基于电力物联网的配电设备智能感知诊断关键技术与应用

徐友刚，任堂正，沈晓峰，肖远兵

(国网上海市电力公司青浦供电公司，上海 201799)

中国国际进口博览会的举办和优化营商环境的开展对上海电网的供电水平提出了更高要求。配电网主要由高低压回路、开关设备、配电变压器进出线等部分组成。现阶段，在低压回路上通常不安装在线监测设备，存在故障难以及时发现、故障点难以准确定位等问题[1]。在配电变压器(以下简称“配变”)的监测方面，通常只采集电压、电流等电量信息，而对能提前反映配变运行状态的油温、油位信息关注较少，存在配变故障频发的问题。在电缆终端头状态监测方面，往往采取非接触式测温或传感器有线供电的方式测量电缆终端头发热情况，存在电缆终端头温度测量不准确、布线困难等问题。由于不同子系统采用的通信方式不同，缺乏对多种不同通信方式具有良好兼容能力的通信网络，存在各子系统接入困难的问题。此外，不同系统的配电设备台账、电气量信息、非电气量信息、用户信息等多源数据缺乏统一的数据模型，存在难以对其状态进行有效评估的问题。这些问题极大地影响了配电设备运行的稳定性，不利于供电可靠性的提升。

1 配电设备监测国内外研究现状

随着物联网、大数据分析等相关技术的发展，配电设备的运维方式也逐步从周期性计划巡视向状态监测转变，然而由于技术水平、管理方法等方面的不均衡，各电网企业及科研单位对配电设备的监测水平存在较大差别。文献[2]研究了基于云平台的变电站设备智能诊断系统，该系统根据任务调度原则合理分配云平台计算资源，融合初步故障诊断信息，主要针对变压器内部故障诊断技术开展研究；文献[3-4]对电力设备状态大数据技术进行了综合阐述，结合大数据技术及数据挖掘分析方法在电力设备状态评估中应用的现状,说明了电力设备状态大数据分析的内涵、目的、数据特征和基本架构,论述了电力设备状态大数据集成、转换、清洗、分布式存储和处理、高效挖掘以及数据驱动的设备状态分析模型等关键技术；文献[5]提出了一种面向智能变电站设备状态监测的自组织无线智能传感网络系统，该系统主要针对无线智能传感器进行研究。在已检索的国外相关文献中，主要是对智能变电站传感器的研究，电力物联网感知层传感器信息模型的建立，变压器绕组温度远程监控等，尚未涉及融合配电设备台账、电气量信息、非电气量信息、用户信息等多源数据模型的研究。在监测对象上，目前国内外电网企业对设备的监测仅停留在基于单一状态参数的静态阈值监测，难以获取被监测设备完整的运行画像，无法对被监测设备的运行情况进行综合诊断与趋势预判。

2 基于电力物联网的配电设备智能诊断分析系统

本文主要开展了配电设备在线监测、数据通信网络构建、多源数据融合分析、配电设备状态评估等关键技术的研究，并构建了一套基于电力物联网的配电设备智能诊断分析系统。该系统采用“云管边端”的架构，由位于设备现场的数据采集分析终端、位于监控中心的远程监控终端、位于运维人员处的移动监控终端以及云平台构成。系统工作时，首先通过布置在各个被监测设备上的传感器采集设备运行信息，之后通过有线或者无线的方式将数据传递给布置在设备现场的各种智能监测终端，智能监测终端对数据进行初步处理后通过电力物联网传输给云平台，云平台对数据进行综合处理和智能诊断，若发现运行状态异常，则会将报警信息传送到远程监控终端及移动监控终端上。系统整体架构如图1所示。

图1 基于电力物联网的配电设备智能诊断分析系统整体架构

2.1 物联网网关及数据处理方法

研制了具有广泛兼容性的物联网网关。位于设备现场的各种智能数据采集终端对所有采集数据进行标准化，统一由VPN网络进行远程传输[6]，支持MODBUS、104、61850等多种物联网通信协议。网关具有边缘计算能力，可就地完成数据存储，数据处理，告警判断等功能。针对配电设备状态监测数据源分散，融合困难，不利于开展智能诊断等问题，提出了多协议兼容、多数据源信息提取的配电设备状态分析方法，构建了基于物联网的配电设备故障电气信息和非电气信息特征的典型故障指纹编码库，提出了基于信息熵的设备缺陷诊断决策树，实现了对配电设备的状态智能分析、缺陷快速诊断和事前预警等。

2.2 低压故障监测

针对低压配电网结构复杂、易发生重复性故障和故障点难以定位等问题，研发了适用于低压配电网的高分辨率有效值录波技术，以及模块化、组合式、可带电安装的故障诊断装置，在云平台上实现了低压出线故障智能诊断，包括故障报警、故障点定位、故障录波、电能质量在线监测等功能，将故障点定位时间从小时级减少到秒级。低压配电系统的模块化故障在线监测终端采用开口电流互感器进行电流采样，采用磁吸式触头进行电压采样及取电，并可通过插拔式电源总线和通信总线触头进行不停电安装及扩展。采用数据缓存技术及变周期的采样技术，支持数据缓存，数据通信恢复后可根据紧急程度利用可变优先级的策略进行数据续传。数据采集时对正常采样数据加大采样周期，对于异常数据缩短采样周期，在不丢失有效信息的前提下减少数据量，减轻信道传输压力。

2.3 变压器状态监测

油温油位是反映变压器运行状态的重要参数，但却较难实现在线采集并告警。针对该问题提出了基于声表面波技术[7-9]的变压器油温监测和磁控开关的油位监测技术，研制了嵌入式安装的油温、油位、压力释放一体化监测保护装置，在云平台实现了配电变压器油温油位综合在线监测，有效解决了人工巡视效率低、故障定性不及时、不准确的问题。在油位计油浮底部安装温度传感器，实现了变压器顶层油温的测量；在油位计观察窗内部安装磁控开关，通过磁控开关的开闭实现油位监测；在油位计顶部设计了压力释放阀。这些设计无需改变原变压器结构，实现了油温、油位、压力一体化监测。研发了油温、油位传感器无源无线供电技术。油温采集原理图如图2所示。

图2 油温采集原理图

2.4 电缆终端头监测

针对电缆终端头传统的非接触测温结果不准确，有源有线监测方案存在绝缘、高温、安全隐患和维护成本高等问题，设计了自取能、微功耗的电缆终端头测温技术方案[10-11]，研制了一体化成型的在线测温装置，实现了电缆终端头接触式测温，并在云平台上实现了电缆终端头温度趋势预警，有效避免了电缆终端头温度异常引起的事故。电缆测温模块安装图如图3所示。

图3 电缆测温模块安装图

3 工程应用及创新点

研究成果已在多座配电站中安装使用。应用至今，对配电站内电缆终端头温度、变压器油温油位和高低压回路运行状态测量的准确率超过99%，减少了运维人员的巡视和测量工作量。

(1)提出了多协议兼容、多数据源信息提取的配电设备状态分析方法，构建了基于配电设备故障电气信息和非电气信息特征的典型故障指纹编码库，提出了基于信息熵的设备缺陷诊断决策树，实现了对配电设备的状态智能分析、缺陷快速诊断和事前预警。

(2)构建了基于低压电网结构特点和故障特征的低压出线快速诊断综合平台，研制了模块化、组合式、可带电安装的故障诊断装置，实现了低压回路故障快速诊断；

(3)提出了基于声表面波技术的配变油温监测和磁控开关的油位监测技术，研制了嵌入式安装的油温、油位、压力释放一体化监测保护装置，有效实现了配电变压器油温油位综合在线监测，解决了人工巡视效率低、把握不准的问题；

(4)设计了可接触式、自取能、微功耗的电缆终端头测温技术方案，研制了一体化成型的测温装置，实现了电缆终端头的有效测温。

4 结语

本文针对配电网低压出线回路、配电变压器、电缆接头等部分存在的低压故障点定位困难、配电变压器非电量信息监测率低及故障频发、电缆终端头非接触式测温不准确、缺乏对多源数据及不同通信网络具有良好兼容性的数据平台等问题进行了分析。采用云管边端架构设计了基于电力物联网的配电设备智能感知诊断系统。有效地提升了低压客户供电可靠性和低压台区运维水平，大大减少了低压用户故障停电时间，对优化营商环境、建设世界一流城市配电网具有重要促进作用。