电力物联网在线监测设备系统研究

李琳， 王逸兮， 梁懿， 吴小燕

(1. 国网湖北省电力有限公司， 武汉 430077； 2. 国网湖北省电力有限公司信息通信公司， 武汉 430077；3. 福建亿榕信息技术有限公司， 福州 350003)

0 引言

不断进步的科学技术促进了社会经济的快速发展，同时使社会生产生活对电力的需求不断增加，需进一步提高电力生产设备的经济性，为确保电力设备安全、稳定、经济运行，需提高监测其主要运行参数的实时性和智能性，不断发展完善的电力系统在线监测技术的运用促使定期检修被电力设备状态智能检修逐步替代，电力设备检修系统的优化已成为电力领域的重要研究方向。我国电力系统目前正经历着数字化向智能化方向逐步转变和发展的过程，在智能电网中物联网技术的应用研究不断深入，物联网属于多学科交叉技术(包括计算机、通信系统、控制技术等)具备全面的高度感知性优势，在监测输变电设备上表现出广阔的应用前景，目前应用物联网的输变电设备的智能监测系统成为深入研究和实践的重点。

1 监测系统应用物联网技术的关键问题

我国物联网仍处于发展阶段，为深化物联网与在线监测体系的融合，目前开发输变电设备监测系统的无线网络传感器的通信干扰较为严重，监测设备故障或缺陷发生率等仍然较高。传感设备网络信息流的稳定性有待提高，各类分散的传感节点易被损坏，无线通信的安全问题(包括非法访问、信息泄露、篡改等)，需拓展通信与交互方式，开发物联网业务认证机制及加密机制等。由于物联网应用缺乏统一的标准体系，监测设备的性能各异、标准不一，降低了基于物联网的输变电设备监测能力，阻碍了监测系统的规模化应用。目前在线监测技术人员大多对新兴的物联网技术掌握不足，难以满足精细化的监测管理需求。本文主要研究了监测输变电设备功能的实现路径，考虑到电网规模的不断扩大，网络信息传输平台的构建是提高电网智能化水平的有效途径，充分发挥物联网互联互通的优势，实现输变电设备运行状态的实时监测，为远程控制的实现打下基础[1]。

2 物联网技术在监测电力设备中的应用

物联网体系可划分为：(1)感知层，主要负责一定距离内系统运行过程中传递的各种网络信息的接收，同通信设备间的连接通过短距离无线通信网络实现；(2)负责传输网络数据信息的网络层，是确保有效传递信息关键；(3)应用层，面向终端用户，主要负责确保用户同计算机间交互的实现，确保操作合理及功能的实现。必不可少的硬件设备主要包括路由器、协调器、终端设备，其中作为物联网的关键部分协调器主要由维护连接设备和构建组网等构成，主要负责执行相关指令。在以电网设计为主的物联网网络设计上，主控芯片与网关接口通过网络连接方式的运用实现连接，再通过路由器连接网络终端设备，需根据实际需要不断提高路由器的兼容性以提高其使用范围。结合使用协调器以有效满足传输数据信号的需求，经逻辑电平转化后的传输信号才能向网路平台上传输。随着智能电网的不断深入发展，对电力设备运行参数的检测提出了更高的要求，为提升检测过程的智能化水平，而物联网的信息采集点分散，满足庞大的电网的信息分布处理需求，本文完成了基于物联网技术的设备检测系统的构建，显著提升了信息采集功能，运用其强大的交互和感知能力为智能化监测电力设备参数提供有效支撑，在提升输变电设备监测效率的同时确保了对通信网络的控制和管理能力[2]。

3 电网输变电设备监测系统设计

3.1 输变电设备通信架构

基于物联网的输变电设备通信架构体系在物联网架构的基础上完成构建，具体如图1所示。

图1 通信架构图

主要由应用层、网络层、感知层构成，不同层对应不同的功能需求，有效满足了传输数据及有效控制路由的需求。(1)应用层主要由交换机、路由器等组成，主要负责为输变电设备全过程状态通过全景化数据平台(综合运用应用服务器、网络信息中心等实现)提供监测与管理功能，同其他层间主要通过通信总线实现通信过程，网络间通信时通信协议主要通过前置关口设备的运用实现转换过程，从而实现数据处理能力(包括传送、接收、识别等)。(2)感知层的信息种类较多且来源复杂，主要涉及变电站、电力运行、输电线路、数据传感网络及运维系统等，需根据实际情况协调好通信网络，不断强化对复杂通信流的控制。(3)网络层的功能在于连接感知层及应用层间的通信过程(通过多协议接口)，各传感网络间通过前置设备变更与转换通信协议，通过光纤网络实现远程通信过程，满足远程通信传送等需求[3]。

3.2 物联网与在线监测

对变电设备、输电线路通过应用物联网技术可使感知能力得以有效提高，包括数据传输联合处理等功能通过结合使用信息通信网络实现，从而提高电网的智能化水平。

(1)变电站设备在线监测系统结构

应用物联网技术的智能变电站有助于智能巡检及安全监测变电站功能的实现，应用于监测变电设备中的物联网技术主要由GIS局放、变压器油色谱、避雷器绝缘监测等构成，本文设计的基于物联网的在线监测系统结构如图2所示。

图2 变电设备在线监测系统结构

对设备运行信息通过无线传感器(具备较高的灵敏度)的使用完成采集过程，通过运行预试项目提高无线网络处理与识别信息的能力，同时引入实际设备运行的特征量，在此基础上实现科学诊断与评估设备运行状态功能[4]。

(2)物联网技术在实际监测中的应用

目前有视频传感、光纤传感等在监测输电设备中应用较为普遍，输电线路运行状况通过物联网技术的使用可显著提升感知和监测能力，适用于多种情况监测过程中(包括微气象、覆冰、导线舞动、风偏等)，同时能够对风险进行合理预警，为观测和监控输电设备运行全过程的实现提供技术支撑。基于物联网的输电设备在线监测系统对导线的污秽、风偏等情况通过使用无光源波导传感器实现动态监测过程，对杆塔倾斜、线路等情况则通过使用视频传感器实现动态监测过程，以便实现定位线路故障等功能，为自我诊断输电线路的智能化过程提供支撑，物联网可有效利用无线传感器网络的优势。例如，通过在线监测中心的图像监测网络发现某段线路上的一处设备(位于绝缘子串上)存在异常，分析检测结果为连接封口处的绑扎带脱胶引起的异常，从而为检修人员提供解决方案，及时实施有效的处理措施以确保绝缘子串的正常工作及整个电网的正常运行，从而提高输电线的安全性和可靠性[5]。

3.3 核心模块的具体功能设计

(1)智能感知层具体功能

输变电设备监测系统的感知层以物联网为载体，对在具体运行中的输变电设备通过多种感知设备的组合应用(主要包括智能传感器、EPC 标签及GPS定位系统等)实现对所涉及数据状态的感知与监测及资产信息(全生命周期)的合理收集。在运行过程中感知层主要负责对电网运维信息、输电设备状态及各项设备信息(安装于输变电路线路上)进行收集[6]。

(2)智能网络层具体功能

输变电设备监测系统的通信层主要由传感器网络、变电站和供电局三个层次构成，在具体运行过程中，传感器网络主要实现智能监测过程，通过光纤及无线通信网络传输设备的状态信息，传输至智能终端的数据经进一步处理后进入到变电站和供电局，再由变电站通过出串口光纤完成信息到智能监控系统中的传递和通信过程。输电线智能终端会建立起通讯接口与网络间的连接(以实际需要为依据)，传输到变电站监控系统中的信息需对线路的拓展性与兼容性进行充分考虑。变电站设备相互连接，输变电站信息由供电局网络负责整理和收集[7]。

4 通信网络结构的设备选择

面对庞大的数据类型及通信面积，感知层通信网络在采集终端数据时需借助传感器完成，通信数据流包括纵向和横向两种流量通道。网络层则需具备强大的通信网络管理和监控能力以满足海量、分散化的通信需求。本文采用树状拓扑结构(全面联结的网络)完成通信网络结构的构建，具备较好的网络扩展性能，便于隔离处理出现的故障，从而提高系统的有效性和可靠性，实现主IED设备间多点对多点的网络通信过程(包括分布式设置、计算、存储)，如图3所示。

图3 通信网络结构

选择OSI体系中的设备(包括交换、传输与路由)作为通信设备，其交换设备通信协议简易，具有较高的转发率和带宽利用率等优势，需通过ARP协议的使用完成二层协议网络地址的寻找；传输设备，包括SDH、MSTP等，具有低延时性、带宽及可靠性较高等优势；路由设备的稳定性和安全性较高，为进一步提升配置灵活度，需结合使用相关辅助功能设备(包括DHCP中继、服务器等)简化其复杂的网络协议、提高信息转发率[8]。

通信组网方案需根据实际设备监测体系的业务特点完成制定，感知层和网络层采用具备简单便捷优势的交换设备完成二级网络系统的构建，实现包括数据接入、信息汇聚等在内的基本功能；变电站控制中心通过三层通信协议网络(通过路由设备构建)实现调度和控制功能，对于本地通信，感知层中的寻找和映射地址、数据在多个节点间的汇集、通信协议的更换、通过连接网络实现(包括集成化监测单元、终端传感设备等)，根据实际情况分类、隔离各业务逻辑通道等；就汇集网络而言，通过网络互连各主IED，在此基础上识别和验证末端设备，并对接入层流量进行汇集与监管；变电站控制及管理中心同样通过信息网络同核心网络路由设备相连，信息传送通道的构建则通过使用SDH/MSTP完成，采集处理数据识别存储设施，监测体系采用PTNI网络(具备管道划分功能优势)实现业务隔离[9]。

5 总结

随着电力系统规模的不断扩大及电网智能化建设的深入，对输变电设备性能的要求也随之不断提高，为满足电网运行对安全可靠方面的需求，本文主要对输变电站设备状态监测系统进行了研究和构建，以输变电站设备监测所需灵活性为依据，充分运用物联网技术的优势，提升监测数据的准确性，为电网运行质量的进一步提高提供参考。