基于LoRa的物联网技术在变电站在线监测中的应用

魏天呈 张亮

（中国联合网络通信有限公司智能城市研究院 河北省保定市 071000）

1 引言

国家电网有限公司近年来通过信息化“SG186”、“SG-ERP”等信息通信工程建设，基本建成了覆盖各专业的信息系统，支撑了企业管理、生产控制、客户服务工作的正常开展。随着“三型两网、世界一流”、“数字新基建”等战略的推进，国网公司物联网应用已具有一定基础，各省市电力公司在业务驱动下，在变电环节不同程度的应用物联网技术实现设备状态和环境信息的在线监测，以期弥合巡检工作量和人员短缺之间的矛盾，但是国网公司物联网整体建设进度与应用规模仍存在不足，长期以来变电站在线监测业务技术路线庞杂，不能体系，因此具备灵活部署、无线组网、低成本等优势的基于LoRa 技术的物联网技术在变电站在线监测中的应用潜力巨大。

由于标准制定工作滞后于技术应用速度，国网公司在变电站在线监测场景存在多种通信方式，光纤、RS485、Wi-Fi、LoRa、蓝牙、Zigbee、4G 公网、无线专网等方式都成为了传感设备厂商和节点设备厂商的选择项，造成烟囱独立，设备在线率低、维护困难、系统频繁错报漏报的结果，一线运检员工工作繁杂，苦不堪言，亟需互联互通的通信设备和智能高效的监测数据评价手段。

为统一通信方式、数据格式，打通多厂家传感设备、节点设备信息传输通道，国网公司在2021年发布《输变电设备物联网节点设备无线组网协议》和《输变电设备物联网微功率无线网通信协议》，推荐以LoRa 技术为输变电场景物联网通信方式，为深化物联网及技术应用、深度挖掘电力大数据价值奠定坚实基础。

2 研究必要性

国家电网有限公司自“十三五”以来，各类传感设备数量呈爆发式增长，输电、变电、配电环节均大量使用摄像头、无人机、传感器、手持监测设备、巡检机器人等方式实现设备健康状态和业务运行状态的在线监测。

从我国目前电网的整体情况上看，变电环节的各电压等级都在积极推进数字化技术在运维检修工作中的应用，220kV 及以下等级的变电站基本都实现了智能运检；500kV 智能变电站也在积极推进无人值守技术的应用进度，以期能加快实现智能变电站7*24 小时无人值守，随着技术可靠性的提升和成功应用经验的积累，无人值守的变电站管控模式将成为未来电网变电站在线监测的大趋势。此外，750kV 智能变电站设备更加复杂、特殊，所需要值班人员数量更大，这就给国家电网公司变电专业运维检修工作带来了巨大的财力、人力资源的难题，众多基层单位也在积极进行技术攻坚，力求解决巡检工作量大和人员短缺之间的矛盾，这对于供电系统而言将极大提高整体业务数字化水平，通过技术手段践行“双碳”战略。而且，近期各地用电量供需关系变化，对电力安全生产提出了更高的要求，变电站频繁变更运行状态会加速设备老化，增加升温、局部放电、绝缘油变质等隐患，一旦变电站出现故障，将对区域内大范围居民和工业生产带来严重影响，设备维修更换时间长、工作繁杂、耗资巨大。因此，实现220kV、500kV、750kV 变电站在线监测，对支撑工业生产，满足人民群众基本生活需求，保障整体电力系统安全十分必要。

变电站在线监测现状：

（1）各厂家传感器多种接入方式并存，通信方式和数据格式多样，缺乏统一的分析、告警阈值量化标准，运维检修人员工作负担重，精益管理水平提升进程受到掣肘。

（2）各感知系统相互独立，单一维度探测数据难以精准判断变电站整体运行状态，业务、设备、环境监测烟囱化，需要更丰富、科学的感知和判断手段，提升平台分析结果的可信程度，减少误报漏报次数，深度挖掘电力大数据价值，实现由周期性停电向状态性停电发展。

（3）多种通信协议共存，需要统一接入平台，降低网络管理负担，提升统筹管理能力。

（4）需求可信可靠的高水平综合管理平台，界面优化、人机交互水平还需提升，变电站在线监测、安全防范、动力环境监测、智能锁控、等子系统未能实现能力整合、统筹管理，机器人巡视、图像识别等创新技术潜力亟待挖掘。

3 基于LoRa通信的变电站物联网在线监测系统

3.1 基于LoRa通信的变电站物联网在线监测系统网络架构

变电在线监测物联应用体系总体架构分为四层：感知层、网络层、平台层和应用层，如图1所示。

图1：变电设备物联网总体架构图

（1）感知层。感知层由多形态物联网传感器（有源、无源、有线通信、无线通信）、网络节点（边缘物联代理、安全接入网关网关）组成，分为传感器层与数据汇聚层两部分，实现传感信息采集和汇聚，是物联网系统中的“感知皮肤”。

传感器层由各类物联网传感设备组成，实现变电站一次设备健康状态在线监测和环境信息在线监数据采集，并通过有线/无线网络将采集数据上传至汇聚节点设备。变电在线监测物联网传感器主要有微功率无线传感器（μW 级，通信方式符合《输变电设备物联网微功率无线网通信协议》）、低功耗无线传感器（mW 级，通信方式符合《输变电设备物联网节点设备无线组网协议》）、有线传感器（通信方式采用光纤或RS485）三类。

数据汇聚层由汇聚节点设备、接入节点设备等网络节点组成，各类节点构成了业务场景全覆盖的传感器网络，实现了微功率/低功耗无线传感网和有线传输网络全兼容，无线汇聚节点设备相当于物联网“路由器”，单台汇聚节点设备可接入1000 台传感器。通过现场实地勘测，一座标准220kv 变电站只需4-15 台汇聚节点设备即可实现全站信号覆盖。接入节点设备具备基础的网络管理、信令调度、休眠管理的功能，单台接入节点设备可接入3000 台传感器，同时搭载可软件定义的边缘计算框架，实现在线监测业务全接入，变电站内物联网信号全覆盖，大小颗粒业务融合多维分析，站内实现边缘计算，闭环快速分析判断结果，重要信息上传至平台端。接入节点的部署，可明显提升在线监测系统判断结果准确性，极大缩短基层运维人员处置隐患反应时间，降低物联网接入平台和云平台的计算负担，对物联网整体的敏捷性和稳定性具有重要意义。

（2）网络层。网络层由电力无线专网、4G 公网、5G 公网、光纤专网等网络组成的通信网络，负责感知层和平台层的数据通信，具备高可靠、低时延、大带宽、重安全的特性，是物联网系统中的“神经系统”。

（3）平台层。具有强大分析计算能力，可通过大数据、人工智能等技术对海量感知数据进行多维度综合分析，远程配置接入节点设备（边缘物联代理、安全接入网关）边缘计算模型，周期性对接入节点设备进行维护升级，提升接入节点设备结合告警信息、环境变化、设备老化的分析能力，降低接入节点漏报、误报次数是物联网系统中的“大脑”。

（4）应用层。分为物联网应用和用户服务系统，具备复杂、专业的数据分析能力，可进行独立计算或协同计算，是挖掘大数据价值、提升数据分析结果准确性的计算核心。

3.2 接入模式

如图2所示，在变电站场景下，变电在线监测物联体系主要包括数字化表计、在线监测和环境监测3 大类型27 小类物联装置。其中，数字化表计主要包括SF6 密度继电器、避雷器泄漏电流表、智能油温计、油位监测、液压表等5 类表计；在线监测类主要包括油色谱、铁芯/夹件接地电流、局放、声纹振动、套管电容量及介损、开关机械特性、金属氧化物避雷器、SF6 气体微水、触头及接头测温、少油设备油压、交直流电源在线监测等11 类装置；变电站环境监测类主要包括微气象、水浸、温湿度、噪声、SF6 气体泄漏、水位、温/烟感、红外对射/双鉴、电子围栏、开关控制器、空调控制器等11 类装置。根据不同变电在线监测物联装置的供电方式、通信需求提供四种组网模式供灵活选配。

图2：四种接入模式图

模式一：适用于具有设备功耗极低，通信数据带宽要求低，使用电池供电等特征的装置，主要包括SF6 密度表、SF6 气体微水传感器、铁芯/夹件接地电流、触头及接头测温、温湿度、水浸、水位、微气象、温度、烟感、噪声、SF6 气体泄漏等前端感知装置，采用《输变电设备物联网微功率无线网通信协议》接入到汇聚节点或者边缘物联代理装置。

模式二：适用于具有功耗比较低，有一定通信带宽要求，需要易于拆装等特征的装置，主要包括避雷器泄漏电流表、蓄电池监测、空调控制器、开关控制器、部分外置式局放等类型的前端感知装置，使用电池供电，采用《输变电设备物联网节点设备无线组网协议》接入到汇聚节点或者边缘物联代理装置。

模式三：适用于需要前端感知部分实时采集，对被感知物理量进行持续分析与处理的装置，主要包括各种局放、声纹振动、套管电容量及介损、开关机械特性等前端感知装置，可以通过相对窄带的通信通道实现分析结果或图谱数据传输，使用有源供电，采用《输变电设备物联网节点设备无线组网协议》接入到汇聚节点或者边缘物联代理装置。

模式四：适用于前端存在有源供电的就地分析主机的装置，主要包括油色谱、分布式局放监测装置、红外图像测温等装置，可以通过内嵌无线转换装置将就地主机分析后的重点图谱和结果数据通过无线通道转发，通信方式符合《输变电设备物联网节点设备无线组网协议》，亦可采用有线方式与边缘物联代理装置通信，数据最终接入到汇聚节点或者边缘物联代理装置。

3.3 典型接入方案

基于新一代二次系统设计规范和公司智慧物联体系建设要求，变电在线监测物联装置接入遵循公司输变电物联网总体框架，典型接入方案如图3所示。

图3：物联装置典型接入方案

感知终端由各种有线、无线在线监测传感器组成，采用《输变电物联网节点设备无线组网协议》，《输变电物联网微功率无线通信协议》，传感器数据按《输变电物联网传感器数据规范》编码上传到无线汇聚节点。

在线监测物联感知终端在Ⅳ区通过汇聚节点接入无线传感器边缘物联代理。无线传感器边缘物联代理实现一收双发，一路数据上送物联管理平台，另一路数据通过反向隔离送Ⅱ区综合应用主机，实现站内辅控系统统一应用，并通过服务网关机将数据远传至集控站监控系统。

4 感知设备配置

根据电站设备布置方式，结合主辅设备状态感知、运行环境感知，智能巡检，主辅设备智能联动，运检人员作业行为智能管控共五类功能需求，制定变电站详细就地模块（汇聚节点）配置原则以及配置清单如表1所示。

表1：变电站物联网场景就地模块（汇聚节点）配置清单

5 技术性能分析

变电在线监测装置物联网化解决方案能够满足在线监测功能的基本要求，具体体现在以下方面：

数据标准化及易扩展性：在线监测设备数据传输协议采用统一的《输变电物联网节点设备无线组网协议》，《输变电物联网微功率无线通信协议》，解决现有传感器多使用私有化协议，一套在线监测系统中多种私有协议并存的问题，同时标准化的《输变电物联网传感器数据规范》具有高度可扩展性，根据新的业务需求可以便捷扩展。

灵活供电方式：在线监测装置可以根据实际应用业务需求采用灵活供电方式，低功耗在线监测装置可以采用电池供电或者无源取能，实现无线化部署与工作，方便进行施工安装与运维，采集数据量较大且实时性要求较高的在线检测装置可以采用有线供电的方式实现高频次的数据采集。

数据传输带宽：对于在线监测类传感器中的传输频次高，数据量小，传输带宽要求较低的场景使用《输变电物联网微功率无线通信协议》；对于在线监测类传感器中频次较低，单次数据量较大的场景使用《输变电物联网节点设备无线组网协议》。

数据实时性与上报频率：对于数据量小、传输频次高的传感器，采用分钟级传输周期；对于单次采集数据量较大的传感器，灵活配置传输周期；对于前置告警的传感器数据优先传输。

方案兼容性：变电在线监测装置物联网化解决方案既支持新建变电站的在线监测系统设计，也支持已投运变电站设备改造升级。

6 结语

近年来，在“三型两网”、“数字新基建”等国家电网有限公司宏观战略的指导下，电力在线监测设备数量呈爆发式增长，基层运维检修人员因新技术使用而减负增效的程度十分有限，为提质增效，真正打通数据壁垒，深度挖掘电力大数据价值，国家电网公司在科研院校、头部厂商和基层运检人员的不断努力下，尝试了多种技术方案，目前物联网在线监测技术路线应用最广、试点最多。

在各地“限电潮”的洪流中，变电站运行负载变化剧烈，经受了严峻考验。以LoRa为基础的电力物联网技术，必将在应用中发展，在发展中应用，不断融合吸纳大数据、人工智能、5G、区块链等新技术，加强在线监测感知分析能力，提升精益化管理水平，为电力安全生产保驾护航。