物联网技术在变电站在线监测中的应用研究

引 言

变电站作为电力系统的重要节点，负担着电能变换与电力重新分配的重要责任，对电网的高效、安全运行起着重要作用[1]。目前，变电站在巡检、安全等方面的管理方法或者设备故障诊断分析的智能化程度与智能电网对智能变电站的要求还存在一定差距，如巡检手工笔录的工作方式易出错且不利于数据共享。

对物联网技术在变电站中设备状态的在线监测[2]、资产全生命周期管理 [3]、安全工器具管理 [4] 等方面的应用已有不少研究，但在设备编码、数据格式等方面还没有一个统一的标准，形成了数据孤岛，不利于数据共享。本文针对站多人少、状态检修程度不高、数据孤立等现实存在的问题，充分发挥物联网技术的优势，提出了物联网技术在变电站应用的四层架构体系，并对其在设备状态监测、巡检管理等方面的实现方法进行研究。

1 物联网技术

物联网是建立在计算机、互联网基础之上，利用先进的传感技术和通信技术等实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，将现实世界和网络空间进行连接的一种网络[5,6]。从信息的采集到应用，将物联网应用架构分为智能感知层、网络传输层和高级应用层[7-9]。但将物联网技术应用到变电站监测中还需解决一些关键问题。

1.1 智能传感器技术

智能传感器作为物联网架构体系的底层，起着物体识别与状态感知的作用。鉴于智能变电站中的电磁环境比较复杂、测量对象和参数种类多、测量精度要求高等问题，传感器需要具有以下特点：

(1) 抗干扰能力强，抵抗电磁干扰；

(2) 集成化、小型化，集多功能于一体，减小体积；

(3) 低功耗，解决无线传感器的电池寿命问题。

1.2 标识与编码技术

现有电力行业中的条形码类标识容易损坏，且在编码上还存在差异，不利于电力设备的管理、信息共享。目前设备标识中使用较多的是条形码，但存在一定缺陷，尤其是处在恶劣环境中的电力设备，标识比较容易损坏，给仪器的识别带来困难 [10]。这两个问题分别用以下方法解决：

(1) 标识。使用 RFID（射频识别）技术不仅可以解决上述问题，还可以借用RFID的通信距离进行大致定位，实现巡检的管理等。

(2) 编码。借用现有的智能变电站的架构划分，按照变电站（1～6位）-> 间隔（7～9位）-> 电压等级（10位）-> 设备（11～13位）的标准编号，对其中一些安防等设备可以归到一个间隔进行编号。

1.3 通信技术

智能变电站所需通信终端的数量多，数据传输量大，所处环境复杂，因此需要通信设备具有低功耗，无线设备自组网， 汇集节点能够适应IEC61850 等变电站通信标准，兼容现有通信接口等。

1.4 电源技术

电源的可靠、长期运行是物联网各部分长期、可靠工作的重要保障。电源技术可以从以下几方面考虑：

(1) 电能的来源主要有蓄电池、光伏、风能、热电偶发电等方式；

(2) 高效的拓扑结构，在纹波要求不高的数字电路部分可以采用开关电源的拓扑结构，在对纹波较敏感的模拟电路部分宜采用开关电源+LDO 的拓扑结构；

(3) 电源应具有自我诊断、修复或者告警功能。

2  基于物联网技术的变电站在线监测架构体系

借鉴物联网技术的三层架构体系以及智能变电站三层两网的架构体系，为解决通信接口的异构性问题，满足数据共享的需要，形成了物联网技术在变电站在线监测应用中的四层架构体系。该四层架构体系从下往上依次为感知层、装置层、数据层、应用层。其体系结构如图 1 所示。

2.1 感知层 

智能感知层和物联网智能感知层的功能相似，主要利用 温湿度传感器、超声波传感器、振动传感器、RFID 电子标签 等对变压器、电容器、电感器、线路等一次设备以及测控装 置等二次设备的运行状态、周边环境状态、地理位置、自身 属性信息等各种状态与属性进行感知，为供电局、监控主站以 及本站的应用层提供必要的数据信息基础。

2.2 装置层 

装置层具有解决通信接口异构性问题的能力。变电站设 备众多，且各自所处的环境不一样，而选择 UART、CAN 、 ZigBee、LoRa 等有线和无线通信方式中的某一种则造成了通 信接口的异构性，例如测量母线机械振动时，由于绝缘等原因 宜采用无线通信方式 ；测量变压器参数时，其电磁环境比较 复杂，可能会对无线通信产生干扰，宜采用有线通信方式。 2.3 数据层 

数据层是为了数据共享而分解出来的一个数据服务器， 应用层、监测主站以及供电局等可以直接通过 Web 访问申请 数据。数据整合存储层主要有如下作用：

（1）对数据进行整合处理，将数据分类及进行必要的格 式处理等，将其标准化，可主动向高级应用上传数据 ； 

（2）存储数据 ； 

（3）作为高级应用的数据源，上级监测中心、监控后台 等在需要数据时向其发起数据请求以获取数据，达到数据共 享的目的。

2.4 应用层

应用层中主要对站内所有设备实现在线监测、故障诊断、状态评估、辅助决策与资产管理以及变电站的安全管理等高级应用[11]。应用层的软件架构采用B/S 形式，不仅可以在站内后台观测，也可以在供电局、监测主站等远程终端上使用浏览器直接进行远程监测。

3 物联网技术在变电站在线监测中的应用

基于物联网技术的变电站在线监测系统如图 2 所示。关键部分应具有如下功能：

(1) 应用后台：应用软件架构采用 B/S模式，可在远端通过浏览器直接访问应用并获取结果。

(2) 数据服务中心 ：实现对数据的持久化存储；具有服务器的功能，后台或者远端可以使用HTTP协议与其直接建立连接和通信；能够对数据进行整合处理，响应并返回远端请求的数据。

(3) IED装置 ：实现异构通信网络的接口统一；对感知层上传的数据进行处理，正常数据直接上传到数据服务中心， 异常数据向应用后台上传。

3.1 变电站设备状态检测

目前，电力设备的维护通常是使用定期预试和检修的方法，在一定程度上能够解决设备的部分缺陷，但这种定期预试和检修方式不能反映运行中设备的各种状态，无法提前预知突发性故障[12]。目前，电力系统的规模越来越大，人们对电力的要求也越来越高，原有的检修方法已不适应未来的需求。为了适应未来的需要，应实现电力设备从 到期必修 向 应修必修 转变[13]。要实现这种方式的转变就要利用先进的物联网技术以及故障诊断技术，对变压器、母线、电容器、避雷器等电力设备进行在线状态监测，实现设备的突发性故障预告，从而达到 应修必修 的目的。

3.2 变电站巡检管理

目前大多数变电站的巡检基本还采用以手工笔录为主的巡检模式，这种巡检方式主要存在以下缺点：

(1) 手工记录容易出错，而且没有照片等更能反映设备详细缺陷信息的佐证材料；

(2) 不易于记录的查找，阻碍了信息与相关负责人或其他检修人员的及时共享；

(3) 缺乏有效的监督，存在监督方面的漏洞，容易出现由于主观或者客观原因而造成的漏检或没有按时进行巡检等问题。

鉴于目前大多数变电站仍采用人工巡检的模式，且难以实现从人工巡检到无人巡检的转变，因此有必要研究从人工到无人巡检的过渡过程。在设备上装有 RFID标签与手持终端部分。通过手持终端可以即时查看相应设备的信息，同时利用RFID的通信距离能够确保巡检人员到一定范围进行巡检。具体巡检管理的实现流程如图 3所示。

首先进行登记，领取巡检任务和手持终端；然后开展巡检业务，巡检过程使用手持终端进行记录拍照等，记录会即时上传到巡检管理后台；最后巡检结束归还手持终端，并确认巡检结束。在巡检过程中手持终端会提示下一个巡检地点和项目，指定路线上如果存在漏检，则会告警提示。

4 结 语

变电站作为电力系统的重要节点，变电站的安全可靠运行对于电网的发展具有重要意义。本文针对现有变电站在巡检、设备运行等方面存在的一些问题，提出了物联网技术在变电站中的四层应用架构体系。装置层在于解决通信接口异构性的问题；数据层作为一个数据整合预处理中心，有利于实现数据共享，提高信息利用率。

设备状态监测，不仅可以提高供电的可靠性，通过在线监测实时捕获异常信号，提前预判电力设备的运行状态，实现状态检修，避免发生故障，还可以降低成本，通过故障预测避免损失，实现 计划检修 到 状态检修 的转变。同时更能减少人为失误，在线数据相对比较客观，可大大降低因窗口期而失去重要参考信息问题的概率。

在巡检方面，不仅有利于减少由于手工记录而需要对信息二次处理的工作量，减少人为错误的出现，更能增加巡检结果的佐证材料，有利于规范巡检管理，避免漏检出现。