基于物联网的变电设备监控系统研究

王胜辉 王伟杰 郭旭 兰五胜

摘 要：针对目前变电站在线监测感知层设备存在设计规范和接口不统一，设备和设备之间、设备和系统之间交互性差等问题，本文提出基于物联网的变电设备监控系统，明确变电设备物联网整体架构、规范监测设备和数据汇聚设备的物理接口、通信方式、通信协议，提高变电设备在线监测设备的标准化、可靠性及智能化水平，满足泛在电力物联网建设需求。

关键词：变电站在线监测;物联网;整体架构;标准化

中图分类号：TM633 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）14-0022-03

The Substation Equipment Monitoring System Based On Internet of Things

WANG Shenghui WANG Weijie GUO Xu LAN Wusheng

（XJ Electric Co.， Ltd.，Xuchang Henan 461000）

Abstract： Aiming at the problems of inconsistent design specifications and interfaces， poor interaction between equipment and equipment， equipment and system， etc. existing in on-line monitoring and perception layer equipment of substation， this paper proposed a substation equipment monitoring system based on the Internet of Things， which clarified the overall structure of the Internet of Things of substation equipment， standardizes the physical interface， communication mode and communication protocol of monitoring equipment and data gathering equipment， and improved the performance of the system. The standardization， reliability and intellectualization level of on-line monitoring equipment for substation equipment could meet the construction requirements of ubiquitous power Internet of Things.

Keywords： substation on-line monitoring;the Internet of Things;the overall architecture;standardized

1 研究背景

物联网是继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮，而变电设备物联网是物联网在变电设备领域的融合应用。随着边缘计算、网络泛在化等新型物联网技术在电网中的逐步应用，变电设备物联网已经迈入了规模化、集成化和跨界发展的新阶段。2018年12月举办的中央经济工作会议将加强物联网等新型基础设施建设作为2019年的重点工作，为以后的产业发展指明了方向。国网公司在2019年3月工作会议中提出了“三型两网”的新时代战略目标，明确将泛在电力物联网作为下一步的重点工作，为电网安全经济运行、经营绩效提高、服务质量提升及战略性新兴产业培育发展等提供强有力的资源支撑[1]。目前，变电站内的在线监测系统已经非常完善，可根据需要安装不同类型的传感器，实现变压器、GIS、容性设备和低压开关柜的状态感知，然后统一接入辅助设备，统一监控系统[2-4]，但不能满足泛在电力物联网中对感知层设备泛在接入能力的要求，设备和设备之间、设备和系统之间交互性差，仅支持阈值分析、趋势研判等基础设备状态评估功能。随着智能运检体系的深化建设，智能感知、不同种类的机器人和无人机等设备的深入应用，使得基于人工智能技术的状态评估和诊断技术得到了极大的发展和应用。结合目前现状，从全方位感知，泛在化连接、开放性共享、业务融合和创新发展四个方面进行建设和提升，实现变电设备状态的全方位感知，提高数据的自动采集和获取能力、数据综合利用效率，并提出基于物联网的变电设备监控系统，按照感知层、网络层、平台层和应用层建设变电设备物联网，实现变电设备的全方位感知、精确状态评估和科学决策，提高变电设备管理的智能化水平、管理效率和安全水平[5]。

2 整体方案

变电设备的监控系统主要包括设备和周边环境。其中，设备主要包括变压器、断路器（GIS）和避雷器等。为提高系统数据的利用效率、系统可靠性和泛在接入能力，提出基于物联网的变电设备监控系统。系统可分为四个部分，即感知层、网络层、平台层和应用层，如图1所示。

变电设备的物联网全面感知、数据预处理、简单状态评估通过不同类型的智能传感器和节点实现;传感数据的高速、可靠传输通过网络层的设备和网络实现;数据和设备管理、数据存储和边缘计算的配置、下发通过平台层的设备实现;最后由应用层实现对采集到的数据的高级分析和应用，不仅要实现信息共享，而且要根据采集的信息进行状态评估和预警，并提供辅助决策。感知层由各类物联网传感器及传感器节点、汇聚节点、接入节点等网络节点组成，具备变电设备监测信息采集和汇聚、边缘计算与内网回传功能。其中，物联网传感器包含微功率无线传感器、低功耗无线传感器和有线传感器三种。传感器通信网络由各类节点设备共同组建成，包括微功率/低功耗无线传感网和有线传输网络的混合网络，实现传感器网络的全兼容和全覆盖接入，同时还可根据需求配置边缘计算功能。网络层是变电设备物联网的数据传输通道，通过电力光纤网、电力专网和电力APN等不同方式，实现感知层设备监测信息和节点边缘计算结论信息接入平台层。平台层对接入的各类物聯网传感器、汇聚节点和接入节点等设备进行集中管理，对采集到的海量数据进行存储和预处理，通过边缘计算实现设备的运行状态评估和预警。应用层配置高级数据分析功能，对众多类型的传感器数据进行统一管理，支持基于大数据、人工智能等先进技术的复杂诊断算法，支持算法模块的灵活配置和调用，为电网运检智能化提供相应数据支撑和分析结果[1，5]。

3 站端接入节点

站端接入节点实现变电站内设备监测信息接入、数据分析、综合评估、故障预警和趋势研判，可灵活配置复杂边缘计算模型，同时接入站内电流、电压等设备运行信息及设备异常告警信号，实现变压器、GIS开关、容性设备及低压开关柜信息的评估分析、状态预警和趋势预测。当状态量异常时，站端接入节点应主动向上层网络调用异常设备相关数据，实现该设备的历史数据纵向分析，并主动向上层网络调用和异常设备同类的设备信息，实现该设备的横向比较，实现变电设备的自主快速感知和预警[5]。

4 变压器监控子系统

汇聚节点（变压器）通过微功耗/低功耗无线网络、有线网络汇聚油色谱、局部放电、铁芯接地电流、光纤测温和油中微水等智能传感器监测信息，并配置简单边缘计算功能，进行变压器数据预处理、阈值诊断、设备纵横比分析和故障预警等简单边缘计算;具备与接入节点交互的功能，能将监测参量和评估信息上送，同时能接收接入节点下发的边缘计算配置信息，如图2所示。

其中，油色谱实现变压器油中H2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C2H2和CO2七种故障气体的测量，支持三比值法、大卫三角形法、产气率等成熟的诊断模型，对变压器故障性质及类型进行综合诊断;局部放电监测装置完成变压器局部放电的在线监测和故障诊断，当有放电发生时，装置启动生成PRPD、PRPS图谱，并将放电时产生的数据通过循环存储技术进行存储;铁芯接地电流监测单元实现变压器/夹件电流的实时测量和故障诊断;光纤测温通过预置在变压器内部绕组的测温元件，对绕组进行测温和预警;油中微水完成变压器油中微量水分的在线监测和预警。

5 断路器（GIS）监控子系统

汇聚节点（断路器）通过微功耗/低功耗无线网络、有线网络汇聚SF6泄露、局部放电、气体压力和机械特性等智能传感器的监测信息，并配置简单边缘计算功能，具备数据预处理、阈值诊断等功能，如异常则调用平台层存储的操作次数、带电检测、停电试验、不良工况等数据以及同厂同型设备信息，进行综合分析，对设备缺陷严重程度和类型进行初步诊断，主动推送预警信息，如图3所示。

其中，SF6泄露完成环境中SF6气体的在线监测，防止环境中有害气体聚集;局部放电完成断路器（GIS）局部放电的在线监测和故障诊断;气体压力监测通过监测断路器（GIS）内部的温度和气体压力，完成气体密度的在线监测和预警;机械特性在线监测完成断路器（GIS）的形成-时间特性、分合闸线圈电流等实时监测和状态预警。

6 变电站运行环境监控子系统

通过对变电站内安装的烟雾、温湿度、水位等传感器，对变电站的运行环境进行实时的状态感知，在有风险时及时推送预警信息。根据安装位置、场所重要程度布置有线/无线传感器（例如，在电缆沟等低洼处布置多个无源无线水浸传感器），各类传感器信息发送至汇聚节点，具备简单边缘计算功能;传感器信息和汇聚节点的评估及控制信息上送至接入节点，接入节点可灵活配置复杂边缘计算模型，实现环境信息的评估分析、状态预警和趋势预测。同时，部分汇聚节点具备智能调节与智能控制功能，结合传感器信息和控制要求，实现风机、水泵和灭火等装置的联动，如图4所示。

根据烟雾传感器等实现火灾隐患的监测和预警，并且与灭火装置进行智能联动，在有火灾隐患时及时报警和自动灭火;通过SF6气体传感器对变电站内的有害气体进行实时监测和预警，并与风机进行联动，降低环境中的有害气体含量;通过在电缆沟等低洼处安装水浸传感器，对水浸情况进行实时监测和预警，并和水泵进行联动，及时排出积水。

7 结论

基于物联网的变电站监控系统通过明确变电设备物联网整体架构的四个层级，即感知层、网络层、平台层和应用层，并且规范油色谱、铁芯接地电流、局部放电、避雷器、SF6密度等監测设备和数据汇聚设备的物理接口、通信方式、通信协议，可有效解决传统变电站在线监测感知层设备存在设计规范和接口不统一，设备和设备之间、设备和系统之间交互性差等问题，提高变电设备在线监测设备的标准化、可靠性及智能化水平，满足泛在电力物联网建设需求。

参考文献：

[1]陈麒宇.泛在电力物联网实施策略研究[J].发电技术，2019（4）：99-102.

[2]吴志鹏，杨苹，姜新宇，等.在线监测信息系统结构层次设计与实践[J].电子学报，2018（46）：2803-2807.

[3]范少杰.智能变电站主设备在线监测系统的研究与设计[J].电工技术，2018（24）：28-29，31.

[4]杨涛.浅谈变电站一次设备在线监测系统技术研究[J].科技风，2018（34）：195.

[5]蔡月明，封士永，杜红卫，等.面向泛在电力物联网的边缘节点感知自适应数据处理方法[J].高电压技术，2019（6）：1-8.