高压输变电设备状态监测系统设计

包震洲，雷怡俊，肖龙

（浙江省电力公司 紧水滩水力发电厂，浙江 丽水 323000）

0 引言

随着科学技术的不断发展，各类在线监测设备不断增多。而各系统在数据的采集、上传、存储、应用及信息的发布等方面缺乏一个统一的平台，同时由于监测设备本身可靠性低等原因，也阻碍了监测技术在智能电网中的推广应用。因此，需要建立具有数据采集、存储、计算、联网、信息交换和自治协同能力的一体化智能监测装置及平台，并制定相关标准规范。

目前对高压设备运行状态综合评估的研究取得了一些成绩，但评估目标单一，难以起到有效的作用［1－3］。由于高压设备受到包括电、热、机械、化学、微气象和地理环境等众多因素的影响［4］，使得评估模型十分复杂。因此，需要研究输变电设备多状态信息的集成、共享、协同处理关键技术，建立规范化的输变电设备信息集成平台。

物联网包括传感器网络、感知标签、全球定位系统、宽带通信等［5］。基于物联网的高压输变电设备状态监测是实现变电站与输电线路设备信息感知与设备之间的信息交换与通信的网络。电网安全运行与设备状态信息具有紧密联系［6］，基于物联网的监测系统必定是一个在物理空间和信息空间具有强关联性和高度混杂性的网络［7］。设备状态监测物联网在分析设计、运维优化、高级应用等方面存在诸多技术难题，迫切需要全面深入地研究面向智能监测的输变电设备物联网的信息模型、组织构架、自治机理、信息安全保障机制、内在优化机制等一系列问题。

1 基于物联网的设备状态监测系统架构与功能

基于物联网的输变电设备状态监测为分层分布体系架构，由智能感知层、数据通信层、信息整合层、智能应用层构成。智能感知层主要通过有线和无线传感网络、RFID等技术手段实现对输变电设备状态信息的采集、感知、识别［8］;数据通信层提供透明的数据传输和对网络的支持;信息整合层实现对网络获取的输变电设备信息的汇聚、存储、处理、融合和发布等功能;智能应用层采用智能计算、模式识别等技术，实现输变电设备的状态评估和风险评估。

该系统功能如图1所示，高压系统的状态通过无线传感器网络和有线网络反馈回监测中心，监测中心传输给计算机中心根据来自高压系统的实时信息不断修正仿真模型参数以提高仿真精度，仿真结果又将通过监测中心对高压系统实施控制，从而实现相互影响和相互操作。

基于物联网的高压设备状态监测主要应考虑以下几个的问题:（1）输变电设备运行工况的复杂性;（2）系统协议适配复杂性;（3）输变电设备信息数据的模型和格式差异性;（4）系统整体成本。

2 高压输变电设备的状态评估技术体系

监测系统中每一个传感器都被赋予一个独一无二的代码EPC（Electronic Product Code），将这个代码存储在电子标签中，同时将这个代码所对应的传感器详细信息存储在RFID信息服务系统的服务器中［9］。

图1 基于物联网高压设备状态监测系统功能

图2 高压输变电设备状态评估系统框图

由于输变电设备状态信息高度异构、分散孤立、接口方式复杂，采用多源信息的抽取方法影响数据的存储和处理，因此需要建立高效的数据抽取算法，实现信息的汇聚和融合。确定信息间关联规则，挖掘内在关联，为整个输变电设备物联网提供数据支撑，实现信息的有效集成。为解决监测系统信息的“漏斗效应”［10］，利用模糊逻辑技术、数据挖掘分类技术（神经网络、支持向量机等），建立高压输变电设备的健康状态评估系统，系统体系结构如图2。

系统分析变压器、断路器、互感器、电力电缆和架空线路等输电设备的热老化、电老化、机械老化和化学老化的机理，建立多环境因素联合老化条件下的设备状态评估方法。对基于变电设备故障的因果模型进行研究，总结不同类型故障的发展规律，研究能够真实反映变电设备状态的量化评估方法，并综合考虑环境因素以及运行经历对变电设备的影响，建立完整的变电设备状态评价体系。

3 实现的关键技术

（1）基于物联网的输变电设备一体化监测智能组件

由于受到距离和电源的限制，考虑研究适应于高压设备状态监测RFID的分层结构。按照高压输变电设备的监测量和周边环境，考虑主阅读器、低级阅读器和移动阅读器的分布情况。同时综合考虑由主IED及多个独立的状态参数IED组成的具有信息采集、数据存储、智能分析、数据通信和本地控制能力的一体化监测智能组件。

（2）高压设备信息采集的无线传感器射频技术（RFID）

研究支持超高频的传感器 RFID标签系统，满足ISO/IEC18000－6REV1协议，使传感器的RFID标签系统可以提供从遥感实时的RFID传感器标签获得的高压设备实时数据监控功能。应用无线传感器的RFID标签管理技术，实现平台的可扩展性、可视化、跟踪和动态感知的功能。所设计的RFID传感器标签系统可以显示的是存储在RFID传感器标签系统内存中的历史数据，针对阅读器的分层结构一层次化组织、管理数据流，具有数据的搜集、过滤、整合与传递功能，并最后将数据传输到总的控制器。根据所需监测的高压设备的不同监测参量构建基于无线传感器网络的分层分布式高压设备在线状态监测模块如图3所示。

图3 结合无线传感器的RFID高压设备监测模块

（3）输变电设备状态信息模型及模型适配策略

输变电设备状态信息模型是横跨输变电设备智能监测的全业务、多层次数据模型，包括输变电设备台帐信息、工况信息、状态信息、地理信息及环境信息等。需要收集和归纳现有输变电设备在引入IEC国际标准和RFID/EPC物联网技术基础上，通过对象化模型扩展方法，建立能够涵盖输变电设备的状态信息一体化模型，研究基于RFID/EPC的设备本体信息模型、基于IEC61850可扩展的状态监测模型、基于IEC61970的电力资源模型和电力资产模型，为状态数据采集、传输、存储和分析提供标准化支撑。

基于输变电设备物联网的物理空间、信息空间和应用空间，考虑建立输变电设备的多源异构全景信息模型及模型适配策略。基于IEC61850与IEC61970/61968的输变电设备统一规范的全景信息表征方法及体系，扩展其物理空间和信息空间属性，实现状态信息模型在应用空间的扩展。针对不同业务阶段的分层模型之间存在的属性、数据类型和关联关系等模型异构问题，研究基于设备EPC唯一标识码多模型转换、适配和融合策略，在此基础上研究设备状态数据在分层体系中的迁移、集成、存储和共享方法。

（4）面向服务的信息整合平台

基于物联网的高压设备监测的全景信息平台与电网规划、调度指挥等众多电网运行及管理信息系统进行数据的共享和透明访问时，交互信息高度异构，接口各不相同。如何实现异构数据库转换方法和透明访问机制，构建标准应用程序接口，灵活地适配各种电网运行及管理信息系统所需的接口，实现“即插即用”是主要的发展方向。

4 结束语

基于物联网技术的高压设备监测将推动智能化发展，同时利用物联网的信息聚合技术处理采集、感知和识别的海量终端信息，通过数据融合等一系列关键技术，消除信息冗余，提供更精确、全面的信息。本文主要介绍了利用物联网实现从设备的建模到设备故障分析，从设备的监测到设备的检修，从网络的安全到网络的风险评估，从独立运行计算到整合分布计算的优化控制。本文还从理论基础、仿真算法、安全可靠方面讨论了基于物联网的高压设备监测需要解决的重要问题。

建立输变电设备物联网三个平面（传输平面、数据平面、控制平面）的协同网络模型和状态信息的三维度空间（物理空间、信息空间、应用空间）关联模型和描述方法，研制集RFID、GPS等模块的输变电设备的一体化监测智能组件是输变电设备状态监测系统的发展方向。

［1］国家电网生［2008］269号文件:《关于印发国家电网公司设备状态检修管理规定（试行）》和关于《规范开展状态检修工作意见》的通知//国家电网公司设备状态检修规章制度和技术标准汇编［S］.北京:中国电力出版社，2008:12－14.

［2］史保壮，史轶华.高压设备在线监测系统技术条件的原则框架［J］.高电压技术，2005，31（6）:24－28.

［3］邹建明.在线监测技术在电网中的应用［J］.高电压技术，2007，33（8）:203－206.

［4］赵书涛，李宝树，崔桂彦，等.基于计算机视觉的远程变电站状态监测与诊断新策略［J］.电网技术，2005，29（6）:63－67.

［5］ Luigi Atzori，Antonio Iera，Giacomo Morabito.The Internet of Things:A survey［J］.Computer Networks，2010，54（15）:2787 －2805.

［6］赵增华，石高涛，韩双立，等.基于无线传感器网络的高压输电线路在线监测系统［J］.电力系统自动化，2009，33（19）:80－84.

［7］ Meyer G G，Framling K，Holmstrom J.Intelligent Products:A survey［J］Computer in Industry，2009，60（3）:137－148.

［8］宁焕生，张瑜，刘芳丽，等.中国物联网信息服务系统研究［J］.电子学报，2006，34（12）:2514－2518.

［9］甘勇，郑富娥，吉星，等.RFID中间件关键技术研究［J］.电子技术应用，2007，33（9）:130－132.

［10］ EPCglobal，EPC Radio－ Frequency Identity Protocols Class－1 Generation－2 UHF RFID Protocol for Communications at 860MHz－960MHz Version 1.1.0 ［S］.EPC global Inc，2005.