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)

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局 張克宇

隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的變電運(yùn)檢模式主要運(yùn)用設(shè)備自動技術(shù)達(dá)到運(yùn)檢目的，但隨著部分企業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)提升，傳統(tǒng)的變電運(yùn)檢模式已無法滿足企業(yè)的發(fā)展，雖然能夠降低人工成本、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，但其弊端也逐漸明顯，狀態(tài)感知體系不完善、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、業(yè)務(wù)融合度不夠。這就導(dǎo)致在傳統(tǒng)的變電運(yùn)檢模式下，容易出現(xiàn)裝置運(yùn)行不穩(wěn)定，導(dǎo)致設(shè)備管理不能達(dá)到智能化、信息化、精益化[1]。

一旦運(yùn)檢模式出現(xiàn)問題，由于檢測過程較為復(fù)雜繁瑣并依舊需要人工進(jìn)行排查，一旦遭遇惡劣天氣，不僅對運(yùn)檢工作造成極大的困難、降低運(yùn)檢效率，對運(yùn)檢人員的生命也存在極大的威脅。對于這一現(xiàn)狀，要發(fā)展新型變電運(yùn)檢模式，對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行研究，將智能傳感器運(yùn)用到變電站中，對變電站中的變壓器、組合電器、開關(guān)柜等設(shè)備進(jìn)行檢測，建造更為智能、高效以及安全的運(yùn)檢系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)技術(shù)路線

一般變電站是按照互動感知、開放互聯(lián)、融合分析三項原則，通過對變壓器、組合電器、開關(guān)柜等設(shè)備的控制，根據(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》，搭建感知層、傳輸層、平臺層以及應(yīng)用層四大變電站智能運(yùn)維輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而建立智能物聯(lián)網(wǎng)變電站系統(tǒng)，全面提高變電站的運(yùn)檢效率[2]。

1.1 感知層

由麥克風(fēng)、人體傳感器、聲控傳感器、燈控傳感器等各種傳感裝置組成，主要目的是感知設(shè)備外的實時狀態(tài)，并對信號進(jìn)行識別捕捉，是物聯(lián)網(wǎng)接受信息的重要接入口。目前最主要的方式是通過EPC技術(shù)及RFID技術(shù)完成對信息的采集以及自動化識別。感知層在整個運(yùn)檢模式中尤為重要，需有較強(qiáng)的靈敏度，在運(yùn)檢模式中對不同傳感器以及采集裝置進(jìn)行控制，從而能及時獲得物體在不同環(huán)境下存在的行為特征以及相關(guān)數(shù)據(jù)[3]。為確保感知層的數(shù)據(jù)真實可靠且具有時效性，在捕捉到信息后，感知層再通過光線通信以及無線傳感器將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞，保證信息傳遞效率。

在變電站感知層中，主要包括微功耗無線傳感器、低功耗無線傳感器、傳統(tǒng)有線傳感器、其他智能輔助傳感器[4]。圖1中接入節(jié)點(diǎn)的作用是整個變電站感應(yīng)層中無線感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)中的控制中心，主要任務(wù)是對所有節(jié)點(diǎn)以及感應(yīng)器中所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和管理，并在終端配置智能計算功能，通過多通道數(shù)據(jù)同步計算等方法整理數(shù)據(jù)，再由接入節(jié)點(diǎn)連接的光纖、VPN等通訊手法對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸至電網(wǎng)管理平臺。

圖1 變電站組網(wǎng)方案

微功耗無線傳感器。具有對各種傳感器信號采樣處理功能，可用一個模塊同時在線采集包括溫度、濕度、壓力、電流、電壓、開關(guān)、頻率等多種混合參數(shù)，并無線發(fā)送至收發(fā)器；可接受并處理來自收發(fā)器的控制輸出信號；短距離間歇收發(fā)數(shù)據(jù)可使用電池作為工作電源等特點(diǎn)[5]。在變電站中微功耗無線傳感器通過微功率無線網(wǎng)接入，主要檢測變電站中的溫度、濕度以及頻率等，再將所有數(shù)據(jù)匯聚起來并接入到節(jié)點(diǎn)。

低功耗傳感器。主要接收具有連續(xù)傳輸信息，比如局部超聲波、局部特高頻率、漏電電流等變電站運(yùn)檢信息，對于這些需采用低功耗無線傳感器與接入口連接感應(yīng)支持節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)協(xié)議，或通過一個或多個節(jié)點(diǎn)匯聚所有信息，再接入控制器與網(wǎng)絡(luò)層對接。

有線傳感器。是最可靠的系統(tǒng)之一，因為它們直接將傳感器鏈接到接收輸入的設(shè)備。這意味著有線傳感器也是最耐用的系統(tǒng)，不需要經(jīng)常更換。在該變電站系統(tǒng)中主要應(yīng)用于避雷器泄露電流等地方，將智能電子設(shè)備與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，并將匯聚節(jié)點(diǎn)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接或直接連入端點(diǎn)；其他智能輔助傳感器主要針對于攝像頭、大型機(jī)器、環(huán)境監(jiān)測等傳感器，這類傳感器可直接通過智能節(jié)點(diǎn)與端點(diǎn)進(jìn)行連接。

1.2 傳輸層

最主要的作用是傳遞與輔助控制，對感知層中所采集傳遞來的信息，通過電力光纖、VPN、無線寬帶以及電力線載波通信等通信和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至平臺層，通過設(shè)備接入完成數(shù)據(jù)傳送與轉(zhuǎn)接。其主要目的是保證信息的安全性與準(zhǔn)確性。傳輸層還可輔助應(yīng)用層對數(shù)據(jù)提前做一步篩選與分析管理工作[6]。該步驟主要依托于傳輸層具有接入網(wǎng)和核心網(wǎng)兩個層面，該層面能為電網(wǎng)系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)之間提供聯(lián)系，物聯(lián)網(wǎng)在電網(wǎng)系統(tǒng)傳輸層的輔助下，可更好的傳輸控制信息，使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在通信網(wǎng)絡(luò)的作用下能夠高速的運(yùn)作，保證其應(yīng)用質(zhì)量。

1.3 平臺層

將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，并將最后的結(jié)果放入數(shù)據(jù)庫中，該技能主要依托于平臺層具有的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理、邊緣計算配置、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲這三大基本功能[7]。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理是對物聯(lián)網(wǎng)中感應(yīng)傳輸數(shù)據(jù)的傳感器以及相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理調(diào)控，接收通訊網(wǎng)絡(luò)所承載的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理調(diào)控[8]。再利用邊緣計算配置對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、清洗、分配，再將整理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，再將最后的數(shù)據(jù)儲存在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中。在這一過程中，平臺層能夠具有較強(qiáng)的彈性擴(kuò)展應(yīng)用功能，可大量接收物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸與接入，在此平臺上實現(xiàn)數(shù)據(jù)感知、分析計算、管理存儲，最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送分享功能。

1.4 應(yīng)用層

在應(yīng)用層分為基礎(chǔ)設(shè)備和應(yīng)用設(shè)施，基礎(chǔ)設(shè)備主要是為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供信息處理以及計算支持，應(yīng)用設(shè)施主要是通過對智能計算、模式識別的應(yīng)用與干預(yù)，對平臺層所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理計算。并與各個應(yīng)用管理系統(tǒng)連接建立聯(lián)系，對平臺層所傳輸儲存的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和管理，將整合后的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在終端，完成變電站設(shè)備各項數(shù)據(jù)的實時分析與推送[9]。

圖2 輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

2 應(yīng)用場景

220kV變電站建造物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)，著重建造物聯(lián)網(wǎng)感知層，主要針對于變電站中的變壓器、組合電器、開關(guān)柜等設(shè)備，全面部署物聯(lián)網(wǎng)傳感器，其中包括溫度、濕度、振動頻率、超聲波、局部漏電放電等多個微功耗無線傳感器、低功耗無線傳感器、傳統(tǒng)有線傳感器、其他智能輔助傳感器，并建立接入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)形成組網(wǎng)。匯聚節(jié)點(diǎn)和接入節(jié)點(diǎn)通過接入管理各類信息，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算控制[10]。再由接入節(jié)點(diǎn)通過通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)如VPN、電力光纖等方式傳輸，保證信息數(shù)據(jù)的安全性及準(zhǔn)確性，將信息數(shù)據(jù)傳輸至平臺層，在平臺層對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分配管理，再由平臺層將數(shù)據(jù)傳輸至電網(wǎng)智能運(yùn)檢系統(tǒng)中，對最后的數(shù)據(jù)進(jìn)行展示和分析，確保變電站能夠穩(wěn)定運(yùn)行，從而實現(xiàn)變電站運(yùn)檢系統(tǒng)的智能化。

對變電站進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器的部署中，通過對電力系統(tǒng)以及設(shè)備、整體變電站運(yùn)營環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測可看出，通過對溫度、濕度等各種傳感器進(jìn)行檢測可實時監(jiān)控變電站內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，感知變電站狀態(tài)，對變電站內(nèi)出現(xiàn)的異常能夠及時預(yù)警，并在應(yīng)用層能直接對變電站狀況進(jìn)行三維展示，更好地診斷管理分析變電站設(shè)備運(yùn)行狀況。

綜上，電網(wǎng)作為我國最重要的技術(shù)之一，將物聯(lián)網(wǎng)和電網(wǎng)進(jìn)行結(jié)合是目前主要發(fā)展趨勢，物聯(lián)網(wǎng)可通過各種信息傳感器準(zhǔn)確捕捉采集各種信息，并將所有信息進(jìn)行匯總，再與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，實現(xiàn)在任何時間、空間、地點(diǎn)，信息都能夠互相連通，形成巨大的信息網(wǎng)絡(luò)，有利于對人或事物進(jìn)行識別、定位、跟蹤。而電網(wǎng)主要是利用物聯(lián)網(wǎng)這一性能，為電網(wǎng)提供一個具有擴(kuò)展性、適宜性的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，推動電網(wǎng)逐漸向智能化、信息化、綜合化方向不斷發(fā)展。