感器等。基于帶電檢測和在線監測的油中溶解氣體、電容型設備介損、泄漏電流、局部放電、紅外和紫外等檢測技術應用愈加廣泛,也取得了較好的效果。但針對近年來頻發的斷路器滅弧室、變壓器套管、有載分接開關、GIS等設備的突發性故障,仍然缺乏有效可靠的感知預警手段[2]。與傳統在線監測裝置比較,物聯網傳感器具有類型多、單價低、布置靈活、即裝即用、維護工作量小等優勢,可方便實現多狀態量、高風險設備和復雜環境的全覆蓋監測,且易于低成本復制推廣。

1.2 邊緣計算技術

電力行業具有終端設備接入多、服務對象廣泛、數據量大等特點,如果終端設備產生的數據全部上傳至云端處理,一方面會造成云端計算壓力過大,另一方面會造成過大的網絡帶寬消耗。此外,現有設備的分布式安裝使得許多終端設備和傳感器的安裝位置比較偏僻,網絡傳輸條件普遍不好,無法滿足原始數據的大批量遠程傳輸。而邊緣計算技術在靠近物或數據源頭的一側,采用網絡、計算、存儲、應用核心能力為一體的開放平臺,就近提供最近端服務。其應用程序在邊緣側發起,產生更快的網絡服務響應,滿足在實時業務、應用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求。邊緣計算處于物理實體和工業連接之間,或處于物理實體的頂端,這使得邊緣計算具有靠近數據源、實時性好、低時延、響應快和數據安全性高的特征。

1.3 數字孿生技術

以航空航天為代表的離散制造業是數字孿生技術應用的發源地,數字孿生體是一個集成了多物理場、多尺度和概率仿真的數字系統,可以通過逼真物理模型、實時傳感器和運行情況來反映真實對象的實際狀況。電力數字孿生技術將“大云物移智鏈”等現代信息網絡技術與設備運檢業務深度融合,以全息多維感知、遠程智能巡檢轉變設備狀態獲取方式,以多源數據融合分析轉變設備狀態管控方式,以三維數字孿生轉變人與設備交互方式,以信息全流程貫通升級運檢業務管控模式,提升輸變電設備的風險防控能力和精益運檢能力,保障大電網安全運行。

1.4 泛在物聯網技術

利用物聯網技術將無處不在的末端設備、傳感器和智能設備,通過各種通信網絡實現互聯互通,采用適當的信息安全保障機制,提供安全可控的實時在線監測、報警聯動、預案管理、遠程控制、決策支持等管理和服務功能,實現對電網設備“運、檢、控”一體化。應用邊緣物聯代理設備,將采集到的數據進行實時處理,進行本地優化控制、故障自動處理、負荷識別和建模等操作,把加工匯集后的高價值數據與云端進行交互,云端進行全網的安全和風險分析,進行大數據和人工智能的模式識別、節能和策略改進等操作。同時,如果遇到網絡覆蓋不到的地區,可以先在邊緣側進行數據處理,在有網絡的情況下將數據上傳到云端,云端進行數據存儲和分析。此外通過引入邊緣計算節點,還能為云端規避多種采集設備帶來的多源異構數據問題[3]。基于物聯網的電網設備狀態智能感知傳感裝置、物聯網智能邊緣物聯代理裝置、變電物聯網高級應用平臺實現變電設備狀態實時感知、精準評價、智能研判、云端協同和遠程管理,形成電力物聯網“云、邊、端”的一站式解決方案。

1.5 設備狀態評估技術

輸變電設備檢修大致經歷了故障后檢修-預防性檢修-狀態檢修的發展歷程,當前狀態檢修是建立在對設備狀態監測和設備狀態評估基礎之上。設備狀態監測包括在線監測、帶電檢測、離線檢測及停電試驗等手段,目前變電設備機械特性、氣體組分、局部放電、紅外測溫、油色譜,輸電設備微氣象、舞動、桿塔傾斜、覆冰舞動、導線溫度、電纜環流等監測技術都取得重大突破,已經形成相對完善的在線監測系統。設備狀態評估是根據某一時刻在線監測的特征量與前期監測的結果進行縱向比較分析,與同類設備或同一設備不同相在線監測的結果進行橫向比較,并結合歷年離線檢測試驗數據和運行經驗,對故障類型嚴重程度及原因等做出綜合判斷,預測出設備繼續運行的剩余壽命,給出維修策略及方法的建議。設備評估需要考慮到運行維護、帶電檢測、在線監測、試驗記錄、故障記錄、設備管理、設備檢修、廠家產品性能等諸多方面,最后要綜合設備信息、運行信息、電力市場等方面信息做出檢修決策[4]。隨著電網數字化、智能化水平不斷提高,輸變電設備狀態監測技術已逐漸推廣應用,為實施輸變電設備狀態監測與評估奠定了良好的基礎。

2 輸變電設備主動感知技術的應用難點

2.1 傳感器研制

電網設備關鍵狀態參量多,傳感器需要形成設備“電、聲、光、化、熱”等特征參量信息集合,構建基于多參量多維度的設備狀態評估模型;研究設備狀態特征參量提取技術,針對不同的數據特性,提出針對性的特征提取方法。新型傳感器克服“小型化、低成本、安裝方便”問題后還需解決“低功耗、高可靠性”不足問題,同時實現設備狀態特征參量提取、數據快速高效上傳,支撐“云-邊”系統進行設備狀態感知和評估。

2.2 邊緣物聯代理裝置研制

邊緣物聯代理裝置需滿足異構跨域網絡互聯互通技術要求,實現多標準通信協議的適配和轉換,滿足物聯網傳感終端接入和數據交互需求。當前邊緣物聯裝置的研發尚未聚焦在電力行業,多從硬件架構、軟件模型層面開展研究工作,而且實現方式差別較大,尚未形成體系化的產品。

電力邊緣物聯代理裝置需要完成基于云邊協同的電網設備物聯網邊緣計算框架和邊緣計算算法的開發,就地實現電網設備運行狀態精準評價和缺陷異常智能研判[5]。

2.3 物聯應用平臺開發

電網設備物聯網高級應用平臺應基于電網設備數字化模型和設備運行狀態信息開發,具備設備實時監測、設備異常分析、虛擬巡視管理等功能。建設基于數字孿生技術的三維可視化系統,開展設備狀態智能診斷與評價研究,依據設備缺陷處理流程和設備狀態檢修策略,實現設備故障原因的準確診斷和檢修輔助決策建議。

3 輸變電設備物聯網技術架構

依據國家電網有限公司《輸變電設備物聯網建設方案》,輸變電設備物聯網整體架構分為4個層級,感知層、網絡層、平臺層和應用層,如圖1所示。

圖1 輸變電設備物聯網整體架構示意

3.1 感知層

感知層由物聯網傳感器、傳感器網絡、匯聚節點、邊緣物聯代理組成,實現傳感信息采集和匯聚,分為傳感器層與數據匯聚層兩部分。在傳感器層,微功率無線傳感器、低功耗無線傳感器與匯聚節點或邊緣物聯代理之間的傳輸協議符合《電力設備傳感器微功率無線接入網通信協議》、《輸變電設備物聯網節點設備無線組網協議》,支持Lo Ra通信方式。在數據匯聚層,匯聚節點接收傳感器的數據,并將傳感器的數據通過Lo Ra發送至邊緣物聯代理;邊緣物聯代理接收傳感器或匯聚節點的數據,經過邊緣計算后,再通過電力光纖網發送至安全接入網關,經安全接入網關轉發至物聯網平臺層管理系統。

匯聚節點與匯聚節點、匯聚節點與邊緣物聯代理之間的通信協議符合《輸變電設備物聯網節點設備無線組網協議》。采用標準化的匯聚節點和邊緣物聯代理,根據不同的應用需求構建不同組網方式,如圖2所示。

架空輸電線路安裝氣象、金具/導線溫度、導線弧垂、微風振動、桿塔傾斜、舞動和導線電流等傳感器,實現輸電線路狀態和環境參量的全面監測,如圖3所示。

圖3 架空線路感知層設備拓撲圖

變電站內安裝變壓器振動、套管介損、高頻局放、鐵心接地電流、SF6壓力微水、特高頻局放、開關柜超聲局放、觸頭溫度、電容器形變等設備狀態參量傳感器,實現主設備狀態全面監測,安裝煙感、氣象、溫濕度、水浸等傳感器,實現變電站環境量的全面監測,如圖4所示。

圖4 站內設備感知層設備拓撲圖

在電纜隧道內安裝溫濕度、水位、煙感、廊體結構監測、分布式光纖測溫、電纜護層環流、電纜局部放電等傳感器,實現電纜運行環境和本體運行狀況監測,如圖5所示。

圖5 電纜感知層設備拓撲示意

3.2 網絡層

網絡層由電力APN通道、電力光纖網通信通道及相關網絡設備組成,為輸變電設備物聯網提供高可靠、高安全、高帶寬的數據傳輸通道。

在變電站輔助設備監控系統接入服務器,通過Ⅱ區調度數據網、以IEC104協議接入變電站輔助設備集控系統;在變電站增加協議轉換裝置,與輔助設備監控系統主機通過以太網RJ45接口通信,通信協議采用DL/T 860—2006《變電站通信網絡和系統》標準通信,與在線監測裝置采用DL/T 860—2006《變電站通信網絡和系統》標準通信,與消防、安防、環境、照明等控制器采用自定義協議通信。在變電站增加運檢網關機,通過調度數據網向輔助設備集控系統遠傳輔助設備四遙數據信息、聯動信息;在變電站增加縱向加密裝置,保證輔助設備數據安全傳輸。如圖6所示。

圖6 變電站輔助設備監控系統接入

架空設備物聯網數據以2.4 G Lo Ra信號接入桿塔上安裝的匯聚/接入節點,節點以加密芯片硬加密方式,將加密的密文以4 G方式通過APN通道接入到物聯安全接入網關,經安全隔離后進入信息內網,以MQTT協議接入公司物聯管理平臺,最終在管控物聯網應用模塊進行展示。電纜隧道內傳感器,以微功率無線通信協議接入標準匯聚節點,并通過光纜實現與站端接入節點通信,同時滿足寬帶視頻信號的傳輸。

3.3 平臺層

平臺層匯集底層數據,實現物聯網設備管理、邊緣計算配置和海量數據存儲,并提供物聯網中臺數據交互接口。按照電力物聯網建設要求,所有傳感器均應接入省電力公司級統一物聯管理平臺,利用物管平臺MQS組件將數據推送到相關應用系統。

3.4 應用層

應用層對物聯網感知數據進行高級分析與應用,實現信息共享和輔助決策。通過業務中臺和數據中臺,實現站端物聯網數據、PMS2.0、OMS等數據的全面融合,完成物聯網感知設備管理、運檢邊緣算法管理、感知數據管理、物聯總覽、站線狀態、機器人協同巡檢、站端視頻展示等功能。

輸變電設備物聯網通過感知層將設備與傳感器深度互聯,實現設備狀態全面感知;通過網絡層對感知數據進行可靠傳輸,實現信息高效處理;通過平臺層匯集物聯網底層數據,實現物聯網設備管理、邊緣計算配置和海量數據存儲,為各類生產管理和業務管控系統提供數據支撐;通過生產管理系統調取設備臺賬等基礎數據,在應用層對物聯網感知數據進行高級分析與應用,數據流向如圖7、圖8所示。

圖7 變電設備數據流向

4 典型應用場景

隨著智能運檢體系深化建設,加上泛在網絡、人工智能、邊緣計算等物聯網新技術在堅強智能電網建設中的逐步應用,輸變電設備物聯網進入跨界融合、集成創新和規模化發展的新階段。

4.1 基于物聯網架構的變壓器智能化

在運變壓器數量龐大,無法應用內置傳感器,采取布置簡單的外置物聯網傳感器、無線化表計、站端監控等可方便實現狀態量、環境量、運行數據的采集,與站端接入節點(邊緣物聯代理)部署的負載、冷卻、絕緣、局放等模型算法配合,即可實現變壓器狀態智能診斷,與云端高級應用結合可實現設備歷史數據、同類設備數據等比對分析,更有助于提升在運變壓器的狀態管理水平,并且方案成本低,易復制。

從落實“基于不停電檢測的狀態檢修策略”對設備狀態參量的監(檢)測需求出發,合理制定物聯網傳感器優化配置策略,在站端邊緣物聯代理部署專業化邊緣算法群,使其兼具智能主IED功能,發揮物聯網全面快速感知和云邊協同等技術優勢,實現“傳統設備+傳感器+邊緣物聯代理+云端系統”的深度融合,推動傳統設備智能化升級,見圖9。

圖9 變壓器物聯應用結構示意

4.2 基于物聯網的智慧檢測體系

基于統一規約規范,開展了20余類停電、帶電檢測儀器無線化、智能化、集控化改造,配合設備臺帳、人員信息、實物ID等標準庫,借助互聯網大區信息通道,實現設備臺賬自動獲取、數據就地診斷、報告自動生成、結果遠程回傳,初步構建了運檢專業智慧檢測體系,有效提升工作質量和效率,見圖10。

圖10 設備檢測流程示意

4.3 變電設備物聯數據融合應用

采用“數字孿生”理念,通過高精三維模型融合邊緣代理運行數據、監測數據、環境數據、視頻等盡可能全面地以三維孿生體模擬變電站內設備、人員、作業狀態,實現全站級到區域級、設備級無級縮放,“一張圖”看全局。當發生異常告警時可在三維場景中快速定位到告警設備、人員,并展示告警關聯作業或設備數據、歷史告警及缺陷、視頻等,進行輔助分析[6];利用虛擬巡視開展遠程巡檢,通過融合實景視頻三維場景,全景感知設備狀態,見圖11。

圖11 數字孿生告警信息

4.4 以物聯網技術實現運維替代

以全方位物聯網感知替代傳統檢測和在線監測,以表計數字化遠傳替代傳統人工抄錄,以紅外和可見光雙視裝置替代人工外觀巡視,配合運檢移動互聯工作平臺應用,實現機器人+視頻聯合巡檢,見圖12。

圖12 聯合巡檢機器人

5 結束語

感知層設備是電力物聯網建設的基礎,其性能和可靠性決定了建設目標的實現程度,需要持續地研發投入和現場驗證反饋,是一個長期不斷迭代完善的過程,無法一勞永逸。狀態全面感知、智能診斷、主動預警等技術的應用可使運維工作更具針對性,使設備管理由被動變主動、由現場實施變遠程操控。輸變電設備物聯網建設遵循開放式統一架構,可為創新應用提供可靠、豐富的搭載平臺和落地場景,極大激發基層員工創新活力。

采用新型傳感、邊緣計算、數字孿生等技術,通過數字化、信息化、智能化的深度融合,研究基于物聯網的電網設備狀態管控技術,可以支撐電網實現智慧、精益化運維,降低人員投入,提高管理效率,對實現數字化主動電網建設有極大推進作用。