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

陳振曉++劉前進(jìn)++林健雄

摘 要：變電站的安全可靠運(yùn)行對(duì)于電網(wǎng)發(fā)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(shè)備故障診斷分析的智能化程度與智能電網(wǎng)對(duì)智能變電站的要求還存在一定差距。文中針對(duì)變電站現(xiàn)有的一些問題提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)四層架構(gòu)體系的變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括感知層、裝置層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層。其中，數(shù)據(jù)層具有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的特點(diǎn)；裝置層具有解決通信接口異構(gòu)性問題的功能。通過對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在變電站設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)和巡檢管理等方面的需求與具體的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行研究，并對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能變電站的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；在線監(jiān)測(cè)；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)共享；巡檢管理

中圖分類號(hào)：TP39；TM64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）09-00-03

0 引 言

變電站作為電力系統(tǒng)的重要節(jié)點(diǎn)，負(fù)擔(dān)著電能變換與電力重新分配的重要責(zé)任，對(duì)電網(wǎng)的高效、安全運(yùn)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(duì)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(cuò)且不利于數(shù)據(jù)共享。

對(duì)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(cè)[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(gè)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(duì)站多人少、狀態(tài)檢修程度不高、數(shù)據(jù)孤立等現(xiàn)實(shí)存在的問題，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，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(duì)其在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、巡檢管理等方面的實(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，將現(xiàn)實(shí)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(jí)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(cè)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(shí)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(cè)量對(duì)象和參數(shù)種類多、測(cè)量精度要求高等問題，傳感器需要具有以下特點(diǎn)：

（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(wú)線傳感器的電池壽命問題。

1.2 標(biāo)識(shí)與編碼技術(shù)

現(xiàn)有電力行業(yè)中的條形碼類標(biāo)識(shí)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(shí)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(shí)比較容易損壞，給儀器的識(shí)別帶來(lái)困難[10]。這兩個(gè)問題分別用以下方法解決：

（1）標(biāo)識(shí)。使用RFID（射頻識(shí)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(shí)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(jí)（10位）->設(shè)備（11～13位）的標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)，對(duì)其中一些安防等設(shè)備可以歸到一個(gè)間隔進(jìn)行編號(hào)。

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(wú)線設(shè)備自組網(wǎng)，匯集節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)期運(yùn)行是物聯(lián)網(wǎng)各部分長(zhǎng)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(lái)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(duì)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(cè)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(cè)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(dòng)傳感器、RFID電子標(biāo)簽等對(duì)變壓器、電容器、電感器、線路等一次設(shè)備以及測(cè)控裝置等二次設(shè)備的運(yùn)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(wú)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(cè)量母線機(jī)械振動(dòng)時(shí)，由于絕緣等原因宜采用無(wú)線通信方式；測(cè)量變壓器參數(shù)時(shí)，其電磁環(huán)境比較復(fù)雜，可能會(huì)對(duì)無(wú)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(lái)的一個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用層、監(jiān)測(cè)主站以及供電局等可以直接通過Web訪問申請(qǐng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)整合存儲(chǔ)層主要有如下作用：

（1）對(duì)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(dòng)向高級(jí)應(yīng)用上傳數(shù)據(jù)；

（2）存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；

（3）作為高級(jí)應(yīng)用的數(shù)據(jù)源，上級(jí)監(jiān)測(cè)中心、監(jiān)控后臺(tái)等在需要數(shù)據(jù)時(shí)向其發(fā)起數(shù)據(jù)請(qǐng)求以獲取數(shù)據(jù)，達(dá)到數(shù)據(jù)共享的目的。endprint

2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層中主要對(duì)站內(nèi)所有設(shè)備實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、故障診斷、狀態(tài)評(píng)估、輔助決策與資產(chǎn)管理以及變電站的安全管理等高級(jí)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(tái)觀測(cè)，也可以在供電局、監(jiān)測(cè)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(cè)。

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

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站在線監(jiān)測(cè)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(tái)：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(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的持久化存儲(chǔ)；具有服務(wù)器的功能，后臺(tái)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(qǐng)求的數(shù)據(jù)。

（3）IED裝置：實(shí)現(xiàn)異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)的接口統(tǒng)一；對(duì)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(tái)上傳。

3.1 變電站設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)

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(yùn)行中設(shè)備的各種狀態(tài)，無(wú)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(lái)越大，人們對(duì)電力的要求也越來(lái)越高，原有的檢修方法已不適應(yīng)未來(lái)的需求。為了適應(yīng)未來(lái)的需要，應(yīng)實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備從“到期必修”向“應(yīng)修必修”轉(zhuǎn)變[13]。要實(shí)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(duì)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(cè)，實(shí)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(diǎn)：

（1）手工記錄容易出錯(cuò)，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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)從人工巡檢到無(wú)人巡檢的轉(zhuǎn)變，因此有必要研究從人工到無(wú)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(shí)查看相應(yīng)設(shè)備的信息，同時(shí)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(shí)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(huì)即時(shí)上傳到巡檢管理后臺(tái)；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(huì)提示下一個(gè)巡檢地點(diǎn)和項(xiàng)目，指定路線上如果存在漏檢，則會(huì)告警提示。

4 結(jié) 語(yǔ)

變電站作為電力系統(tǒng)的重要節(jié)點(diǎn)，變電站的安全可靠運(yùn)行對(duì)于電網(wǎng)的發(fā)展具有重要意義。本文針對(duì)現(xiàn)有變電站在巡檢、設(shè)備運(yùn)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(gè)數(shù)據(jù)整合預(yù)處理中心，有利于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，提高信息利用率。

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)，不僅可以提高供電的可靠性，通過在線監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)捕獲異常信號(hào)，提前預(yù)判電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)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(cè)避免損失，實(shí)現(xiàn)“計(jì)劃?rùn)z修”到“狀態(tài)檢修”的轉(zhuǎn)變。同時(shí)更能減少人為失誤，在線數(shù)據(jù)相對(duì)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(duì)信息二次處理的工作量，減少人為錯(cuò)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)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉建明，李祥珍，張冀英，等.物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2012.

[2]尹成，夏云峰，楊武.信息物聯(lián)網(wǎng)在輸變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)， 2015（6）：187-188.

[3] Shen X， Cao M， Lu Y， et al. Life cycle management system of power transmission and transformation equipment based on Internet of Things[C].Electricity Distribution （CICED）， 2016 China International Conference on. IEEE， 2016.

[4]高彩亮.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安全工器具智能管理系統(tǒng)[J].科技廣場(chǎng)， 2013（12）：40-44.

[5] Kraijak S， Tuwanut P. A survey on IoT architectures， protocols， applications， security， privacy， real-world implementation and future trends[C].International Conference on Wireless Communications， NETWORKING and Mobile Computing. IET， 2015.

[6]楊璇. 基于物聯(lián)網(wǎng)和智能化看應(yīng)用設(shè)計(jì)前景和要求[J].廣東技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)， 2011， 32（12）：29-31.

[7] Qu H M， Tao X S. Application of Internet of Things in Monitoring System of Intelligent Building[J].Applied Mechanics & Materials， 2013：2832-2836.

[8] Du C S， Nie W. The Internet Of Things In Coal Enterprise Application And Discussion[J]. Shandong Coal Science & Technology， 2013， 9（11）：1-6.

[9] X Ren， Y Yue，W Xu， et al. System architecture design of the Internet of Things based on ZigBee[C].IEEE， IEEE International Conference on Cyber Technology Automation， 2012.

[10]彭澎.輸變電設(shè)備管理中物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用[J].自動(dòng)化應(yīng)用， 2015（10）：89-90.

[11]黃天聰，鄧禮力，薛武，等.輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及拓?fù)浞治鯷J].高電壓技術(shù)，2015， 41（12）：3922-3928.

[12]王毅剛.淺談變壓器在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)在智能變電站的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用， 2015（34）：194.

[13]王紅星，黃曙，馬凱，等.智能變電站間隔層設(shè)備在線式自我狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].廣東電力，2013， 26（10）：69-74.endprint