基于物联网技术的输变电设备状态监测研究

江大军

（西南石油大学）

基于物联网技术的输变电设备状态监测研究

江大军

（西南石油大学）

智能电网的实现建立对输变电设备重要运行参数实时掌控的基础之上。物联网具备强大的信息采集和交互能力，可作为智能电网环境下输变电设备状态监测的依托。文章首先就物联网的相关概念进行介绍；其次构建了基于物联网的输变电设备监测架构，该架构包含智能感知层、数据通信层、信息整合层和智能应用层，可达成全方位监控和深度感知；最后，就实现总体架构的各项关键技术进行逐一剖析。文章的研究为深化物联网技术在电力系统的应用起到抛砖引玉的作用。

智能电网；输变电设备；物联网；在线监测

0 引言

物联网（Internet of Things， IoT），即“物物相连的互联网”，自1999年被首度提出以来，已经演变成继信息互联网之后的新技术引擎。物联网与智能监测有天然契合性，世界各主要国家均制定了物联网研究和应用计划。

随着能源格局的变革和电网技术的发展，智能电网的概念逐渐被人们所认同。而智能电网的实现，极度依赖于对电网6环节（发、输、变、配、供、调）实时信息的精确掌控［1］。鉴于物联网的强大信息采集和交互能力，将其打造为智能电网“智能信息感知末梢”是可行而且必须的。

笔者结合多年工作经验，将着重研究基于物联网的输变电设备智能监测与全寿命周期管理，以期为智能电网建设抛砖引玉。

1 物联网技术概述

物联网是互联网应用的延伸，其目的就是借助“RFID、传感器技术、纳米技术和智能嵌入技术”等核心技术来对物品进行标签、感知、思考和微缩，并将处理结果与信息互联网连接在一起，方便对物品的识别与管理。当前，物联网发展出两种重要应用形式，即“M2M”（Machine to Machine，机对机 ）和CPS（Cyber-Physical System，信息物理融合系统）。

在物联网技术体系中，感知标识技术是支撑基础［2］，其实现对物理事件的感知与识别，主要含RFID、Rubee、EPC、二维码等技术门类。通信网络技术实现对感知信息的可靠、安全传输，网络有传感器网络、无线自组织网络（Ad-hoc）等，通信技术有无线保真、近场通信、ZigBee、蓝牙、通用无线分组业务等。物联网应用于输变电设备状态监测，将面临海量信息的融合、存储、挖掘等挑战，需要以“云计算”为代表的信息处理技术作为核心支撑。

2 基于物联网的输变电设备状态监控架构

输变电设备是电力系统的中枢，随着技术的发展，其越来越呈现出种类杂、数量大的特点，由此导致设备运行信息难掌控、检修计划难安排等问题。为了真正推进状态检修、科学减小设备运行风险，将物联网技术引入至输变电设备的状态监测是非常必要的。但因输变电设备的交织耦合特点，其物联网建设将着重解决物理层面和信息层面的强关联性以及高混杂性等问题［3］。为此需研究输变电设备的信息模型、网络架构、感知体系、通讯模型与接口规范、网络与信息安全等内容。而以上内容需由一个总体架构来统领。笔者根据国际上对物联网体系架构的研究成果，结合输变电设备全寿命周期管理的要求，提出如图1所示的具有通用性、起支撑规范作用的体系架构，该架构由智能感知层、数据通信层、信息整合层、智能应用层构成。

图1 基于物联网的输变电设备监控体系总体架构

1）智能感知层。该层负责采集输变电设备的运行状态数据和全寿命资产信息，如表1所示。

表1 输变电设备被感知信息内容示例

2）数据通信层。该层负责给解析数据提供传输通道，需具备异构网络接入支持、移动性支持等能力。根据信息上传过程，数据通信层应为“传感器网络层+变电站层+供电公司层”结构。其中：①传感器网络层为各类传感器、电子标签与智能终端之间建立连接通道，主要由光纤、宽带电力线载波等组成。②变电站层是基于IP分配的可扩展网，其负责将智能终端初步处理后的数据通过串口通信、LonWorks、CAN或光纤上传至变电站计算机监控系统。③供电公司层也是基于IP分配的可扩展网，其负责将各变电站信息汇集至输变电设备全景信息平台并提供纵向交互，一般需要光纤组网。

3）信息整合层。即输变电设备全景信息集成平台，应采用面向服务架构SOA及企业级服务总线来组建。该层通过对多源异构数据的特征提取和关联挖掘，实现海量数据的纵向整合与横向集成。

4）智能应用层。基于物联网的输变电设备状态监控不但要能获取足够的有效信息，还应契合状态评估、风险评估、预测预警等智能化需求。

3 关键技术分析

由上小节可知，基于物联网的输变电设备监控系统体系庞大、技术繁杂，需要做多方面关注。

3.1 编码和标识

当前，电力系统的编码主要分物资编码和设备编码两大类，由于它们的编码方式不统一，在使用过程中容易因部门差异而导致使用混乱；且其主要形式为纸质铭牌或条形码，识别距离局限于视野范围，所以容易受污秽、腐蚀因素作用而发生标识不清等现象。因此，当前的电力系统编码不宜用于基于物联网的输变电设备状态监测体系。

从物联网技术在物流监控、仓储管理等领域的应用成效来看，物联网标识技术EPC可作为输变电设备编码的新的尝试。EPC是EPC Global用来标识目标的特定代码，有64、96和256位3种（具体结构参照文献［4］）。EPC应用于输变电设备编码，需要结合以下层面：①国网公司对设备资产归属和类型划分习惯；②编码应同时满足物联网编码规则和电力行业编码规范要求，并与现有电力设备编码相关联；③编码方案的实现，需参照现有互联网和万维网的标识架构，并考虑后台解析、信息服务以及IPv6等影射问题；④编码数据库编制与编码完善同步推进；⑤需重点关注标识体系的安全性，引入标签数据加密、读写器权限、病毒防范等技术。

3.2 信息处理

智能电网环境下，所有类型信息均要求实现数字化和全网化，这样，输变电物联网上的数据量必然呈几何增长。为了解决海量数据的存储和应用，可引入“分级云计算”理念，详见图2所示。

图2 基于针对海量数据的分级云计算模型

另外，在设备故障判别等高层次诊断决策上要采用信息融合技术。鉴于输变电设备运行数据存在时空相关性和一定的不确定性，应利用概率统计、卡尔曼滤波、模糊逻辑等方法来消除信息中的噪声或冗余信息。

3.3 全景信息建模

基于物联网的输变电设备状态监测的终极目标是将输变电设备运行信息与基础数据进行有效整合、集成，并作深度挖掘，以为输变电设备运行管理提供科学的辅助决策。为了实现该目标，需要将具有多源、高度异构特征的上传数据用“对象类”和“属性”进行标准化标识，并以此建立拥有高度交互与共享能力的全景信息模型（也称全方位信息模型）。建模应基于IEC 61970、IEC 61968、IEC 61850等标准，采用CIM建模方法（使用UML语言、采用Rational ROSE工具）对电力资源模型、电力资产模型、业务工作模型以及公共安全模型进行扩展［5］。

3.4 安全保证

物联网是互联网的延伸，又吸纳了众多智能化设备，因此其安全问题尤为突出。基于物联网的输变电设备状态监测存在的安全威胁以及可采取的应对措施如表2所示。

表2 基于物联网的输变电设备状态监测的安全保证

4 结束语

电力系统正朝着智能电网的方向快速发展，传统的输变电设备状态监测已经不再适应时代的需要。物联网技术融合了计算机、通信和控制等多个学科，具备全方位、深度感知特性，将其应用于智能电网特别是输变电设备状态监测领域是具有广阔前景的。文章成功建立了分层分布式的输变电设备物联网体系架构，并对该实现该架构的“编码和标识”、“全景信息建模”、“信息智能化处理”、“安全威胁与措施”等几个核心技术进行探讨，提出研究内容及实施方向。文章的研究具有一定前瞻性，可为深化物联网技术在电力系统的应用起到抛砖引玉的作用。

［1］宁焕生， 徐群玉. 全球物联网发展及中国物联网建设若干思考［J］. 电子学报， 2010， 38（11）： 2590-2599.

［2］余贻鑫， 栾文鹏. 智能电网述评［J］. 中国电机工程学报，2012， 29（34）： 1-8.

［3］朱洪波， 杨龙祥， 于 全. 物联网的技术思想与应用策略研究［J］. 通信学报， 2010， 31（11）； 2-9.

［4］钱升， 杜佩仁. IEC/ClM模型在功能位置编码中的应用［J］. 电力信息化， 2004， 2（8） ： 79-81.

［5］刘昕， 徐格， 陈文龙，等. 融合物联网的下一代互联网体系结构研究［J］. 电信科学， 2011（11）： 66-70.

2016-06-23）