基于标准化物联网智能传感器的变电站状态感知系统研究

李 琮，胥明凯，潘慧超，付兆远，许志元

（国网山东省电力公司济南供电公司，山东 济南 250012）

0 引言

随着电网快速发展，传统运检模式已无法适应企业的新时代战略目标。国家电网有限公司在运检智能化方面进行了长期探索，特别是自2018 年步入智能运检建设的快车道以来［1］，积累了丰富经验。但面向泛在电力物联网工作要求和电网设备智能化管理需求，仍存在一些不足。一是状态感知体系尚不完善，有效的带电检测和在线监测技术手段较少，监测装置运行不稳定，配置标准不高，缺陷检出率低，实用化程度应进一步加强；在线监测装置通信和电源等相关配套技术难以满足复杂的运行环境要求，无法做到设备状态全面感知。二是技术标准体尚未统一，各类监测装置分散独立，技术标准、传输协议不统一，业务融合度不足，不能实现互联互通；各专业信息化系统建设未开展顶层设计，部分自建信息化平台形成数据孤岛，难以满足设备管理精益化、信息化、智能化要求。三是“大云物移”技术尚未全面应用，已推广的智能运检技术尚处于起步阶段，体系架构尚不完善，状态感知技术手段缺失，无法覆盖运检业务，缺乏多源业务综合分析决策的智能化应用。

因此，面对重大发展机遇，亟须开展输变电设备物联网关键技术研究、试点应用验证和标准体系建设。阐述基于“云-管-边-端”架构的标准化物联网智能传感器的变电站状态系统技术方案，并选取两座变电站完成试点验证，构建开放、共享、共生的变电设备物联网生态体系，推动运维模式向更智能、更高效、更安全转变。

1 系统技术路线

选取两座220 kV 变电站开展感知层试点建设，按照“互动感知、开放互联、融合分析”的原则，实施“321”重点工程，即：针对“三类重要设备”（变压器、组合电器、开关柜），搭建“两层网络”（无线传感网、数据传输网）、应用“一个平台”（物联网平台），全力攻坚典型场景，树立示范效应，逐步建立智能、共享的物联网生态系统，全面提高运检效率效益和管理穿透力［2］。

1.1 总体架构

依据国家电网有限公司发布的《输变电设备物联网建设方案》，输变电设备物联网整体架构分为4个层级：感知层、网络层、平台层和应用层，分别对应“云-管-边-端”，系统架构如图1 所示。

1.2 感知层

图1 输变电设备物联网系统架构

感知层由各类物联网智能传感器［3］、汇集节点、接入节点组成，用于实现传感信息采集、汇聚、上传及边缘计算，分为传感器层与数据汇聚层两部分。变电站组网方案如图2 所示。系统中接入的传感器包括4 个类型：微功耗无线传感器（A—E）、低功耗无线传感器（F、G）、传统有线传感器（H、I）、其他智能辅助传感器的接入。其中感知层无线协议采用低功耗局域网无线标准（Long Range Radio，LoRA）。

图2 变电站组网方案

微功耗传感器（A—E）。针对小数据量微功耗需求的等电位安装的测温、温湿度、振动等传感器，通过微功率无线网进行接入，汇聚节点（1—5）利用节点组网协议组成支持多跳的无线传感器网络，最终将数据汇聚到接入节点。其中汇聚节点1 对汇聚节点2、4 起到数据中继作用。

低功耗传感器（F、G）。针对超声波局放、特高频局放、泄漏电流等具有一定连续数据传输、采集功耗相对较大的低功耗传感器（F、G）支持节点组网协议，低功耗传感器直接与接入节点连接，或经由一个或多个汇聚节点与接入节点连接，通过接入节点对接网络层。

有线传感器 （H、I）。针对站端已经安装的油色谱、避雷器泄漏电流等传统有线传感器，如图2 所示，将IED 与汇聚节点进行有线连接，通过汇聚节点4 和汇聚节点5 统一接入到无线传感器网络中或从站端直接接入。

其他智能辅助传感器。针对其他一些基于TCP／IP 等协议的宽带智能辅控系统，例如摄像头、机器人、部分已安装环境监测传感器等，可以通过智能辅控节点直接连接到接入节点上。

图2 中的接入节点是整个无线传感器网络的控制中心，对网络内的所有节点和传感器进行管理和数据采集。接入节点终端内置智能计算单元，以容器方式实现业务软件APP 化，采可灵活配置边缘计算模型并就地运算，如多通道数据同步计算、复杂阈值算法计算、跨传感器数据的设备状态融合智能诊断、基于人工智能的缺陷识别等能力。接入节点通过VPN 网络或电力光纤网，将状态数据和管理数据送入电力内网的管理平台。同时计算前端传感器的测量值，实时控制智辅等系统开启，实现站内智能联动。

1.3 网络层

网络层由电力VPN 通道、电力光纤网等通信通道及相关网络设备组成，为变电设备物联网过电力光纤网通过防火墙将数据发送至内网物联网平台层管理系统，数据传输协议采用标准消息队列遥测传输 （Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）协议，数据流向如图3 所示。

1.4 平台层

物联网平台管理系统具备物联网设备管理、边缘计算配置和物联网数据存储3 大基本功能［4］。通过对物联网各类传感器及网络节点装备的管理、协调与监控，对物联网边缘计算算法进行远程配置，实现多源异构物联网数据的开放式接入和海量数据存储。平台层部署采用统一集中部署方式，实现应用的弹性扩展，包括物联网设备管理与数据存储、感知数据计算分析和感知数据分享服务功能，平台层架构如图4 所示。

图3 变电站网络层数据流向

1.5 应用层

应用层在平台层数据支撑、算力提供及展现组件的基础上，融合其他系统数据，对物联网感知数据进行高级分析应用［5］。全面应用“大云物移智”技术，结合输变电典型应用场景需求，依托电网运检智能化分析管控系统，以微应用模块为交互窗口对结果进行集中展示，实现输变电设备物联网各类数据信息的及时推送和实时分析。

2 应用场景

选取两座220 kV 变电站全面完成泛在电力物联网感知层建设，在变压器、组合电器、开关柜等主设备全面部署温度、局部放电、振动、水浸等10 类智能微（低）功耗无线标准化传感器，共计456 个，通过汇聚节点和接入节点实现组网及各类信息的全面接入和就地控制计算；接入节点通过安全可靠的网络层将相关数据传送到平台层，在平台层对数据进行汇集、管理，从平台层传送到电网运检智能化分析管控系统中模块和高级应用进行三维展示和融合分析，实现变电运检业务的智能化、信息化管理。应用全景如图5 所示。

通过部署基于标准化物联网智能传感器实现变电主设备和运行环境状态的全面感知。对两座变电站共计4 台主变压器新安装套管介损及电容量、温度、振动、局部放电、端子箱温湿度等智能传感器；对23 个220 kV 间隔、27 个110 kV 间隔安装局部放电、SF6压力、微水智能传感器；对96 面开关柜安装触头温度、柜体模糊测温、局部放电、温湿度等传感器；实现变电设备状态全方位实时感知和预警，通过在两座变电站各设备室和电缆夹层加装温湿度传感器、水浸传感器等实现变电站和设备运行环境状态感知和风险预警。并将数据上传至平台层和应用层进行三维展示和诊断分析，如图6 所示。

图4 物联网平台管理系统整体架构

图5 应用场景平台层整体架构

图6 传感器现场安装及三维展示

3 结语

详细介绍了基于“云-管-边-端”架构的标准化物联网智能传感器的变电站状态系统感知层、网络层、平台层、应用层技术方案，并通过选取两座220 kV 变电站完成试点应用验证，建立了开放式、可扩展的变电物联网生态体系，实现了设备全息感知和立体巡检，推动运检业务模式向自动化、智能化、集约化转型。下一步将在智能传感器类型拓展、边缘计算算法开发、融合分析展示方面做进一步研究，切实降低人员现场巡检工作强度，提高运检工作效率，提升设备管理水平。