物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在變電站在線監(jiān)測中的應(yīng)用研究

引 言

變電站作為電力系統(tǒng)的重要節(jié)點，負(fù)擔(dān)著電能變換與電力重新分配的重要責(zé)任，對電網(wǎng)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(shè)備故障診斷分析的智能化程度與智能電網(wǎng)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(shù)據(jù)共享。

對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在變電站中設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)測[2]、資產(chǎn)全生命周期管理 [3]、安全工器具管理 [4] 等方面的應(yīng)用已有不少研究，但在設(shè)備編碼、數(shù)據(jù)格式等方面還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，形成了數(shù)據(jù)孤島，不利于數(shù)據(jù)共享。本文針對站多人少、狀態(tài)檢修程度不高、數(shù)據(jù)孤立等現(xiàn)實存在的問題，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，提出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在變電站應(yīng)用的四層架構(gòu)體系，并對其在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、巡檢管理等方面的實現(xiàn)方法進(jìn)行研究。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是建立在計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上，利用先進(jìn)的傳感技術(shù)和通信技術(shù)等實現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，將現(xiàn)實世界和網(wǎng)絡(luò)空間進(jìn)行連接的一種網(wǎng)絡(luò)[5,6]。從信息的采集到應(yīng)用，將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)分為智能感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和高級應(yīng)用層[7-9]。但將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到變電站監(jiān)測中還需解決一些關(guān)鍵問題。

1.1 智能傳感器技術(shù)

智能傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系的底層，起著物體識別與狀態(tài)感知的作用。鑒于智能變電站中的電磁環(huán)境比較復(fù)雜、測量對象和參數(shù)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(qiáng)，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(biāo)識與編碼技術(shù)

現(xiàn)有電力行業(yè)中的條形碼類標(biāo)識容易損壞，且在編碼上還存在差異，不利于電力設(shè)備的管理、信息共享。目前設(shè)備標(biāo)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(huán)境中的電力設(shè)備，標(biāo)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(biāo)識。使用 RFID（射頻識別）技術(shù)不僅可以解決上述問題，還可以借用RFID的通信距離進(jìn)行大致定位，實現(xiàn)巡檢的管理等。

(2) 編碼。借用現(xiàn)有的智能變電站的架構(gòu)劃分，按照變電站（1～6位）-> 間隔（7～9位）-> 電壓等級（10位）-> 設(shè)備（11～13位）的標(biāo)準(zhǔn)編號，對其中一些安防等設(shè)備可以歸到一個間隔進(jìn)行編號。

1.3 通信技術(shù)

智能變電站所需通信終端的數(shù)量多，數(shù)據(jù)傳輸量大，所處環(huán)境復(fù)雜，因此需要通信設(shè)備具有低功耗，無線設(shè)備自組網(wǎng)， 匯集節(jié)點能夠適應(yīng)IEC61850 等變電站通信標(biāo)準(zhǔn)，兼容現(xiàn)有通信接口等。

1.4 電源技術(shù)

電源的可靠、長期運行是物聯(lián)網(wǎng)各部分長期、可靠工作的重要保障。電源技術(shù)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(fēng)能、熱電偶發(fā)電等方式；

(2) 高效的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在紋波要求不高的數(shù)字電路部分可以采用開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在對紋波較敏感的模擬電路部分宜采用開關(guān)電源+LDO 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

(3) 電源應(yīng)具有自我診斷、修復(fù)或者告警功能。

2  基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站在線監(jiān)測架構(gòu)體系

借鑒物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的三層架構(gòu)體系以及智能變電站三層兩網(wǎng)的架構(gòu)體系，為解決通信接口的異構(gòu)性問題，滿足數(shù)據(jù)共享的需要，形成了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在變電站在線監(jiān)測應(yīng)用中的四層架構(gòu)體系。該四層架構(gòu)體系從下往上依次為感知層、裝置層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層。其體系結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

2.1 感知層 

智能感知層和物聯(lián)網(wǎng)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(biāo)簽 等對變壓器、電容器、電感器、線路等一次設(shè)備以及測控裝 置等二次設(shè)備的運行狀態(tài)、周邊環(huán)境狀態(tài)、地理位置、自身 屬性信息等各種狀態(tài)與屬性進(jìn)行感知，為供電局、監(jiān)控主站以 及本站的應(yīng)用層提供必要的數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)。

2.2 裝置層 

裝置層具有解決通信接口異構(gòu)性問題的能力。變電站設(shè) 備眾多，且各自所處的環(huán)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(gòu)性，例如測量母線機(jī)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(shù)時，其電磁環(huán)境比較 復(fù)雜，可能會對無線通信產(chǎn)生干擾，宜采用有線通信方式。 2.3 數(shù)據(jù)層 

數(shù)據(jù)層是為了數(shù)據(jù)共享而分解出來的一個數(shù)據(jù)服務(wù)器， 應(yīng)用層、監(jiān)測主站以及供電局等可以直接通過 Web 訪問申請 數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)整合存儲層主要有如下作用：

（1）對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，將數(shù)據(jù)分類及進(jìn)行必要的格 式處理等，將其標(biāo)準(zhǔn)化，可主動向高級應(yīng)用上傳數(shù)據(jù) ； 

（2）存儲數(shù)據(jù) ； 

（3）作為高級應(yīng)用的數(shù)據(jù)源，上級監(jiān)測中心、監(jiān)控后臺 等在需要數(shù)據(jù)時向其發(fā)起數(shù)據(jù)請求以獲取數(shù)據(jù)，達(dá)到數(shù)據(jù)共 享的目的。

2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層中主要對站內(nèi)所有設(shè)備實現(xiàn)在線監(jiān)測、故障診斷、狀態(tài)評估、輔助決策與資產(chǎn)管理以及變電站的安全管理等高級應(yīng)用[11]。應(yīng)用層的軟件架構(gòu)采用B/S 形式，不僅可以在站內(nèi)后臺觀測，也可以在供電局、監(jiān)測主站等遠(yuǎn)程終端上使用瀏覽器直接進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在變電站在線監(jiān)測中的應(yīng)用

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖 2 所示。關(guān)鍵部分應(yīng)具有如下功能：

(1) 應(yīng)用后臺：應(yīng)用軟件架構(gòu)采用 B/S模式，可在遠(yuǎn)端通過瀏覽器直接訪問應(yīng)用并獲取結(jié)果。

(2) 數(shù)據(jù)服務(wù)中心 ：實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的持久化存儲；具有服務(wù)器的功能，后臺或者遠(yuǎn)端可以使用HTTP協(xié)議與其直接建立連接和通信；能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，響應(yīng)并返回遠(yuǎn)端請求的數(shù)據(jù)。

(3) IED裝置 ：實現(xiàn)異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)的接口統(tǒng)一；對感知層上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，正常數(shù)據(jù)直接上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)中心， 異常數(shù)據(jù)向應(yīng)用后臺上傳。

3.1 變電站設(shè)備狀態(tài)檢測

目前，電力設(shè)備的維護(hù)通常是使用定期預(yù)試和檢修的方法，在一定程度上能夠解決設(shè)備的部分缺陷，但這種定期預(yù)試和檢修方式不能反映運行中設(shè)備的各種狀態(tài)，無法提前預(yù)知突發(fā)性故障[12]。目前，電力系統(tǒng)的規(guī)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(yīng)未來的需求。為了適應(yīng)未來的需要，應(yīng)實現(xiàn)電力設(shè)備從 到期必修 向 應(yīng)修必修 轉(zhuǎn)變[13]。要實現(xiàn)這種方式的轉(zhuǎn)變就要利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及故障診斷技術(shù)，對變壓器、母線、電容器、避雷器等電力設(shè)備進(jìn)行在線狀態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)設(shè)備的突發(fā)性故障預(yù)告，從而達(dá)到 應(yīng)修必修 的目的。

3.2 變電站巡檢管理

目前大多數(shù)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(shè)備詳細(xì)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(guān)負(fù)責(zé)人或其他檢修人員的及時共享；

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

鑒于目前大多數(shù)變電站仍采用人工巡檢的模式，且難以實現(xiàn)從人工巡檢到無人巡檢的轉(zhuǎn)變，因此有必要研究從人工到無人巡檢的過渡過程。在設(shè)備上裝有 RFID標(biāo)簽與手持終端部分。通過手持終端可以即時查看相應(yīng)設(shè)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(jìn)行巡檢。具體巡檢管理的實現(xiàn)流程如圖 3所示。

首先進(jìn)行登記，領(lǐng)取巡檢任務(wù)和手持終端；然后開展巡檢業(yè)務(wù)，巡檢過程使用手持終端進(jìn)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(jié)束歸還手持終端，并確認(rèn)巡檢結(jié)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(jié) 語

變電站作為電力系統(tǒng)的重要節(jié)點，變電站的安全可靠運行對于電網(wǎng)的發(fā)展具有重要意義。本文針對現(xiàn)有變電站在巡檢、設(shè)備運行等方面存在的一些問題，提出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在變電站中的四層應(yīng)用架構(gòu)體系。裝置層在于解決通信接口異構(gòu)性的問題；數(shù)據(jù)層作為一個數(shù)據(jù)整合預(yù)處理中心，有利于實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，提高信息利用率。

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測，不僅可以提高供電的可靠性，通過在線監(jiān)測實時捕獲異常信號，提前預(yù)判電力設(shè)備的運行狀態(tài)，實現(xiàn)狀態(tài)檢修，避免發(fā)生故障，還可以降低成本，通過故障預(yù)測避免損失，實現(xiàn) 計劃檢修 到 狀態(tài)檢修 的轉(zhuǎn)變。同時更能減少人為失誤，在線數(shù)據(jù)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(xiàn)，更能增加巡檢結(jié)果的佐證材料，有利于規(guī)范巡檢管理，避免漏檢出現(xiàn)。