電力物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)研究

李琳， 王逸兮， 梁懿， 吳小燕

(1. 國網(wǎng)湖北省電力有限公司， 武漢 430077； 2. 國網(wǎng)湖北省電力有限公司信息通信公司， 武漢 430077；3. 福建億榕信息技術(shù)有限公司， 福州 350003)

0 引言

不斷進步的科學(xué)技術(shù)促進了社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，同時使社會生產(chǎn)生活對電力的需求不斷增加，需進一步提高電力生產(chǎn)設(shè)備的經(jīng)濟性，為確保電力設(shè)備安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，需提高監(jiān)測其主要運行參數(shù)的實時性和智能性，不斷發(fā)展完善的電力系統(tǒng)在線監(jiān)測技術(shù)的運用促使定期檢修被電力設(shè)備狀態(tài)智能檢修逐步替代，電力設(shè)備檢修系統(tǒng)的優(yōu)化已成為電力領(lǐng)域的重要研究方向。我國電力系統(tǒng)目前正經(jīng)歷著數(shù)字化向智能化方向逐步轉(zhuǎn)變和發(fā)展的過程，在智能電網(wǎng)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用研究不斷深入，物聯(lián)網(wǎng)屬于多學(xué)科交叉技術(shù)(包括計算機、通信系統(tǒng)、控制技術(shù)等)具備全面的高度感知性優(yōu)勢，在監(jiān)測輸變電設(shè)備上表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，目前應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的輸變電設(shè)備的智能監(jiān)測系統(tǒng)成為深入研究和實踐的重點。

1 監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵問題

我國物聯(lián)網(wǎng)仍處于發(fā)展階段，為深化物聯(lián)網(wǎng)與在線監(jiān)測體系的融合，目前開發(fā)輸變電設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的通信干擾較為嚴重，監(jiān)測設(shè)備故障或缺陷發(fā)生率等仍然較高。傳感設(shè)備網(wǎng)絡(luò)信息流的穩(wěn)定性有待提高，各類分散的傳感節(jié)點易被損壞，無線通信的安全問題(包括非法訪問、信息泄露、篡改等)，需拓展通信與交互方式，開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)認證機制及加密機制等。由于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用缺乏統(tǒng)一的標準體系，監(jiān)測設(shè)備的性能各異、標準不一，降低了基于物聯(lián)網(wǎng)的輸變電設(shè)備監(jiān)測能力，阻礙了監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)?；瘧?yīng)用。目前在線監(jiān)測技術(shù)人員大多對新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)掌握不足，難以滿足精細化的監(jiān)測管理需求。本文主要研究了監(jiān)測輸變電設(shè)備功能的實現(xiàn)路徑，考慮到電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，網(wǎng)絡(luò)信息傳輸平臺的構(gòu)建是提高電網(wǎng)智能化水平的有效途徑，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通的優(yōu)勢，實現(xiàn)輸變電設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，為遠程控制的實現(xiàn)打下基礎(chǔ)[1]。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在監(jiān)測電力設(shè)備中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)體系可劃分為：(1)感知層，主要負責一定距離內(nèi)系統(tǒng)運行過程中傳遞的各種網(wǎng)絡(luò)信息的接收，同通信設(shè)備間的連接通過短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)；(2)負責傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息的網(wǎng)絡(luò)層，是確保有效傳遞信息關(guān)鍵；(3)應(yīng)用層，面向終端用戶，主要負責確保用戶同計算機間交互的實現(xiàn)，確保操作合理及功能的實現(xiàn)。必不可少的硬件設(shè)備主要包括路由器、協(xié)調(diào)器、終端設(shè)備，其中作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵部分協(xié)調(diào)器主要由維護連接設(shè)備和構(gòu)建組網(wǎng)等構(gòu)成，主要負責執(zhí)行相關(guān)指令。在以電網(wǎng)設(shè)計為主的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計上，主控芯片與網(wǎng)關(guān)接口通過網(wǎng)絡(luò)連接方式的運用實現(xiàn)連接，再通過路由器連接網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，需根據(jù)實際需要不斷提高路由器的兼容性以提高其使用范圍。結(jié)合使用協(xié)調(diào)器以有效滿足傳輸數(shù)據(jù)信號的需求，經(jīng)邏輯電平轉(zhuǎn)化后的傳輸信號才能向網(wǎng)路平臺上傳輸。隨著智能電網(wǎng)的不斷深入發(fā)展，對電力設(shè)備運行參數(shù)的檢測提出了更高的要求，為提升檢測過程的智能化水平，而物聯(lián)網(wǎng)的信息采集點分散，滿足龐大的電網(wǎng)的信息分布處理需求，本文完成了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)備檢測系統(tǒng)的構(gòu)建，顯著提升了信息采集功能，運用其強大的交互和感知能力為智能化監(jiān)測電力設(shè)備參數(shù)提供有效支撐，在提升輸變電設(shè)備監(jiān)測效率的同時確保了對通信網(wǎng)絡(luò)的控制和管理能力[2]。

3 電網(wǎng)輸變電設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 輸變電設(shè)備通信架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的輸變電設(shè)備通信架構(gòu)體系在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上完成構(gòu)建，具體如圖1所示。

圖1 通信架構(gòu)圖

主要由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層構(gòu)成，不同層對應(yīng)不同的功能需求，有效滿足了傳輸數(shù)據(jù)及有效控制路由的需求。(1)應(yīng)用層主要由交換機、路由器等組成，主要負責為輸變電設(shè)備全過程狀態(tài)通過全景化數(shù)據(jù)平臺(綜合運用應(yīng)用服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)信息中心等實現(xiàn))提供監(jiān)測與管理功能，同其他層間主要通過通信總線實現(xiàn)通信過程，網(wǎng)絡(luò)間通信時通信協(xié)議主要通過前置關(guān)口設(shè)備的運用實現(xiàn)轉(zhuǎn)換過程，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理能力(包括傳送、接收、識別等)。(2)感知層的信息種類較多且來源復(fù)雜，主要涉及變電站、電力運行、輸電線路、數(shù)據(jù)傳感網(wǎng)絡(luò)及運維系統(tǒng)等，需根據(jù)實際情況協(xié)調(diào)好通信網(wǎng)絡(luò)，不斷強化對復(fù)雜通信流的控制。(3)網(wǎng)絡(luò)層的功能在于連接感知層及應(yīng)用層間的通信過程(通過多協(xié)議接口)，各傳感網(wǎng)絡(luò)間通過前置設(shè)備變更與轉(zhuǎn)換通信協(xié)議，通過光纖網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程通信過程，滿足遠程通信傳送等需求[3]。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)與在線監(jiān)測

對變電設(shè)備、輸電線路通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可使感知能力得以有效提高，包括數(shù)據(jù)傳輸聯(lián)合處理等功能通過結(jié)合使用信息通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，從而提高電網(wǎng)的智能化水平。

(1)變電站設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能變電站有助于智能巡檢及安全監(jiān)測變電站功能的實現(xiàn)，應(yīng)用于監(jiān)測變電設(shè)備中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要由GIS局放、變壓器油色譜、避雷器絕緣監(jiān)測等構(gòu)成，本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對設(shè)備運行信息通過無線傳感器(具備較高的靈敏度)的使用完成采集過程，通過運行預(yù)試項目提高無線網(wǎng)絡(luò)處理與識別信息的能力，同時引入實際設(shè)備運行的特征量，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)科學(xué)診斷與評估設(shè)備運行狀態(tài)功能[4]。

(2)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實際監(jiān)測中的應(yīng)用

目前有視頻傳感、光纖傳感等在監(jiān)測輸電設(shè)備中應(yīng)用較為普遍，輸電線路運行狀況通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用可顯著提升感知和監(jiān)測能力，適用于多種情況監(jiān)測過程中(包括微氣象、覆冰、導(dǎo)線舞動、風(fēng)偏等)，同時能夠?qū)︼L(fēng)險進行合理預(yù)警，為觀測和監(jiān)控輸電設(shè)備運行全過程的實現(xiàn)提供技術(shù)支撐。基于物聯(lián)網(wǎng)的輸電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)對導(dǎo)線的污穢、風(fēng)偏等情況通過使用無光源波導(dǎo)傳感器實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測過程，對桿塔傾斜、線路等情況則通過使用視頻傳感器實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測過程，以便實現(xiàn)定位線路故障等功能，為自我診斷輸電線路的智能化過程提供支撐，物聯(lián)網(wǎng)可有效利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。例如，通過在線監(jiān)測中心的圖像監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)某段線路上的一處設(shè)備(位于絕緣子串上)存在異常，分析檢測結(jié)果為連接封口處的綁扎帶脫膠引起的異常，從而為檢修人員提供解決方案，及時實施有效的處理措施以確保絕緣子串的正常工作及整個電網(wǎng)的正常運行，從而提高輸電線的安全性和可靠性[5]。

3.3 核心模塊的具體功能設(shè)計

(1)智能感知層具體功能

輸變電設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)的感知層以物聯(lián)網(wǎng)為載體，對在具體運行中的輸變電設(shè)備通過多種感知設(shè)備的組合應(yīng)用(主要包括智能傳感器、EPC 標簽及GPS定位系統(tǒng)等)實現(xiàn)對所涉及數(shù)據(jù)狀態(tài)的感知與監(jiān)測及資產(chǎn)信息(全生命周期)的合理收集。在運行過程中感知層主要負責對電網(wǎng)運維信息、輸電設(shè)備狀態(tài)及各項設(shè)備信息(安裝于輸變電路線路上)進行收集[6]。

(2)智能網(wǎng)絡(luò)層具體功能

輸變電設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)的通信層主要由傳感器網(wǎng)絡(luò)、變電站和供電局三個層次構(gòu)成，在具體運行過程中，傳感器網(wǎng)絡(luò)主要實現(xiàn)智能監(jiān)測過程，通過光纖及無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備的狀態(tài)信息，傳輸至智能終端的數(shù)據(jù)經(jīng)進一步處理后進入到變電站和供電局，再由變電站通過出串口光纖完成信息到智能監(jiān)控系統(tǒng)中的傳遞和通信過程。輸電線智能終端會建立起通訊接口與網(wǎng)絡(luò)間的連接(以實際需要為依據(jù))，傳輸?shù)阶冸娬颈O(jiān)控系統(tǒng)中的信息需對線路的拓展性與兼容性進行充分考慮。變電站設(shè)備相互連接，輸變電站信息由供電局網(wǎng)絡(luò)負責整理和收集[7]。

4 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)備選擇

面對龐大的數(shù)據(jù)類型及通信面積，感知層通信網(wǎng)絡(luò)在采集終端數(shù)據(jù)時需借助傳感器完成，通信數(shù)據(jù)流包括縱向和橫向兩種流量通道。網(wǎng)絡(luò)層則需具備強大的通信網(wǎng)絡(luò)管理和監(jiān)控能力以滿足海量、分散化的通信需求。本文采用樹狀拓撲結(jié)構(gòu)(全面聯(lián)結(jié)的網(wǎng)絡(luò))完成通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，具備較好的網(wǎng)絡(luò)擴展性能，便于隔離處理出現(xiàn)的故障，從而提高系統(tǒng)的有效性和可靠性，實現(xiàn)主IED設(shè)備間多點對多點的網(wǎng)絡(luò)通信過程(包括分布式設(shè)置、計算、存儲)，如圖3所示。

圖3 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

選擇OSI體系中的設(shè)備(包括交換、傳輸與路由)作為通信設(shè)備，其交換設(shè)備通信協(xié)議簡易，具有較高的轉(zhuǎn)發(fā)率和帶寬利用率等優(yōu)勢，需通過ARP協(xié)議的使用完成二層協(xié)議網(wǎng)絡(luò)地址的尋找；傳輸設(shè)備，包括SDH、MSTP等，具有低延時性、帶寬及可靠性較高等優(yōu)勢；路由設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性較高，為進一步提升配置靈活度，需結(jié)合使用相關(guān)輔助功能設(shè)備(包括DHCP中繼、服務(wù)器等)簡化其復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、提高信息轉(zhuǎn)發(fā)率[8]。

通信組網(wǎng)方案需根據(jù)實際設(shè)備監(jiān)測體系的業(yè)務(wù)特點完成制定，感知層和網(wǎng)絡(luò)層采用具備簡單便捷優(yōu)勢的交換設(shè)備完成二級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建，實現(xiàn)包括數(shù)據(jù)接入、信息匯聚等在內(nèi)的基本功能；變電站控制中心通過三層通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)(通過路由設(shè)備構(gòu)建)實現(xiàn)調(diào)度和控制功能，對于本地通信，感知層中的尋找和映射地址、數(shù)據(jù)在多個節(jié)點間的匯集、通信協(xié)議的更換、通過連接網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)(包括集成化監(jiān)測單元、終端傳感設(shè)備等)，根據(jù)實際情況分類、隔離各業(yè)務(wù)邏輯通道等；就匯集網(wǎng)絡(luò)而言，通過網(wǎng)絡(luò)互連各主IED，在此基礎(chǔ)上識別和驗證末端設(shè)備，并對接入層流量進行匯集與監(jiān)管；變電站控制及管理中心同樣通過信息網(wǎng)絡(luò)同核心網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備相連，信息傳送通道的構(gòu)建則通過使用SDH/MSTP完成，采集處理數(shù)據(jù)識別存儲設(shè)施，監(jiān)測體系采用PTNI網(wǎng)絡(luò)(具備管道劃分功能優(yōu)勢)實現(xiàn)業(yè)務(wù)隔離[9]。

5 總結(jié)

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大及電網(wǎng)智能化建設(shè)的深入，對輸變電設(shè)備性能的要求也隨之不斷提高，為滿足電網(wǎng)運行對安全可靠方面的需求，本文主要對輸變電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進行了研究和構(gòu)建，以輸變電站設(shè)備監(jiān)測所需靈活性為依據(jù)，充分運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，提升監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，為電網(wǎng)運行質(zhì)量的進一步提高提供參考。