物聯網技術及其在智能變電站監(jiān)控中的應用研究

摘 要：物聯網技術是智能電網對外界信息感知的重要組成部分，在電力系統(tǒng)中具有廣闊的應用前景。智能變電站作為智能電網的技術核心與設備外延，使物聯網多種關鍵技術得以具體應用。本文針對智能變電站建設的實際需求，結合物聯網關鍵技術，構造了智能變電站監(jiān)控總系統(tǒng)以及包括設備狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)、智能巡檢監(jiān)控子系統(tǒng)、避雷器監(jiān)控子系統(tǒng)以及安全警衛(wèi)監(jiān)控子系統(tǒng)在內的四大子系統(tǒng)。

關鍵詞：物聯網技術；無線射頻識別技術；智能變電站

中圖分類號：TP391.44

2009年，國家電網公司啟動了智能電網的規(guī)劃建設，2011年，我國智能電網進入全面建設階段，計劃在2020年初步建成世界上最大的智能電網[1]。智能變電站是智能電網的重要支撐，采用先進、集成、可靠、環(huán)保的智能設備，通過數字化、網絡化、共享化的信息網絡平臺，自動完成信息采集、測量、控制和監(jiān)測等基本功能，實現自動控制、在線分析、協同互動等諸多功能[2]。物聯網技術作為一種新型通信網絡，實現智能化識別、定位、監(jiān)控與管理，已經在健康醫(yī)療、智能家居、現代物流管理、食品安全控制、數字圖書館等領域得到了成功應用，并取得了良好的效果，因此將物聯網技術有效的融入智能變電站的建設當中，是智能電網技術發(fā)展到一定程度的必然產物，能有效地對變電站電力系統(tǒng)資源進行整合，促進電力系統(tǒng)管理水平的進一步提高。

1 物聯網技術

1999年麻省理工學院（MIT）的教授在研究無線射頻識別技術（RFID）時率先提出物聯網（The Internet of Things）的概念。2005年，國際電信聯盟（ITU）發(fā)布的報告中對物聯網技術的定義進行延伸，即物聯網技術是指在基于互聯網的網絡平臺，利用無線射頻識別技術（RFID）、無線數據通信技術、全球定位系統(tǒng)（GPS）以及紅外傳感器等技術自動采集和獲取物品的相關信息，并基于各種智能計算技術如云計算、模糊識別、數據挖掘等，對物品相關信息進行分析處理，最終實現對物理世界的智能化管理的一種網絡技術[3]。

1.1 物聯網的體系結構

物聯網的典型體系結構如圖1所示，至下而上分為三層：感知層、網絡層和應用層[4]。

（1）感知層：主要用于感知物理世界中發(fā)生的事件的相關數據，包括各類物理信息、身份標識、音頻、視頻等相關數據。物聯網的數據采集涉及各種類型的傳感器、RFID、多媒體信息、二維碼和全球定位系統(tǒng)等技術。感知層又包括數據采集、短距離無線通信兩部分。數據采集主要是運用智能設備等對物品基礎信息進行采集。

（2）網絡層：主要利用已有的2G/3G/4G移動網絡、互聯網、專網等，把感知層獲得的信息快速、可靠、安全地傳輸，使物品能夠進行遠距離、大范圍、多角度、全天候的通信，最終實現在全球范圍內的信息傳輸

（3）應用層：主要用于物品與人的信息交互，將物品的信息進行搜集，匯總在應用層進行統(tǒng)一管理、分析、決策，并用于支撐多行業(yè)、多應用、多系統(tǒng)之間的信息協同共享，提高信息的綜合利用度，最大程度地為人類服務。其具體的應用領域包括健康醫(yī)療、智能家居、現代物流管理、食品安全控制、數字圖書館等。

1.2 物聯網的關鍵技術

1.2.1 傳感網技術

傳感網技術是大量隨機分布的集成傳感器、數據處理及通信單元，通過自組織的方式構成的無線網絡。傳感網技術的基本單元是節(jié)點，節(jié)點是傳感網的基本平臺，它的主要功能是感知、識別、采集和監(jiān)測各種環(huán)境或對象的信息，并將收集到的信息進行監(jiān)督控制、信息共享和存儲管理。傳感網由三部分網絡體系結構構成，如圖2所示，包括網絡通信協議、傳感網絡管理以及應用支撐技術[5]。無線傳感器網絡利用區(qū)域內大量移動或靜止的微型傳感器節(jié)點，通過MEMS的微傳感技術、無線聯網技術等通信技術形成一個多跳自組織網絡。

1.2.2 無線射頻識別（RFID）技術

RFID技術是通過射頻方式進行非接觸雙向通信非接觸式的自動識別技術，具有讀取方便快捷、安全度高、抗干擾強、使用使命長、數據容量大等許多優(yōu)點。無線射頻識別技術系統(tǒng)由應答器、閱讀器和應用軟件系統(tǒng)組成，由閱讀器發(fā)射特定頻率的無線電波能量，送給應用軟件系統(tǒng)進行相應數據處理。射頻識別技術中的數據編碼結構、數據讀取需要統(tǒng)一的標準并進行規(guī)范。RFID標準體系結構如圖3所示，主要包括技術標準、應用標準、數據內容標準和性能標準[6]。其中編碼標準和通信協議是RFID標準的核心。

1.2.3 電子編碼（EPC）技術

EPC是通過互聯網和RFID技術，利用全球統(tǒng)一標識編碼技術系統(tǒng)給每一個實體對象編寫唯一的代碼，構造了一個信息實時搜集與共享的物聯網。EPC系統(tǒng)的工作流程如圖4所示，在EPC標簽、閱讀器器、中間服務器、英特網、ONS服務器、PML服務器、以及眾多數據庫組成的物聯網中，讀寫器作為信息參考的標準，采用分布式中間件系統(tǒng)跟蹤、存儲和管理EPC信息。ONS服務器提供網絡數據庫服務并實現自動化，EPC被中間件傳給ONS服務器，ONS服務器指示中間件到PML服務器中進行查找，通過中間件復制該文件傳送到企業(yè)應用軟件上進行分析處理。

2 物聯網技術在智能變電站中的應用

輸變電系統(tǒng)的電氣設備主要包括變壓器、斷路器、導線、高壓絕緣子、隔離開關，其保護設備主要包括繼電保護裝置、互感器、避雷器等，上述設備運行的可靠性不僅直接關系到整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，而且決定了供電質量和效率的高低，因此亟需通過物聯網技術實時監(jiān)測設備的運行狀態(tài)。

2.1 智能變電站監(jiān)控總系統(tǒng)

變電站設備監(jiān)控系統(tǒng)利用物聯網技術，通過傳感器、掃描儀等設備感知外界設備信息，構建傳感網監(jiān)測平臺，在此基礎上建立變電站智能監(jiān)測與輔助控制系統(tǒng)，實現設備狀態(tài)監(jiān)測、設備巡檢監(jiān)測、避雷器智能監(jiān)測、安全警衛(wèi)監(jiān)測的功能，全面實現變電站智能化、互動化、一體化管理[7]。如圖5所示主要完成以下功能。

（1）監(jiān)控變電站設備的運行狀態(tài)，如監(jiān)測變壓器、斷路器等電站設備的運行狀態(tài)，對正常狀態(tài)與異常狀態(tài)進行區(qū)分，對數據進行匯總分析，為狀態(tài)檢修提供數據支撐。

（2）智能督導設備巡檢工作，如自動引導完成巡檢路線的設計，記錄巡檢人員通過關鍵巡視點的時間，對觀測信息與存儲的信息進行對比分析，對異常信息給予及時糾正。

（3）監(jiān)控避雷器智能運行，監(jiān)測避雷器的總電流、諧波電流和阻性電流，對相關信息的有效分析達到對避雷器狀態(tài)的實時監(jiān)控，對潛在的異常運行發(fā)出預警信號。

（4）安全警衛(wèi)的智能監(jiān)控，將高清攝像頭與各種紅外傳感器相結合，根據具體情況設定安全區(qū)域、警示區(qū)域、危險區(qū)域，對區(qū)域作業(yè)者的安全提示和對入侵實施有效警戒。

2.2 智能變電站監(jiān)控子系統(tǒng)

2.2.1 變電站設備狀態(tài)監(jiān)控智能化

變電站設備狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)由監(jiān)測中心、數據傳輸基站、無線傳感器網絡平臺等構成。其中，數據傳輸基站由大功率存儲器、微處理器、射頻收發(fā)器、總線接口等組成；無線傳感器由數字控制器、數字傳感器、射頻收發(fā)器等組成，各類無線傳感器安裝在高壓輸變電設備上，如變壓器、斷路器、導線、高壓絕緣子、隔離開關，構成的無線傳感器網絡平臺對設備溫度、氣象環(huán)境、空氣濕度、圖像視頻及周邊環(huán)境等進行實時監(jiān)測。作為監(jiān)測中心的控制主機定期通過RS485總線訪問處理各類數據傳輸基站，數據傳輸基站通過高頻收發(fā)器與傳感器相互連接，通過高頻收發(fā)器匯總信息，并通過網絡信息系統(tǒng)將數據保存到監(jiān)測中心的控制主機中，監(jiān)測中心的管理人員定期對收集到的信息進行智能分析處理，并將分析結果實時傳送到巡檢人員處，作為下一階段設備維修及管理的基礎。

2.2.2 變電站智能巡檢智能化

智能巡檢子系統(tǒng)由巡檢中心、巡檢控制網絡平臺、無線傳感器、智能終端等組成。巡檢中心根據日常設備管理及維護的需要設定巡檢路線，并將巡檢路線存儲于巡檢中心的智能巡檢子網絡中，每個關鍵的巡檢點如多股交叉路口，分支路段設置感應系統(tǒng)，感應系統(tǒng)由高清攝像頭、紅外掃描儀以及無線傳感器等組成，并與巡檢中心控制系統(tǒng)相連，巡檢人員穿上便于識別的巡檢制服進入巡檢路段對設備依次進行巡檢。巡檢中心將感應巡檢人員的巡檢路線與巡檢中心的設定巡檢信息進行分析處理。當巡檢人員到達某個巡檢區(qū)域后，智能終端開始對巡檢人員的巡檢路線進行分析匹配，若匹配成功，智能終端顯示可以巡檢并提示下一個被巡檢設備名稱，否則發(fā)出錯誤匹配信息，對巡檢人員進行預警及告知巡檢中心。通過智能巡檢實現對巡檢工作的準確高效的監(jiān)督管理，保證巡檢人員安全無誤的到崗巡查，為日常巡檢和數據分析管理提供了強有力的技術支撐。

2.2.3 變電站避雷器監(jiān)控智能化

避雷器智能監(jiān)控子系統(tǒng)由控制主機、中心無線基站、數據傳輸基站及各類傳感器構成。安裝在避雷器上的電壓監(jiān)測傳感器負責采集、分析電壓諧波和相位信息，泄漏電流傳感器定時通過微電流CT采集泄漏電流，并記錄每個數據的采集時間，控制器分析計算泄漏電流的總有效值和諧波值。各類傳感器與區(qū)域內的數據傳輸基站無線相連，通過無線射頻識別技術將區(qū)域內的諧波信息發(fā)送至數據傳輸基站，所有數據傳輸基站與中心無線基站相連，形成龐大的局域數據分析處理系統(tǒng)，用以分析計算阻性電流，判斷相位基準。處于中心數據基站的核心是控制主機，控制主機通過分析避雷器的總泄漏電流，分析比對泄漏電流的多次諧波值和同相序電壓多次諧波值，當避雷器出現異常時，可以及時發(fā)出預警信號，對避雷器進行實時安全聯網在線監(jiān)控，保證避雷器泄漏電流傳感器和電壓監(jiān)控傳感器免維護的長時間安全運行。

2.2.4 安全警衛(wèi)監(jiān)控智能化

安全警衛(wèi)監(jiān)控子系統(tǒng)由控制主機、傳感器網絡、各類實體組織構成。針對傳統(tǒng)的變電站安全隱患，組建多類型傳感器，如圍墻震動傳感器、溫度識別傳感器、火災預警傳感器及高清攝像頭等組成的協同感知網絡系統(tǒng)，實現在網絡平臺上多種探測器的前端探測手段感知、識別、預警，對變電站及周圍環(huán)境進行全天候、多方位、多角度動態(tài)智能探測，使智能變電站具備很強的環(huán)境適應性、安全性和穩(wěn)定性。例如，通過讀取火災預警傳感器發(fā)出的告警信息、視頻圖像信息中的信號、環(huán)境溫度傳感器等發(fā)出的異常信息，多角度實現對變電站火災的智能化監(jiān)控、自動進行消防報警，同時可以和充氮滅火、噴淋滅火等滅火系統(tǒng)的進行聯動處理，實現對各種突發(fā)狀況的實時監(jiān)控、故障警報和有效處理。

3 結束語

智能變電站作為智能電網的核心，是智能電網智能化設備的延伸，在物理空間和信息空間具有強相關聯性和高度混雜性。物聯網技術的引入將提高智能變電站的在線監(jiān)測設備可使用率，降低設備狀態(tài)監(jiān)測的盲目性與風險性，優(yōu)化設備運行管理，增強設備的可操作性、安全性、準確性。智能變電站不僅具有通用物聯網的識別及管理能力，而且具備對輸變電設備的在線監(jiān)測、故障診斷、自動調節(jié)、協同互動、維修管理等功能[8-9]。本文充分考慮了智能電網的特性以及智能變電站的實際需求，提出了構建基于物聯網技術的變電站監(jiān)控系統(tǒng)。然而將物聯網真正融入到智能變電站建設的方方面面中是一項長期工程，需要電網信息化程度的不斷提高和物聯網標準化工作的不斷推進。

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作者簡介：王紀軍（1976-），男，江蘇靖江人，高級工程師，本科，研究方向：計算應用；任萱（1973-），女，江蘇鎮(zhèn)江人，高級工程師，碩士，研究方向：變電運行；王成現（1970-），男，江蘇淮安人，高級工程師，本科，研究方向：計算機應用。

作者單位：江蘇省電力公司，南京 210024；江蘇省電力公司鎮(zhèn)江供電公司，江蘇鎮(zhèn)江 212002；江蘇電力信息技術有限公司，南京 210008