基于泛在电力物联网的二次设备全景信息感知系统设计

刘显祖，黄 伟，许旵鹏，于和林，穆云龙，余 勇

(国网安徽省电力有限公司检修分公司,安徽 合肥 231100)

0 引言

早在2003年，《Grid 2030——美国智能电网愿景》中就提出：未来美国电力系统会是全自动化的输配电系统，可对电网中各用户及节点进行监控，实现从发电厂、经电网、最终到用户家中的电器之间双向电力信息流，替换现有的电力监控设备和电网基础设施，从而减少大范围停电事故发生的可能性。即从发电、变电、配电到用户，电网的职责不仅是为了输送电力，也负责传输必要的信息流，从而使电网各节点都具有双向实时调节能力，进一步优化电力系统能源配置。

随着中国智能电网的不断发展，结合通讯、网络、传感器和量测、计算机及信息技术等现代科技手段，可对电网各节点进行更为深入的监控，更为精准地掌握电网设备的工况、潮流、故障等信息，辅助电网信息决策。但是目前的电力监控系统的关注点仍然在一、二次设备本体工况及故障信息的收集，缺乏对设备之间、人与设备之间的信息收集与交互以及各变电站、线路之间信息双向互通能力。

因此在发展具有中国特色的智能电网的过程中，不可避免地需要一种对一、二次设备、线路及辅助设备实时监控的信息载体，尽可能多地收集电网传感器信息，并且这个系统可以广泛应用于特高压交直流系统、超高压交直流系统以及城市配网之中。泛在电力物联网就是为了适应这种背景而被创造出来的。具有中国特色的基于泛在电力物联网的二次设备全景信息感知系统，从变电站内一、二次设备本体、相应的端子箱、屏柜到电缆沟，再到变电站附近天气、温湿度、降雨量、线路周边环境及负荷等方面信息汇集分析，提供一个可接入多种传感器的统一变电站全景信息感知信息总线，并且其接入协议建议使用符合国内智能变电站统一应用的IEC 61850(即DL/T 860)规约，以使智能变电站站内及线路沿线更多的传感器接入统一分析系统，综合评估各设备间隔运行风险，及时提供检修意见和保电预警信息，促进数字化班组建设，合理分配电网运检资源，使得更多的清洁能源发电系统得以克服电压波动、频率不稳定等电力质量问题接入电网，实现“碳达峰，碳中和”的节能减排目标。

本文首先介绍泛在电力物联网的基本概念、原理和发展现状，并结合安徽超特高压电网的实际情况，分析设计了基于泛在电力物联网的二次设备全景信息感知系统，进而探讨了大数据等场景应用的可行性。

1 UPIoT基本介绍

1.1 UPIoT技术简介

物联网(Internet Of Things，IoT)，即“无所不在的互联网”，将各种传感器通过互联网联合起来而形成的一个巨大的信息交互网络，实现在任何时间、任意地点、不限设备，人、机、物之间的互联互通功能。

1995年比尔盖茨已经提及物联网概念，但受限于当时计算机系统的性能，以及传感器、无线网的发展还未大范围的普及，物联网的概念没有引起广泛关注。美国麻省理工学院在1998年也提出类似于M2M(即机器与机器之间进行通讯)的构想。时隔一年，美国自动标识中心先提出了“物联网”的概念，并利用了RFID技术和互联网等技术进行了试验。随后国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了“物联网”的概念，即处处存在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有东西从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过互联网互动数据。射频识别技术(RFID)、传感器技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。2020年，华为公司开发的鸿蒙系统，力图实现车辆、家电、手表、PDA、各类工控机等系统接入鸿蒙底层系统接口，融合现有的车联网、智能家电、智慧城市等系统，实现万物互联的物联网生态圈。

随着物联网技术向电网领域的引入，电力物联网的理念和应用不断涌现。我国在2010年就已经开始了关于电力物联网的基础理论及应用技术研究，在智能电网中的应用主要分为感知层、网络层、平台层和应用层四层架构。2019年，国家电网公司提出的“泛在电力物联网”(Ubiquitous Power Internet of Things)简称UPIoT，是电力物联网的进化发展形态，对于电力系统各节点，在电力物联网的基础上充分应用移动互联、人工智能等现代信息、通信及传感器技术，实现各节点、各设备打破厂家、系统壁垒，做到万物互联、人机交互，具有状态全面感知、信息高速处理、应用便捷灵活、生态自由充足特征的智慧电网服务系统。其中，感知层的末端传感器节点规模更大，采集的数据更全面，包括电力系统发、输、配、储、用等各环节、各设备乃至各元件运行的各种工况和运检信息；传输层将通过5G等新技术的应用，实现更高的数据传输效率；数据层将所有数据统一汇集管理，数据壁垒将被打通；应用层则配合电网智慧服务生态体系的建设，开放给更多电力生产企业开发电力数据应用，向用户提供更加智能化、人性化的电力普遍服务，数据价值得以体现。

1.2 物联网协议简介

随着物联网设备数量的持续增加，设备之间的通信协议的选择更为重要。通信中，协议是双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。常见的物联网物理层和数据链路层协议如表1所示，具有不同的性能、频率、覆盖范围、应用场景，各自有优点和缺点。其中无线传输或距离较近的一些通信协议只适合小型家用电器，而有线传输或距离相对较远的一些通信协议则可以用于大型智慧城市项目。而基于目前国内智能变电站内智能设备间通信已经广泛使用的IEC 61850规约的做法，具有中国特色的泛在电力物联网应用协议建议满足IEC 61850规约。符合此规约将有利于变电站站内及站与站之间在未来形成统一的大型物联网系统，方便在未来有必要的时候融入现有继电保护及自动化装置调控电网的策略之中，并可在具备安全条件的前提下通过调度数据网将信息融合上传到调度主站端以大数据分析和研判电网运检策略。

表1 常见物联网协议

2 二次设备全景信息感知系统

目前，国内电网中智能变电站的建设越来越多，智能变电站的应用有利于电力设备的智能化、集约化、高效化的运维，但是目前电力系统内仅对重要设备如继电保护装置、自动化装置、断路器等设备本体信号进行监控，带有网络报文分析装置、二次在线监测装置或其他综合传感器系统可监测部分设备运行工况。而对于常规变电站，可用于监控设备的传感器相对更少，除了现有的后台监控系统、监控设备以外，由于缺乏统一的电力物联网系统，难以获取变电站内全景信息。因此，开发基于物联网的二次设备全景监视、智能诊断、智能运检分析模块，整合和分析各类故障情况、各种天气、各种检修条件下设备运行数据，进而对系统运行风险进行预警和前期处置，并提供检修建议，提高电力系统智能运维能力。

2.1 系统设计

基于泛在电力物联网的二次设备全景信息感知系统着眼于泛在电力物联网的发展前景，设计站内统一的物联网信息总线，并根据变电站运行实际条件，分为室内物联网有线接入信息总线和室外物联网无线接入信息总线，系统结构如图1所示，可为未来更多智能设备接入提供扩展接口，适应更多场景。

图1 系统结构图

保护小室和主控室内由于二次设备相对集中，并且方便安装系统电源，首选有线物理链路和协议作为室内物联网有线接入信息总线；而变电站室外由于难以为每一个传感器安装电源或敷设通信链路，因此适合选择无线物理链路和协议，并通过专用无线交换机和防火墙接入室内物联网有线接入信息总线。无论物联网使用有线还是无线协议，都宜遵守IEC 61850规约，方便后期其他智能设备接入，保证其互访问、互操作。

2.2 二次设备在线全景监测系统

在智能变电站中，二次设备的运行信息可以方便地通过Goose和SV网络进行交互，一些变电站中已经部署的二次在线监测系统，可收集站内二次设备运行工况、Goose/SV信号和录波信息。建立基于泛在电力物联网的继电保护及自动化全景信息系统，应具备二次设备虚实回路全景可视化(如图2)、电网系统故障二次信息分析(如图3)等功能，实现二次设备在线全景监测、智能诊断、故障信息分析的能力，集成智能变电站网络分析、录波、在线监视与智能诊断功能的全数据分析、全站故障分析、智能运检相关的决策系统，解决虚回路可视化、故障定位、故障反演等重难点问题，实时监测数据可作为基础数据，结合其他智能物联网单元分析。

图2 二次设备虚实回路全景可视化功能

图3 电网系统故障二次信息分析功能

2.3 智能压板系统

变电站二次屏柜内二次设备压板状态核对与压板通断排查一直是变电站运维难题，需要运维人员一段时间对电网方式进行人工核对工作，因此按压板形式设计一种智能压板，根据智能压板内部陀螺仪的倾角实现自动判断压板状态。智能压板宜采用微功耗嵌入式MCU作为压板位置传感器的处理单元，其结构图如图4所示，安装智能压板不能影响运维人员正常操作，并且留有标签卡槽，如图5所示。运维人员或检修人员操作智能压板时，智能压板根据倾角数据与位置阈值比对，判断屏柜内压板是否投入，并将处理后的数据通过室内数据总线传入物联网接入信息总线。

图4 智能压板监测系统结构图

图5 智能压板的安装与应用

3 在安徽超特高压电网中的应用

安徽超特高压电网目前所辖1座±1 100 kV换流站，2座1 000 kV特高压变电站及30多座500 kV超高压变电站，所辖变电站历经多次改扩建，设备数量巨大、型号复杂、运检难度大，电网运维涵盖超高压建设初期的变电站到最新的智能变电站以及世界最高电压等级的换流站，承担了大量风能、太阳能电站等新能源系统的接入及消纳，需要设计并应用一种基于泛在电力互联网的继电保护及自动化全景信息感知系统，将各类先进传感器深入二次设备监控死角，根据大数据精准调控电网运行策略。目前，基于泛在电力物联网的二次设备全景感知系统各试验子系统在研发或试点阶段，已取得了一定效果。

其中智能压板监测系统，在设备停送电复役前期设备状态核对时，可检查出检修压板未退出、压板投退错误的情况，如图6所示。并且压板状态实现自动比对后，节约了运维人员核对压板状态的时间。在使用过程中，此系统通过室内物联网与二次设备在线监测系统、后台监控系统实现了非同样原理状态比对功能，提高了系统可靠性。

图6 智能压板监测系统

变电站二次设备在线全景信息系统已在试点变电站进行运检现场监控，检修工作现场如执行或恢复二次安全措施漏项等违章行为与工作文本、时间、天气、班组成员等数据进行关联分析，方便对具有强关联性的违章因素进行摸排和整改，以减少现场违章行为，提高运检现场工作安全可控性，为电网智能化发展以及泛在电力物联网的建设提供了实施载体和宝贵的试点数据、经验。

4 结论

本文针对2019年国家电网提出的泛在电力互联网概念，提出并设计了一套接入各类智能传感器单元的电力物联网实现方案，并结合安徽超特高压电网的运行实际提出了优化。得出以下结论：

(1)根据安徽电网发展实际，使用室内有线电力物联网结合室外无线传感器方案，将各类先进传感器深入二次设备监控死角，既可节约成本，又可快速部署物联网实施。

(2)泛在电力物联网的应用可为电网运维大数据分析提供理论分析基础，提高电网运行安全性和服务质量，减少电力系统事故率及电网波动，提升电力输送效率，为实现“碳达峰、碳中和”目标提供数据支撑和模型保障。