张彩友，邹 晖，冯正伟，焦晨骅，刘 晋，刘 勋
张彩友, 邹晖, 冯正伟等. 500 kV 变电站泛在电力物联网应用技术研究[J]. 浙江电力, 2019, (8):17-22.
近年来，大数据、云计算、物联网、移动互联、人工智能、5G 通信等新兴技术的应用正在不断推动社会生产力进步，而电力行业作为基础产业，一直以来把主要投入放在电网网架和电网设备上，推动了坚强智能电网建设，但对发展最快最普遍最社会化的如物联网等新兴技术的应用和探索还很不够，正所谓泛在电力物联网落后于坚强智能电网建设。
随着电网规模的快速增长，如果不能做到对电网设备状态、状况实时管控，就会造成设备事故居高不下、安全生产如履薄冰的被动局面。因此，通过开展泛在电力物联网建设，利用一系列新兴技术，系统化考量、无死角覆盖，达到对输变电设备状态的全面、实时、无间断管控，以“物联设备”管控“电网设备”，由此解决输变电设备故障事件高发、责任性事件层出不穷、人力资源紧张等问题。
本文以500 kV 变电站智能物联网综合应用系统的设计、开发和试点建设为例，开展了泛在电力物联网技术在变电站中的应用研究，以期为后续500 kV 变电站泛在电力物联网的建设和应用提供参考和借鉴。
目前，变电站内视频监控系统、机器人巡检系统、常规辅控系统、安防周界系统等各类生产辅助系统众多，各类系统仅仅实现了部分数据采集、设备监控、辅助巡检等基础功能[1]。各类系统间相对独立，应用场景不完整，在数据共享、信息互动、智能决策、智能联动等高级应用方面尚存在较大提升空间。因此，急需一套变电站智能物联网综合应用系统，通过采集多维度的大数据，实现以“变电站作业任务为导向”的高级应用和数据分析功能。
变电站智能物联网综合应用系统融合视频监控、在线监测、安防周界、消防监视、环境监测、红外成像、巡检机器人等多种物联网应用，实现各类物联网应用间的信息纵向融合、数据横向贯通、服务高度集成，规范、可靠、丰富、灵活地实现各业务应用间的信息共享和数据整合，并利用大数据分析、智能算法、图像识别等技术实现设备表计自动读取、断路器及隔离开关分合状态自动识别、异常告警智能分析、巡检任务自动开展等高级功能[2]。在系统开发中采用B/S 架构设计，系统结构如图1 所示，通过电力专网实现数据的远程传输和访问，满足变电站一级部署、运维主站及公司多级应用的系统需求。
变电站智能物联网综合应用系统整体架构如图2 所示，系统采用分层、分布式结构设计，可分为感知层、网络层、平台层和应用层。底层的各级子系统采用独立组网、独立计算的方式，后台系统与感知层设备间通过有线电力专网、1.8G无线专网和LoRa 无线网络等通信网络进行数据传输，系统具有终端泛在接入、平台开放共享、计算云边协同、数据驱动业务、应用随需定制等技术特征。整个系统采用中心计算与边缘计算相结合的方式，提高数据处理效率，降低系统中心服务器负载[3]。各子系统和感知设备完成各类数据的采集、计算、分析等前端处理工作，实现数据的边缘端处理；系统后台中心服务器完成全景大数据的融合、分析及处理，实现中心端的数据分析[4]。
图1 系统结构示意
图2 系统整体构架
物联网系统中的消防、安防、灯控等传统变电站辅助设备与物联网系统间通过智能接口设备以DL/T 860 标准协议进行通信；视频监控设备采用标准国网B 接口与物联网系统进行通信[5-6]；巡检机器人的数据通过专用SDK（软件开发工具包）协议进行数据传输；主变压器（以下简称“主变”）振动、油色谱监测数据经专用服务器处理后以IEC 61850 协议与物联网系统进行通信；物联网系统通过正向隔离装置接收变电站站控层SCADA（监控与数据采集系统）/人机操作员站的各类遥测、遥控、遥信数据，实现主辅设备间的实时联动、数据分析功能，为一键式远程顺控提供断路器、隔离开关位置识别的双重判据。
系统感知层主要包括变电站的工业视频摄像机、智能巡检机器人、变压器振动监测、变压器油色谱监测、无线温湿度传感器、火焰探测器、消防管道压力传感器以及常规辅控系统检测传感设备等多种状态感知设备。通过采用各类型传感器、摄像机、控制器等设备，采集变电站前端的主设备状态数据，监测变电站主设备健康状态，为变电站智能物联网综合应用系统高级应用提供基础数据来源。
视频监控摄像机作为变电站物联网系统中的主要感知设备，是实现变电站一、二次主设备健康状态全面感知、设备状态自动巡检的重要手段[7]。在摄像机选型时，应综合考虑变电站现场安装位置和实际业务需求。本方案中综合利用高清红外球机、双目云台、可变焦枪机、定焦小筒机、双光谱云台、全景鹰眼等多类型设备实现变电站一次设备的全覆盖（详见表1）。其中，利用高清红外球机、双目云台、全景鹰眼实现设备外观、分合指示、设备油位的全面监视；利用可变焦枪机、定焦小筒机一对一的方式监测各类设备表计；利用多台双光谱云台全面覆盖主变35 kV 部分电抗器、电容器等无功设备区。摄像机应采用立杆安装与高空构架安装相结合的方式，实现高空俯视、地面仰视的多角度覆盖，为断路器、隔离开关的分合位置判别提供多源判据。
表1 摄像机配置
变压器在线监测设备主要包括变压器油色谱分析、铁芯夹件接地电流、超声波局放、本体振动等[8]。变压器振动监测与故障诊断系统结构如图3所示，通过部署变压器振动监测传感器与故障诊断程序，对运行中的变压器进行实时在线监测与状态评估，及时发现变压器异常、故障及损伤，预防变压器发生突发事故[9-10]。在每台变压器8个位置测点采集振动信号，用多振动测点的特征矩阵来表征变压器整体机械振动状态，变压器振动检测法是一种有效方法，对变压器的机械结构特征反映灵敏。在排除直流偏磁、过负荷运行等异常工况后，提取变压器特定的振动特性参量，能够有效反映出绕组变形、松动和移位等机械结构参数的变化，从而判断绕组、铁芯是否失稳等变压器机械特性状况。
图3 变压器振动监测与故障诊断系统结构
变电站中的端子箱、机构箱、汇控柜等户外箱柜作为电气设备的重要附属设施，其安全稳定运行是变电站一次设备正常运行、二次设备正确动作的基本条件，户外箱柜一旦发生凝露、渗水、积水、潮湿等问题，将会直接导致各种一、二次设备的故障和缺陷。本方案通过在变电站户外箱柜内布置LoRa 无线智能温湿度传感器来实时监测箱柜内温湿度环境，传感器定时自动采集温湿度数据并上传给LoRa 网关，经由无线专网进入变电站智能物联网综合应用系统，若系统显示温湿度超过预警值，可实现自主报警，让运维人员第一时间作出应对措施。另外，采用LoRa 无线传输技术的智能温湿度传感器具有功耗低（电池可使用5～10 年）、传输距离远、免维护等特点。
消防类传感器设备主要包括火焰探测器、消防管道压力传感器、独立式感烟火灾探测器等。其中火焰探测器采用紫外和红外复合检测方式，借助1 颗日光盲型紫外传感器和2 颗低噪声红外热释电传感器，通过内置的32 位微处理器和专用信号处理算法，能真实识别出现场火焰，并通过4-20 mA 信号线接至系统智能接口装置，经规约转换后上传至物联网系统后台。消防管道压力传感器和独立式感烟火灾探测器均采用LoRa无线传输方式，采集数据经前端传感器处理后再上送至LoRa 网关，通过无线专网进入变电站智能物联网综合应用平台。
本系统采用有线专网、1.8G 电力无线专网、LoRa 无线网等组网方案解决系统各层级设备间的通信问题，实现感知层设备与系统平台的无缝对接。
1.8 G 电力无线专网采用1785-1805 MHz 频段通信，上下行时隙比按3：1 配置，单点最大上行速率12 Mbps，最大下行速率10 Mbps[11-12]。经无线专网传输的设备需要与南瑞加密芯片结合使用，对采集数据进行加密传输，最后经微型安全平台接入信息内网。本方案组网方式如图4 所示，它彻底解决了变电站巡检机器人以往通过自建无线WIFI 方式与巡检后台间进行通信所带来的信息安全问题，巡检机器人可通过1.8G 电力无线专网安全、可靠地接入信息内网，为巡检机器人数据与内网中各系统数据的互联互通提供了基础。另外，1.8G 电力无线专网中的安全接入平台从终端、网络、边界三个维度构建移动安全防护网，为移动应用、现场作业、数据采集、智能巡检等业务场景提供了传输通道，可有效防范无线终端、通信、信息内网系统的安全风险[13，15]。
LoRa 无线传输技术是一种远距离、低功耗、多节点的物联网无线通信技术，全球免授权无线频段主要有433/470/868/915 MHz，传输距离城镇可达2～5 km，郊区可达15 km[16]。本方案中采用国标版470 MHz 免授权频段，变电站内共部署3个LoRa 网关，最大支持同时接入2 000 个无线传感器，传感器电池寿命一般为3～5 年。本系统共部署LoRa 无线物联网传感设备600 余个，主要包括无线温湿度传感器、无源表计识别摄像头、无线水浸传感器、消防栓压力检测传感器等。
图4 电力无线专网应用
1.8 G 电力无线专网与LoRa 网关的组合应用如图5 所示，物联网传感器数据经LoRa 网关汇聚，由南瑞安全模块CPE（客户终端设备）加密后，通过电力1.8G 无线专网安全接入信息内网，彻底解决无线类传感设备接入电力系统内网的安全问题，为变电站内的物联网设备提供了安全、可靠的接入方式。
图5 无线专网与LoRa 组合应用
系统平台层前端应用采用B/S 架构开发设计，后端系统由千兆网络交换机、智能算法服务器、主系统服务器、LoRa 数据处理服务器等硬件设备组成，系统综合了物联网设备管理、数据应用分析和系统业务处理等功能，可实现对各类物联网传感器及节点设备的管理、协调与监控。主系统服务器与智能算法服务器、LoRa 数据处理服务器之间的业务通信采用基于Web Service 的应用程序接口，数据访问方式如图6 所示。智能算法服务器和LoRa 数据处理服务器作为数据分析服务端，主系统服务器作为数据使用方。当使用方发起数据分析请求时，数据分析服务端通过程序接口返回请求结果，并立即开展数据分析处理服务，数据处理完成后通过程序接口立即通知使用方并返回分析结果。另外，系统平台层部署开放式算法扩展坞，建立统一算法I/O 接口，满足传感数据类型多、诊断算法多样化的业务需求，为电网运检智能化分析管控系统和全业务数据中心等平台提供业务数据和分析结论。
图6 Web Service 数据访问方式
系统应用层开发以运维作业实际需求为导向，具备一次设备智能巡检、设备状态全面感知、设备操作智能联动等功能。
系统主要通过视频监控、巡检机器人等设备自动开展对断路器、隔离开关、变压器、电抗器、电容器等一次设备的外观检查、表计抄录、油位监视、分合位置识别等日常运维巡视工作，并自动对巡视结果进行分析处理、智能告警。系统可按照变电站运维专业要求，自动生成运维巡检报告，供运维人员远程浏览、判断。
系统利用主变在线监测传感器、视频监控、温湿度传感器等设备，实现变电设备状态的全方位自我实时感知，根据阈值等标准初步判断数据是否正常。当设备数据异常时，可通过系统实时获取该设备的所有信息，实现历史数据纵向分析、各相设备和同类同型设备横向比较，对设备状态进行初步诊断，从而实现设备状态的自主快速感知和预警。对于异常设备，及时向运行人员推送预警信息，调整状态监控策略，并上传至平台层进行更精确的诊断和分析。
变电站智能物联网综合应用系统与变电站站控层SCADA 系统通过正向隔离装置进行通信，SCADA 系统通过UDP（用户数据报协议）报文形式将遥控、遥信、遥测等一次设备的操作、告警信息传输至物联网系统。当SCADA 系统中操作一次设备时，物联网系统服务器收到相应的UDP报文后智能联动视频摄像机调阅相应的视频画面。当SCADA 系统一次设备出现SF6 告警、保护跳闸等重要信息时，物联网系统自动启动相应的巡检任务，为运维人员提供详细的巡检结果。
随着国网公司“三型两网”世界一流能源互联网企业建设要求的提出，泛在电力物联网建设已全面启动，通过泛在电力物联网的全面建设，为电网运行更安全、管理更精益、投资更精准、服务更优质开辟了一条新路。
本文结合500 kV 变电站泛在电力物联网系统的试点建设经验，探索研究了泛在电力物联网在变电站的技术应用，为泛在电力物联网在变电站中实际应用提供了参考、借鉴。
参考文献：（略）
DOI：10.19585/j.zjdl.201908003
文献标志码：B 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
作者简介：张彩友（1971），男，高级工程师，长期从事电力系统安全生产管理工作。
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