基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在變電站在線監(jiān)測中的應(yīng)用

魏天呈 張亮

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司智能城市研究院 河北省保定市 071000）

1 引言

國家電網(wǎng)有限公司近年來通過信息化“SG186”、“SG-ERP”等信息通信工程建設(shè)，基本建成了覆蓋各專業(yè)的信息系統(tǒng)，支撐了企業(yè)管理、生產(chǎn)控制、客戶服務(wù)工作的正常開展。隨著“三型兩網(wǎng)、世界一流”、“數(shù)字新基建”等戰(zhàn)略的推進(jìn)，國網(wǎng)公司物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已具有一定基礎(chǔ)，各省市電力公司在業(yè)務(wù)驅(qū)動下，在變電環(huán)節(jié)不同程度的應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境信息的在線監(jiān)測，以期彌合巡檢工作量和人員短缺之間的矛盾，但是國網(wǎng)公司物聯(lián)網(wǎng)整體建設(shè)進(jìn)度與應(yīng)用規(guī)模仍存在不足，長期以來變電站在線監(jiān)測業(yè)務(wù)技術(shù)路線龐雜，不能體系，因此具備靈活部署、無線組網(wǎng)、低成本等優(yōu)勢的基于LoRa 技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在變電站在線監(jiān)測中的應(yīng)用潛力巨大。

由于標(biāo)準(zhǔn)制定工作滯后于技術(shù)應(yīng)用速度，國網(wǎng)公司在變電站在線監(jiān)測場景存在多種通信方式，光纖、RS485、Wi-Fi、LoRa、藍(lán)牙、Zigbee、4G 公網(wǎng)、無線專網(wǎng)等方式都成為了傳感設(shè)備廠商和節(jié)點(diǎn)設(shè)備廠商的選擇項，造成煙囪獨(dú)立，設(shè)備在線率低、維護(hù)困難、系統(tǒng)頻繁錯報漏報的結(jié)果，一線運(yùn)檢員工工作繁雜，苦不堪言，亟需互聯(lián)互通的通信設(shè)備和智能高效的監(jiān)測數(shù)據(jù)評價手段。

為統(tǒng)一通信方式、數(shù)據(jù)格式，打通多廠家傳感設(shè)備、節(jié)點(diǎn)設(shè)備信息傳輸通道，國網(wǎng)公司在2021年發(fā)布《輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備無線組網(wǎng)協(xié)議》和《輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)微功率無線網(wǎng)通信協(xié)議》，推薦以LoRa 技術(shù)為輸變電場景物聯(lián)網(wǎng)通信方式，為深化物聯(lián)網(wǎng)及技術(shù)應(yīng)用、深度挖掘電力大數(shù)據(jù)價值奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。

2 研究必要性

國家電網(wǎng)有限公司自“十三五”以來，各類傳感設(shè)備數(shù)量呈爆發(fā)式增長，輸電、變電、配電環(huán)節(jié)均大量使用攝像頭、無人機(jī)、傳感器、手持監(jiān)測設(shè)備、巡檢機(jī)器人等方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)和業(yè)務(wù)運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測。

從我國目前電網(wǎng)的整體情況上看，變電環(huán)節(jié)的各電壓等級都在積極推進(jìn)數(shù)字化技術(shù)在運(yùn)維檢修工作中的應(yīng)用，220kV 及以下等級的變電站基本都實(shí)現(xiàn)了智能運(yùn)檢；500kV 智能變電站也在積極推進(jìn)無人值守技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)度，以期能加快實(shí)現(xiàn)智能變電站7*24 小時無人值守，隨著技術(shù)可靠性的提升和成功應(yīng)用經(jīng)驗的積累，無人值守的變電站管控模式將成為未來電網(wǎng)變電站在線監(jiān)測的大趨勢。此外，750kV 智能變電站設(shè)備更加復(fù)雜、特殊，所需要值班人員數(shù)量更大，這就給國家電網(wǎng)公司變電專業(yè)運(yùn)維檢修工作帶來了巨大的財力、人力資源的難題，眾多基層單位也在積極進(jìn)行技術(shù)攻堅，力求解決巡檢工作量大和人員短缺之間的矛盾，這對于供電系統(tǒng)而言將極大提高整體業(yè)務(wù)數(shù)字化水平，通過技術(shù)手段踐行“雙碳”戰(zhàn)略。而且，近期各地用電量供需關(guān)系變化，對電力安全生產(chǎn)提出了更高的要求，變電站頻繁變更運(yùn)行狀態(tài)會加速設(shè)備老化，增加升溫、局部放電、絕緣油變質(zhì)等隱患，一旦變電站出現(xiàn)故障，將對區(qū)域內(nèi)大范圍居民和工業(yè)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響，設(shè)備維修更換時間長、工作繁雜、耗資巨大。因此，實(shí)現(xiàn)220kV、500kV、750kV 變電站在線監(jiān)測，對支撐工業(yè)生產(chǎn)，滿足人民群眾基本生活需求，保障整體電力系統(tǒng)安全十分必要。

變電站在線監(jiān)測現(xiàn)狀：

（1）各廠家傳感器多種接入方式并存，通信方式和數(shù)據(jù)格式多樣，缺乏統(tǒng)一的分析、告警閾值量化標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)維檢修人員工作負(fù)擔(dān)重，精益管理水平提升進(jìn)程受到掣肘。

（2）各感知系統(tǒng)相互獨(dú)立，單一維度探測數(shù)據(jù)難以精準(zhǔn)判斷變電站整體運(yùn)行狀態(tài)，業(yè)務(wù)、設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測煙囪化，需要更豐富、科學(xué)的感知和判斷手段，提升平臺分析結(jié)果的可信程度，減少誤報漏報次數(shù)，深度挖掘電力大數(shù)據(jù)價值，實(shí)現(xiàn)由周期性停電向狀態(tài)性停電發(fā)展。

（3）多種通信協(xié)議共存，需要統(tǒng)一接入平臺，降低網(wǎng)絡(luò)管理負(fù)擔(dān)，提升統(tǒng)籌管理能力。

（4）需求可信可靠的高水平綜合管理平臺，界面優(yōu)化、人機(jī)交互水平還需提升，變電站在線監(jiān)測、安全防范、動力環(huán)境監(jiān)測、智能鎖控、等子系統(tǒng)未能實(shí)現(xiàn)能力整合、統(tǒng)籌管理，機(jī)器人巡視、圖像識別等創(chuàng)新技術(shù)潛力亟待挖掘。

3 基于LoRa通信的變電站物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 基于LoRa通信的變電站物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

變電在線監(jiān)測物聯(lián)應(yīng)用體系總體架構(gòu)分為四層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1：變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)圖

（1）感知層。感知層由多形態(tài)物聯(lián)網(wǎng)傳感器（有源、無源、有線通信、無線通信）、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（邊緣物聯(lián)代理、安全接入網(wǎng)關(guān)網(wǎng)關(guān)）組成，分為傳感器層與數(shù)據(jù)匯聚層兩部分，實(shí)現(xiàn)傳感信息采集和匯聚，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的“感知皮膚”。

傳感器層由各類物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)變電站一次設(shè)備健康狀態(tài)在線監(jiān)測和環(huán)境信息在線監(jiān)數(shù)據(jù)采集，并通過有線/無線網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)上傳至匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)備。變電在線監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)傳感器主要有微功率無線傳感器（μW 級，通信方式符合《輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)微功率無線網(wǎng)通信協(xié)議》）、低功耗無線傳感器（mW 級，通信方式符合《輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備無線組網(wǎng)協(xié)議》）、有線傳感器（通信方式采用光纖或RS485）三類。

數(shù)據(jù)匯聚層由匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)備、接入節(jié)點(diǎn)設(shè)備等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，各類節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了業(yè)務(wù)場景全覆蓋的傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了微功率/低功耗無線傳感網(wǎng)和有線傳輸網(wǎng)絡(luò)全兼容，無線匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)備相當(dāng)于物聯(lián)網(wǎng)“路由器”，單臺匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)備可接入1000 臺傳感器。通過現(xiàn)場實(shí)地勘測，一座標(biāo)準(zhǔn)220kv 變電站只需4-15 臺匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)全站信號覆蓋。接入節(jié)點(diǎn)設(shè)備具備基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)管理、信令調(diào)度、休眠管理的功能，單臺接入節(jié)點(diǎn)設(shè)備可接入3000 臺傳感器，同時搭載可軟件定義的邊緣計算框架，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測業(yè)務(wù)全接入，變電站內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)信號全覆蓋，大小顆粒業(yè)務(wù)融合多維分析，站內(nèi)實(shí)現(xiàn)邊緣計算，閉環(huán)快速分析判斷結(jié)果，重要信息上傳至平臺端。接入節(jié)點(diǎn)的部署，可明顯提升在線監(jiān)測系統(tǒng)判斷結(jié)果準(zhǔn)確性，極大縮短基層運(yùn)維人員處置隱患反應(yīng)時間，降低物聯(lián)網(wǎng)接入平臺和云平臺的計算負(fù)擔(dān)，對物聯(lián)網(wǎng)整體的敏捷性和穩(wěn)定性具有重要意義。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層由電力無線專網(wǎng)、4G 公網(wǎng)、5G 公網(wǎng)、光纖專網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)組成的通信網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)感知層和平臺層的數(shù)據(jù)通信，具備高可靠、低時延、大帶寬、重安全的特性，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的“神經(jīng)系統(tǒng)”。

（3）平臺層。具有強(qiáng)大分析計算能力，可通過大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)對海量感知數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度綜合分析，遠(yuǎn)程配置接入節(jié)點(diǎn)設(shè)備（邊緣物聯(lián)代理、安全接入網(wǎng)關(guān)）邊緣計算模型，周期性對接入節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)升級，提升接入節(jié)點(diǎn)設(shè)備結(jié)合告警信息、環(huán)境變化、設(shè)備老化的分析能力，降低接入節(jié)點(diǎn)漏報、誤報次數(shù)是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的“大腦”。

（4）應(yīng)用層。分為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和用戶服務(wù)系統(tǒng)，具備復(fù)雜、專業(yè)的數(shù)據(jù)分析能力，可進(jìn)行獨(dú)立計算或協(xié)同計算，是挖掘大數(shù)據(jù)價值、提升數(shù)據(jù)分析結(jié)果準(zhǔn)確性的計算核心。

3.2 接入模式

如圖2所示，在變電站場景下，變電在線監(jiān)測物聯(lián)體系主要包括數(shù)字化表計、在線監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測3 大類型27 小類物聯(lián)裝置。其中，數(shù)字化表計主要包括SF6 密度繼電器、避雷器泄漏電流表、智能油溫計、油位監(jiān)測、液壓表等5 類表計；在線監(jiān)測類主要包括油色譜、鐵芯/夾件接地電流、局放、聲紋振動、套管電容量及介損、開關(guān)機(jī)械特性、金屬氧化物避雷器、SF6 氣體微水、觸頭及接頭測溫、少油設(shè)備油壓、交直流電源在線監(jiān)測等11 類裝置；變電站環(huán)境監(jiān)測類主要包括微氣象、水浸、溫濕度、噪聲、SF6 氣體泄漏、水位、溫/煙感、紅外對射/雙鑒、電子圍欄、開關(guān)控制器、空調(diào)控制器等11 類裝置。根據(jù)不同變電在線監(jiān)測物聯(lián)裝置的供電方式、通信需求提供四種組網(wǎng)模式供靈活選配。

圖2：四種接入模式圖

模式一：適用于具有設(shè)備功耗極低，通信數(shù)據(jù)帶寬要求低，使用電池供電等特征的裝置，主要包括SF6 密度表、SF6 氣體微水傳感器、鐵芯/夾件接地電流、觸頭及接頭測溫、溫濕度、水浸、水位、微氣象、溫度、煙感、噪聲、SF6 氣體泄漏等前端感知裝置，采用《輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)微功率無線網(wǎng)通信協(xié)議》接入到匯聚節(jié)點(diǎn)或者邊緣物聯(lián)代理裝置。

模式二：適用于具有功耗比較低，有一定通信帶寬要求，需要易于拆裝等特征的裝置，主要包括避雷器泄漏電流表、蓄電池監(jiān)測、空調(diào)控制器、開關(guān)控制器、部分外置式局放等類型的前端感知裝置，使用電池供電，采用《輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備無線組網(wǎng)協(xié)議》接入到匯聚節(jié)點(diǎn)或者邊緣物聯(lián)代理裝置。

模式三：適用于需要前端感知部分實(shí)時采集，對被感知物理量進(jìn)行持續(xù)分析與處理的裝置，主要包括各種局放、聲紋振動、套管電容量及介損、開關(guān)機(jī)械特性等前端感知裝置，可以通過相對窄帶的通信通道實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果或圖譜數(shù)據(jù)傳輸，使用有源供電，采用《輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備無線組網(wǎng)協(xié)議》接入到匯聚節(jié)點(diǎn)或者邊緣物聯(lián)代理裝置。

模式四：適用于前端存在有源供電的就地分析主機(jī)的裝置，主要包括油色譜、分布式局放監(jiān)測裝置、紅外圖像測溫等裝置，可以通過內(nèi)嵌無線轉(zhuǎn)換裝置將就地主機(jī)分析后的重點(diǎn)圖譜和結(jié)果數(shù)據(jù)通過無線通道轉(zhuǎn)發(fā)，通信方式符合《輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備無線組網(wǎng)協(xié)議》，亦可采用有線方式與邊緣物聯(lián)代理裝置通信，數(shù)據(jù)最終接入到匯聚節(jié)點(diǎn)或者邊緣物聯(lián)代理裝置。

3.3 典型接入方案

基于新一代二次系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范和公司智慧物聯(lián)體系建設(shè)要求，變電在線監(jiān)測物聯(lián)裝置接入遵循公司輸變電物聯(lián)網(wǎng)總體框架，典型接入方案如圖3所示。

圖3：物聯(lián)裝置典型接入方案

感知終端由各種有線、無線在線監(jiān)測傳感器組成，采用《輸變電物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備無線組網(wǎng)協(xié)議》，《輸變電物聯(lián)網(wǎng)微功率無線通信協(xié)議》，傳感器數(shù)據(jù)按《輸變電物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)規(guī)范》編碼上傳到無線匯聚節(jié)點(diǎn)。

在線監(jiān)測物聯(lián)感知終端在Ⅳ區(qū)通過匯聚節(jié)點(diǎn)接入無線傳感器邊緣物聯(lián)代理。無線傳感器邊緣物聯(lián)代理實(shí)現(xiàn)一收雙發(fā)，一路數(shù)據(jù)上送物聯(lián)管理平臺，另一路數(shù)據(jù)通過反向隔離送Ⅱ區(qū)綜合應(yīng)用主機(jī)，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)輔控系統(tǒng)統(tǒng)一應(yīng)用，并通過服務(wù)網(wǎng)關(guān)機(jī)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至集控站監(jiān)控系統(tǒng)。

4 感知設(shè)備配置

根據(jù)電站設(shè)備布置方式，結(jié)合主輔設(shè)備狀態(tài)感知、運(yùn)行環(huán)境感知，智能巡檢，主輔設(shè)備智能聯(lián)動，運(yùn)檢人員作業(yè)行為智能管控共五類功能需求，制定變電站詳細(xì)就地模塊（匯聚節(jié)點(diǎn)）配置原則以及配置清單如表1所示。

表1：變電站物聯(lián)網(wǎng)場景就地模塊（匯聚節(jié)點(diǎn)）配置清單

5 技術(shù)性能分析

變電在線監(jiān)測裝置物聯(lián)網(wǎng)化解決方案能夠滿足在線監(jiān)測功能的基本要求，具體體現(xiàn)在以下方面：

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化及易擴(kuò)展性：在線監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用統(tǒng)一的《輸變電物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備無線組網(wǎng)協(xié)議》，《輸變電物聯(lián)網(wǎng)微功率無線通信協(xié)議》，解決現(xiàn)有傳感器多使用私有化協(xié)議，一套在線監(jiān)測系統(tǒng)中多種私有協(xié)議并存的問題，同時標(biāo)準(zhǔn)化的《輸變電物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)規(guī)范》具有高度可擴(kuò)展性，根據(jù)新的業(yè)務(wù)需求可以便捷擴(kuò)展。

靈活供電方式：在線監(jiān)測裝置可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用業(yè)務(wù)需求采用靈活供電方式，低功耗在線監(jiān)測裝置可以采用電池供電或者無源取能，實(shí)現(xiàn)無線化部署與工作，方便進(jìn)行施工安裝與運(yùn)維，采集數(shù)據(jù)量較大且實(shí)時性要求較高的在線檢測裝置可以采用有線供電的方式實(shí)現(xiàn)高頻次的數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)傳輸帶寬：對于在線監(jiān)測類傳感器中的傳輸頻次高，數(shù)據(jù)量小，傳輸帶寬要求較低的場景使用《輸變電物聯(lián)網(wǎng)微功率無線通信協(xié)議》；對于在線監(jiān)測類傳感器中頻次較低，單次數(shù)據(jù)量較大的場景使用《輸變電物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備無線組網(wǎng)協(xié)議》。

數(shù)據(jù)實(shí)時性與上報頻率：對于數(shù)據(jù)量小、傳輸頻次高的傳感器，采用分鐘級傳輸周期；對于單次采集數(shù)據(jù)量較大的傳感器，靈活配置傳輸周期；對于前置告警的傳感器數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸。

方案兼容性：變電在線監(jiān)測裝置物聯(lián)網(wǎng)化解決方案既支持新建變電站的在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，也支持已投運(yùn)變電站設(shè)備改造升級。

6 結(jié)語

近年來，在“三型兩網(wǎng)”、“數(shù)字新基建”等國家電網(wǎng)有限公司宏觀戰(zhàn)略的指導(dǎo)下，電力在線監(jiān)測設(shè)備數(shù)量呈爆發(fā)式增長，基層運(yùn)維檢修人員因新技術(shù)使用而減負(fù)增效的程度十分有限，為提質(zhì)增效，真正打通數(shù)據(jù)壁壘，深度挖掘電力大數(shù)據(jù)價值，國家電網(wǎng)公司在科研院校、頭部廠商和基層運(yùn)檢人員的不斷努力下，嘗試了多種技術(shù)方案，目前物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測技術(shù)路線應(yīng)用最廣、試點(diǎn)最多。

在各地“限電潮”的洪流中，變電站運(yùn)行負(fù)載變化劇烈，經(jīng)受了嚴(yán)峻考驗。以LoRa為基礎(chǔ)的電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，必將在應(yīng)用中發(fā)展，在發(fā)展中應(yīng)用，不斷融合吸納大數(shù)據(jù)、人工智能、5G、區(qū)塊鏈等新技術(shù)，加強(qiáng)在線監(jiān)測感知分析能力，提升精益化管理水平，為電力安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。