物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在特高壓變電站中的應(yīng)用

屈延師，郭 凱，張高峰，岳雷剛，黃健金

（國網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，河南 鄭州 450051）

0 引言

近階段，國家電網(wǎng)有限公司提出“打造全業(yè)務(wù)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略目標(biāo)，打造能源流、業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流合一的能源互聯(lián)網(wǎng)。國家電網(wǎng)有限公司將在繼續(xù)建設(shè)運(yùn)營好以特高壓交流、特高壓直流電網(wǎng)為網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)基礎(chǔ)上，融合最新的物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)存儲和分析、云計(jì)算、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提高國家電網(wǎng)系統(tǒng)的信息化、智能化、集約化水平，使國家電網(wǎng)能源、資源配置能力不斷提升，減少棄風(fēng)棄光，提高能源利用效率和質(zhì)量。目前國家電網(wǎng)有限公司在特高壓5G 應(yīng)用、大數(shù)據(jù)應(yīng)用、智能終端、國網(wǎng)云、物聯(lián)管理平臺、報(bào)表優(yōu)化等方面開展泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)試點(diǎn)，各項(xiàng)應(yīng)用正在逐步落地。從特高壓變電站設(shè)備運(yùn)維的特點(diǎn)和要求出發(fā)，對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在特高壓設(shè)備狀態(tài)檢測、故障智能診斷分析處理、運(yùn)維管理等方面的應(yīng)用前景進(jìn)行分析，為變電站電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供參考。

1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)分層體系架構(gòu)

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)呈現(xiàn)出能量流、信息流與業(yè)務(wù)流互相耦合的特征［1］，未來電網(wǎng)的運(yùn)營模式將有本質(zhì)的跨越提升。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)分層體系架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層組成，如圖1 所示。

圖1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)分層體系架構(gòu)

1.1 感知層

感知層是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)，通過采用各種各樣的傳感器采集電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。變電站感知層設(shè)備包括電壓互感器、電流互感器、電能表、油氣在線監(jiān)測裝置、油溫表、油位表、液位表、風(fēng)速表、震動測試儀、聲音測試儀、智能機(jī)器人、智能紅外可見光攝像頭、智能充電樁、智能電器等各類終端。通過所獲取的數(shù)據(jù)能夠深度、精確、實(shí)時(shí)掌握電網(wǎng)全面運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)識別設(shè)備異常故障，評估電網(wǎng)設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)等級，及時(shí)處理消缺，同時(shí)，通過靈活調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式，優(yōu)化生產(chǎn)、用能模式，提高電網(wǎng)對新能源消納能力，強(qiáng)化電網(wǎng)的穩(wěn)定性、靈活性、容災(zāi)性。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是為物聯(lián)網(wǎng)的各類型業(yè)務(wù)提供安全快捷的信道，分為內(nèi)部專網(wǎng)和互聯(lián)外網(wǎng)。具體的通信方式則根據(jù)工況、距離、成本、效率來選擇，包含移動空中網(wǎng)、光纖、同軸電纜、Wlan、Zigbee 以及最新的5G 技術(shù)等。

1.3 平臺層

平臺層統(tǒng)一存儲并管理能源側(cè)、電網(wǎng)運(yùn)行、用戶等各種數(shù)據(jù)。解決傳統(tǒng)運(yùn)行方式信息零散、不集中的問題，實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)互通，方便共享利用。通過搭建數(shù)據(jù)中心、云平臺等方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集更新。

1.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層基于收集到的電網(wǎng)數(shù)據(jù)與用戶數(shù)據(jù)，針對用戶及運(yùn)營業(yè)務(wù)等，建立目標(biāo)應(yīng)用平臺，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)、用戶、電廠、新能源之間的應(yīng)用落地，切實(shí)提高能源利用效率。

2 特高壓變電站物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)前景

交流特高壓變電站電壓等級為1 000 kV，設(shè)備技術(shù)含量高、容量大（主變壓器單相容量高達(dá)1 000 MVA）。特高壓設(shè)備有變壓器、高壓并聯(lián)電抗器、串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置、氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備、避雷器、電壓互感器等。現(xiàn)場設(shè)備缺陷主要依靠人工巡檢來發(fā)現(xiàn)，然而設(shè)備數(shù)量多，全面巡檢一次時(shí)間長，很難做到實(shí)時(shí)監(jiān)測；現(xiàn)場表計(jì)多種多樣，主要依靠人工抄錄來監(jiān)測，抄錄工作量大，抄錄后數(shù)據(jù)還要靠人工錄入比對，效率低下；特高壓設(shè)備高度高（如串補(bǔ)平臺高達(dá)12.5 m），人員很難查看設(shè)備上部運(yùn)行狀況，需要借助可見光和紅外監(jiān)測系統(tǒng)；現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)、串補(bǔ)平臺紅外測溫、機(jī)器人巡檢系統(tǒng)互不兼容，需要人工在各個(gè)系統(tǒng)之間比對分析，導(dǎo)致缺陷發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，故障跳閘分析速度慢，影響事故處理速度；日常運(yùn)維各種報(bào)表工作量大、重復(fù)性較多、效率低。因此，特高壓變電站運(yùn)行中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評估、故障處理、運(yùn)行管理等方面問題突出，同時(shí)，由于特高壓變電站安全距離大，設(shè)備布置緊湊，作業(yè)人員安全管控問題突出?；谏鲜鲂枨螅ㄔO(shè)特高壓變電站物聯(lián)網(wǎng)方案如圖2所示。

圖2 特高壓變電站物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案

感知層由站域級邊緣計(jì)算單元、站域級集成感知陣列、設(shè)備級感知網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備級感知傳感器組成［2］。站域級集成感知陣列主要集成紅外測溫、視頻、局部放電、色譜分析儀、聲音傳感器、震動傳感器、氣味傳感器、遙測、機(jī)器人等設(shè)備實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的測量，通過全球定位系統(tǒng)、北斗定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步采樣定位［3］。

平臺層由電力設(shè)備云平臺、站域級邊緣計(jì)算單元組成，集成監(jiān)控系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)、串補(bǔ)平臺紅外測溫、機(jī)器人巡檢系統(tǒng)等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中處理、聯(lián)動，并能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行橫向、縱向比對分析，深度挖掘，實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)評估、異常智能報(bào)警，故障智能診斷，各種運(yùn)行報(bào)表自動生成等功能。

特高壓變電站物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要包括對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測、安全風(fēng)險(xiǎn)評估、故障智能診斷分析控制處理、作業(yè)人員安全管控、主輔設(shè)備聯(lián)動、智能化運(yùn)行管理、備品資產(chǎn)精益化管理等方面。

2.1 設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測

目前特高壓變電站內(nèi)在線監(jiān)測系統(tǒng)包括變壓器高抗油色譜、鐵芯夾件電流、金屬封閉氣體絕緣開關(guān)設(shè)備局部放電、斷路器動作特性、SF6密度、避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)。各個(gè)系統(tǒng)之間以及與監(jiān)控系統(tǒng)沒有聯(lián)系，難以對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行綜合評估，需要依賴人工對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，采用日比對、周分析、月總結(jié)形式，工作量大且效率低下。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各個(gè)系統(tǒng)融合，將各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸居蚣壠脚_進(jìn)行分析和決策，能夠使系統(tǒng)實(shí)時(shí)感知電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過基于電網(wǎng)故障特征神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能識別電氣設(shè)備的正常、一般缺陷、嚴(yán)重缺陷、危急缺陷等運(yùn)行狀態(tài)，并能夠及時(shí)報(bào)警并通知相應(yīng)人員進(jìn)行消缺。

2.2 安全風(fēng)險(xiǎn)評估

對電網(wǎng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和挖掘，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能方法進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)評估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)和安全隱患，提高供電可靠性，如根據(jù)設(shè)備運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，采用聚類算法，進(jìn)行縱向、橫向比對分析，預(yù)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)展趨勢，實(shí)現(xiàn)全景風(fēng)險(xiǎn)管理和自愈控制［4］。

2.3 設(shè)備故障智能診斷分析處理

特高壓變電站設(shè)備的劣化過程是力、熱、電場、磁場等多物理化學(xué)綜合過程，機(jī)制復(fù)雜。通過人工智能技術(shù)可以深入挖掘全系統(tǒng)的故障案例，結(jié)合傳統(tǒng)故障診斷模型“數(shù)據(jù)驅(qū)動+模型驅(qū)動”開發(fā)一種新的故障診斷模型［5］。根據(jù)大量案例建立診斷判據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)疑似異常情況，并采集所有相關(guān)數(shù)據(jù)綜合分析設(shè)備故障、異常、變化發(fā)展趨勢、對其進(jìn)行相間比較、同類設(shè)備比較、歷史數(shù)據(jù)比較綜合分析診斷并準(zhǔn)確定位故障，智能化給出故障類型、分析報(bào)告、處理建議，啟動相應(yīng)應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，通知相關(guān)人員，并能夠根據(jù)相關(guān)控制策略自動對設(shè)備故障隔離，防止設(shè)備損壞［6］。

2.4 現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)

由于電力系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)的復(fù)雜性，現(xiàn)場經(jīng)常出現(xiàn)誤操作、誤入帶電間隔等問題。在智能電網(wǎng)技術(shù)中，基于人臉識別、車輛識別、射頻識別、越界提醒、智能化五防等技術(shù)實(shí)現(xiàn)全方位無死角實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)調(diào)度人員，安監(jiān)人員和現(xiàn)場人員之間的實(shí)時(shí)交互，進(jìn)而消除安全隱患。根據(jù)變電站三維掃描數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對作業(yè)區(qū)域的布防［7］，同時(shí)，通過視頻監(jiān)控智能實(shí)時(shí)監(jiān)控與識別人員的行為和活動范圍，及時(shí)警告拍照并實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)控系統(tǒng)，通知運(yùn)行人員、安監(jiān)人員，使現(xiàn)場工作可控、能控、在控。

2.5 主輔設(shè)備聯(lián)動

完成輔控系統(tǒng)數(shù)據(jù)與主設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的融合［8］，當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備過熱、水浸、著火等異常工況時(shí)，實(shí)時(shí)切換視頻監(jiān)控，并智能識別確認(rèn)設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)告警并通知相關(guān)人員，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行溫度、濕度、水位、火災(zāi)報(bào)警等信息聯(lián)動輔控系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)定閾值自動啟動空調(diào)、風(fēng)機(jī)、水泵、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等設(shè)備，并實(shí)時(shí)監(jiān)測故障異常發(fā)展過程，根據(jù)故障情況啟動相應(yīng)級別應(yīng)急響應(yīng)。

2.6 智能化運(yùn)行管理

變電站設(shè)備種類多種多樣，結(jié)構(gòu)原理各不相同、各種表計(jì)繁多，日常運(yùn)維工作量大且效率低、重復(fù)性工作多。建立智能巡檢管控平臺，通過無人機(jī)、巡檢機(jī)器人、視頻監(jiān)控，紅外監(jiān)控、在線監(jiān)測等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，開展全過程自主化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。使用人工智能方法實(shí)現(xiàn)對工作現(xiàn)場環(huán)境、工作流程、安全工器具和員工狀態(tài)的全面監(jiān)控，結(jié)合地理信息系統(tǒng)GIS，三維可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備的全景顯示［9］，可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，降低基層工作人員工作強(qiáng)度。傳統(tǒng)的設(shè)備檢查、運(yùn)行維護(hù)、檢修方法將被取代，大量重復(fù)低效的運(yùn)維崗位將被技術(shù)所取代，提高生產(chǎn)效能。

2.7 備品、資產(chǎn)精益化管理

特高壓變電站設(shè)備種類多，備品多種多樣，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場備件和資產(chǎn)數(shù)據(jù)的收集管理，提高變電站的備品、資產(chǎn)管理水平。充分利用射頻識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)管控，保障帳、卡和物資數(shù)據(jù)更新的完整性、準(zhǔn)確性和及時(shí)性，提高備品物資管理水平，實(shí)現(xiàn)備件和資產(chǎn)的全過程精益化管理，提高管理效率與管理智能化水平。

3 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)是未來電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢，將在電力系統(tǒng)全面落地，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將提升特高壓變電站在電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測、安全風(fēng)險(xiǎn)評估、故障智能診斷分析控制處理、作業(yè)人員安全管控、主輔設(shè)備聯(lián)動、智能化運(yùn)行、備品資產(chǎn)精益化管理水平，使設(shè)備健康水平、管理智能化水平大大提高。電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)落地，實(shí)現(xiàn)特高壓變電站設(shè)備運(yùn)維管理水平新的跨越，確保特高壓電網(wǎng)的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。