物联网技术在特高压变电站中的应用

屈延师，郭 凯，张高峰，岳雷刚，黄健金

（国网河南省电力公司检修公司，河南 郑州 450051）

0 引言

近阶段，国家电网有限公司提出“打造全业务泛在电力物联网”战略目标，打造能源流、业务流、数据流合一的能源互联网。国家电网有限公司将在继续建设运营好以特高压交流、特高压直流电网为网架、各级电网协调发展的坚强智能电网基础上，融合最新的物联网、人工智能、大数据存储和分析、云计算、移动互联网技术，提高国家电网系统的信息化、智能化、集约化水平，使国家电网能源、资源配置能力不断提升，减少弃风弃光，提高能源利用效率和质量。目前国家电网有限公司在特高压5G 应用、大数据应用、智能终端、国网云、物联管理平台、报表优化等方面开展泛在电力物联网建设试点，各项应用正在逐步落地。从特高压变电站设备运维的特点和要求出发，对物联网技术在特高压设备状态检测、故障智能诊断分析处理、运维管理等方面的应用前景进行分析，为变电站电力物联网建设提供参考。

1 泛在电力物联网分层体系架构

泛在电力物联网呈现出能量流、信息流与业务流互相耦合的特征［1］，未来电网的运营模式将有本质的跨越提升。泛在电力物联网分层体系架构由感知层、网络层、平台层、应用层组成，如图1 所示。

图1 泛在电力物联网分层体系架构

1.1 感知层

感知层是物联网的神经，通过采用各种各样的传感器采集电网实时数据。变电站感知层设备包括电压互感器、电流互感器、电能表、油气在线监测装置、油温表、油位表、液位表、风速表、震动测试仪、声音测试仪、智能机器人、智能红外可见光摄像头、智能充电桩、智能电器等各类终端。通过所获取的数据能够深度、精确、实时掌握电网全面运行状态，及时识别设备异常故障，评估电网设备安全风险等级，及时处理消缺，同时，通过灵活调整电网运行方式，优化生产、用能模式，提高电网对新能源消纳能力，强化电网的稳定性、灵活性、容灾性。

1.2 网络层

网络层是为物联网的各类型业务提供安全快捷的信道，分为内部专网和互联外网。具体的通信方式则根据工况、距离、成本、效率来选择，包含移动空中网、光纤、同轴电缆、Wlan、Zigbee 以及最新的5G 技术等。

1.3 平台层

平台层统一存储并管理能源侧、电网运行、用户等各种数据。解决传统运行方式信息零散、不集中的问题，实现信息互联互通，方便共享利用。通过搭建数据中心、云平台等方式实现数据的实时收集更新。

1.4 应用层

应用层基于收集到的电网数据与用户数据，针对用户及运营业务等，建立目标应用平台，实现电网、用户、电厂、新能源之间的应用落地，切实提高能源利用效率。

2 特高压变电站物联网建设前景

交流特高压变电站电压等级为1 000 kV，设备技术含量高、容量大（主变压器单相容量高达1 000 MVA）。特高压设备有变压器、高压并联电抗器、串联电容补偿装置、气体绝缘金属封闭开关设备、避雷器、电压互感器等。现场设备缺陷主要依靠人工巡检来发现，然而设备数量多，全面巡检一次时间长，很难做到实时监测；现场表计多种多样，主要依靠人工抄录来监测，抄录工作量大，抄录后数据还要靠人工录入比对，效率低下；特高压设备高度高（如串补平台高达12.5 m），人员很难查看设备上部运行状况，需要借助可见光和红外监测系统；现场监控系统、在线监测系统、串补平台红外测温、机器人巡检系统互不兼容，需要人工在各个系统之间比对分析，导致缺陷发现不及时，故障跳闸分析速度慢，影响事故处理速度；日常运维各种报表工作量大、重复性较多、效率低。因此，特高压变电站运行中设备运行状态评估、故障处理、运行管理等方面问题突出，同时，由于特高压变电站安全距离大，设备布置紧凑，作业人员安全管控问题突出。基于上述需求，建设特高压变电站物联网方案如图2所示。

图2 特高压变电站物联网建设方案

感知层由站域级边缘计算单元、站域级集成感知阵列、设备级感知网络和设备级感知传感器组成［2］。站域级集成感知阵列主要集成红外测温、视频、局部放电、色谱分析仪、声音传感器、震动传感器、气味传感器、遥测、机器人等设备实现对现场的测量，通过全球定位系统、北斗定位系统实现同步采样定位［3］。

平台层由电力设备云平台、站域级边缘计算单元组成，集成监控系统、在线监测系统、串补平台红外测温、机器人巡检系统等系统实现数据集中处理、联动，并能够对数据进行横向、纵向比对分析，深度挖掘，实现安全风险评估、异常智能报警，故障智能诊断，各种运行报表自动生成等功能。

特高压变电站物联网的应用主要包括对电网运行状态在线监测、安全风险评估、故障智能诊断分析控制处理、作业人员安全管控、主辅设备联动、智能化运行管理、备品资产精益化管理等方面。

2.1 设备状态在线监测

目前特高压变电站内在线监测系统包括变压器高抗油色谱、铁芯夹件电流、金属封闭气体绝缘开关设备局部放电、断路器动作特性、SF6密度、避雷器在线监测系统。各个系统之间以及与监控系统没有联系，难以对设备状态进行综合评估，需要依赖人工对数据进行汇总分析，采用日比对、周分析、月总结形式，工作量大且效率低下。通过物联网技术将各个系统融合，将各种数据传输到站域级平台进行分析和决策，能够使系统实时感知电力设备的运行状态，通过基于电网故障特征神经网络智能识别电气设备的正常、一般缺陷、严重缺陷、危急缺陷等运行状态，并能够及时报警并通知相应人员进行消缺。

2.2 安全风险评估

对电网历史运行数据进行综合分析和挖掘，并利用机器学习等人工智能方法进行运行状态实时风险评估，及时发现系统薄弱环节和安全隐患，提高供电可靠性，如根据设备运行的历史数据，采用聚类算法，进行纵向、横向比对分析，预测设备运行状态，发展趋势，实现全景风险管理和自愈控制［4］。

2.3 设备故障智能诊断分析处理

特高压变电站设备的劣化过程是力、热、电场、磁场等多物理化学综合过程，机制复杂。通过人工智能技术可以深入挖掘全系统的故障案例，结合传统故障诊断模型“数据驱动+模型驱动”开发一种新的故障诊断模型［5］。根据大量案例建立诊断判据，及时发现疑似异常情况，并采集所有相关数据综合分析设备故障、异常、变化发展趋势、对其进行相间比较、同类设备比较、历史数据比较综合分析诊断并准确定位故障，智能化给出故障类型、分析报告、处理建议，启动相应应急响应预案，通知相关人员，并能够根据相关控制策略自动对设备故障隔离，防止设备损坏［6］。

2.4 现场作业监管系统

由于电力系统运行和维护的复杂性，现场经常出现误操作、误入带电间隔等问题。在智能电网技术中，基于人脸识别、车辆识别、射频识别、越界提醒、智能化五防等技术实现全方位无死角实时监控，实现调度人员，安监人员和现场人员之间的实时交互，进而消除安全隐患。根据变电站三维扫描数据实现对作业区域的布防［7］，同时，通过视频监控智能实时监控与识别人员的行为和活动范围，及时警告拍照并实时上传至监控系统，通知运行人员、安监人员，使现场工作可控、能控、在控。

2.5 主辅设备联动

完成辅控系统数据与主设备状态数据的融合［8］，当出现设备过热、水浸、着火等异常工况时，实时切换视频监控，并智能识别确认设备状态，及时告警并通知相关人员，根据设备运行温度、湿度、水位、火灾报警等信息联动辅控系统，根据设定阈值自动启动空调、风机、水泵、火灾报警系统、消防系统等设备，并实时监测故障异常发展过程，根据故障情况启动相应级别应急响应。

2.6 智能化运行管理

变电站设备种类多种多样，结构原理各不相同、各种表计繁多，日常运维工作量大且效率低、重复性工作多。建立智能巡检管控平台，通过无人机、巡检机器人、视频监控，红外监控、在线监测等设备进行数据采集，开展全过程自主化、智能化和标准化作业。使用人工智能方法实现对工作现场环境、工作流程、安全工器具和员工状态的全面监控，结合地理信息系统GIS，三维可视化技术实现电网设备的全景显示［9］，可以实现精细化管理，降低基层工作人员工作强度。传统的设备检查、运行维护、检修方法将被取代，大量重复低效的运维岗位将被技术所取代，提高生产效能。

2.7 备品、资产精益化管理

特高压变电站设备种类多，备品多种多样，应用物联网技术实现现场备件和资产数据的收集管理，提高变电站的备品、资产管理水平。充分利用射频识别技术实现物联网管控，保障帐、卡和物资数据更新的完整性、准确性和及时性，提高备品物资管理水平，实现备件和资产的全过程精益化管理，提高管理效率与管理智能化水平。

3 结语

物联网是未来电力系统发展趋势，将在电力系统全面落地，物联网技术将提升特高压变电站在电网运行状态在线监测、安全风险评估、故障智能诊断分析控制处理、作业人员安全管控、主辅设备联动、智能化运行、备品资产精益化管理水平，使设备健康水平、管理智能化水平大大提高。电力物联网的建设落地，实现特高压变电站设备运维管理水平新的跨越，确保特高压电网的长期安全稳定运行。