电力物联网技术在电力设备在线监测中的应用研究

尚博祥， 殷博， 郭晓艳， 刘晨， 范柏翔

(国网天津市电力公司，天津 300010)

0 引 言

当前状态下，电力物联网需要解决的核心问题，从试图获得更贴近相关工频曲线峰谷值的技术实现方向，转向大数据的采集广度和丰度的方向[4]。即在相关设备中如何采集到更丰富的数据，以实现对电力大数据系统的全面数据采集[5]。

某公司的某型嵌入式开发板，工程硬件造价低于400元，提供44 MHz的外部总线和1 333 MHz的前端总线，提供8个CPU计算核心和16 GB的RAM动态缓存，其性能完全碾压造价超过6 000元的200 Hz进口嵌入板设备。本文重点研究如何基于该设备实现电力物联网的大数据采集功能和双向通信功能。

1 数据采集任务分析

1.1 母线及输电线路在线监测数据采集功能

对母线及输电线路来说，其核心的在线监测数据需求来自母线及输电线路内的电压和电流录波数据，数据来源为布置在母线及输电线路上的电流互感器和电压互感器[6]。电流及电压互感器采集的模拟量数据经过前置高频数字化后，经过比较器输入到嵌入式开发板中，形成录波图大数据记录。基于44 MHz的采样频率，每工频周期可以采集888k个采样点，显然在实际工程实现过程中并不需要如此高的采样频率。工程实现的意义在于在最小工程需求的前期下实现相应功能，如果将44 MHz母线降频到444 kHz使用，每工频周期可以采集8.888k个采样点，这一周期足以对线路中的电压电流状态进行较完美的录波记录[7]。

另外，母线及输电线路需要对其表面温度，特别是各连接处易发生电弧漏电位置的表面温度进行监测，为了及时捕捉微电弧现象，还应对其紫外表现进行控制性测量[8]。即母线及输电线路的在线监测数据，包括了三相线路及中性线的电流、电压录波数据、红外数据、紫外数据以及为红外紫外数据提供参考的可见光倾斜摄影数据，如图1所示。

图1中，需要在物联网中部署至少3个电压采集系统、4个电流采集系统、n个可见光摄像头、n个红外摄像头和n个紫外摄像头。以此获得母线及输电线路的电压和电流录波图信息，线路温度信息，基于三维实时模型的蠕变状态定位信息，电弧及微电弧定位信息，以及负荷状态对三维模型的整合信息等。

图1 母线及线路物联网信息采集任务示意图

以上一组物联网采集终端的信息，构成一组线路状态监测汇聚终端，并向相关物联网系统提供信息报送。

1.2 断路器设备的在线监测数据采集功能

断路器设备一般需要至少三组上述线路状态监测数据，包括进线端、出线端和二次回路端的线路状态监测数据[9]。断路器触点的监测任务，重点为行动机构的行动位置和接触与分断过程的电弧状态。

电弧状态方面，依然通过红外和紫外摄像头配合可见光摄像头的倾斜摄影定位方式进行确立。因为断路器触点电弧规模较母线及输电线路中的微电弧更大，所以可以使用分辨率更低的摄像头，或在开放式断路器中，使用区域内的母线及线路摄像头进行数据共享。但电弧状态需要对断路器噪声进行管理，在声波定位机制下，一般采用不少于3个噪声摄像头，捕捉噪声数据并进行噪声来源的辅助定位。行动机构的位置捕捉，一般采用基于弱拉力弹簧的压敏电阻获得相应信息，在开放式断路器中，也会基于线路视频监控系统中的摄像头数据进行辅助定位，如图2所示。

改革开放以来，我国城镇化率迅速增长，城市规模不断向郊区蔓延。2014年城市建成区面积逼近5万km2，比起1981年的0.74万km2，30多年来我国城市建成区面积增加约5.1倍，年均增长率为3.2%（如图1）。与此同时，交通拥堵、人口拥挤、环境污染等城市问题愈演愈烈，对城市居民的生产、生活带来消极影响。在这样的宏观背景下，城市增长应当由“外延式”转型“内涵型”的新型城镇化道路被提出，着重提高城镇化发展“质量”，倡导以人为本。所以在新型城镇化的大背景下，理清城市精明增长与城市蔓延发展的关系，做到“外延”与“内涵”相协调，对新型城镇化发展也有着重要的意义。

图2 断路器物联网信息采集任务示意图

图2中，断路器在线监测系统中，除部署至少3套线路监测系统外，还应部署噪声及压敏探头组。在3套线路监测系统中提取的冗余数据，可以对开关进行三维倾斜摄影成像并确定相应机构的定位和电弧定位，同时捕捉到触点及非线路部分的温度信息。噪声定位和机械动作定位等信息，会辅助上述信息进行相关定位操作。将开关温度和电弧状态等信息多细节层次(levels of detail, LOD)到实时三维模型中，最终获得实时三维模型的同时，获得开关动作信息、开关量信息和电弧定位信息等。同时，线路监测还会将开关中的电流和电压录波图信息进行整理，获得开关的录波图信息。

1.3 变压器设备的在线监测数据采集功能

对变压器设备来说，一般在高压侧、中压侧和低压侧均布置有断路器，断路器前后布置隔离开关。因此变压器的在线监测系统，不仅包含高压侧、中压侧、低压侧线路及开关设备的监测功能，还包含变压器线圈的监测功能[10]。对于变压器线圈监测来说，对震动特征和内部微电弧放电的监测尤为重要，因此在系统中和一组加速度计配合陀螺仪监测系统的震动特征，部署一组噪声探头监测系统的微电弧放电特征，作为对3个开关监测系统的补充，如图3所示。

图3 变压器物联网信息采集任务示意图

图3中，没有绘制开关状态的内部物联网架构以及开关状态集成的线路状态内部物联网架构，因此变压器的物联网架构相对简单。主要实时监测功能是通过不同电压等级的录波图数据、电弧状态数据和震动状态数据得到变压器的状态数据。变压器绝缘油和绝缘纸等状态采集任务在当前技术条件下一般采用离线采集的方式，因此并不在实时采集范围内。

互感器，包括防雷接地、浪涌接地等在内的接地线圈系统，均属于线圈型设备，与变压器物联网系统类似，在此不多作分析。

2 设备状态实时监测物联网的实现模式

基于线路、开关和变压器等线圈设备的监测系统，相互包含并提供综合数据支持，最终构成变电站的在线监测系统。在本文研究的某型可提供44 MHz外部总线的嵌入板系统支持，系统形成分层汇聚的物联网整体拓扑如图4所示。

图4 电力监测物联网整体拓扑图

图4中，分布在电力一次及二次系统中的各种探头，经过前置数字化模块将数据数字化后，经部署在探头设备内的嵌入板进行数据预处理，然后向子系统汇聚板进行数据整合汇聚，经过多级子系统数据整合汇聚后的信息，最终形成多个汇聚板信号源。工业网桥设备对该组信息进行最终整合，最终报送到电力IDC(标准化数据机房)中。

嵌入板与汇聚板，均是采用了高性能嵌入式设备进行数据管理，这些嵌入设备均为通用设备，即其输入输出信号，均为通用双环光纤网络信号系统(fiber distributed data interface, FDDI)信号。因此，传统的工业网桥设备，是将物联网中的特殊信号格式，特别是物理层和链路层格式，转化为FDDI互联网能够识别的分组数据报格式。但在基于高性能通用嵌入式设备的物联网系统中，工业网桥的实际意义成为边界路由的数据意义。该工业网桥对物联网的子网划分、访问控制和静态路由等进行管理，并将物联网信号接入到电力IDC网络中。

2018年，由震网病毒的影响，在没有工业网桥管理的基于通用嵌入设备的某国大型核子离心机系统被严重物理破坏，使物联网病毒被业界广泛关注。此处，工业网桥设备的部署任务，即对物联网中相关信号和数据进行全面管理，防止物联网病毒的侵入。

3 数据仿真与策略验证

3.1 比较分组方案的设定

观察组方案为本文讨论方案。参照组方案为传统物联网方案，即将传统探头信息经过数字化设备直接进行工业信号汇总，经过传统工业网桥设备直接报送到信息采集服务器中。前者技术于2010年前后开始逐步在电力系统中应用，后者技术于20世纪60、70年代在欧美国家及前苏联逐步发展成熟，后于20世纪90年代在我国电力系统中逐渐普及。即本文观察组方案为参照组方案的替代方案。

以某220 kV变电站为例，其部署220/110/35-300 MVA变压器4台，35/10-15 MW变压器2台作为厂用变压器，配备220 kV高压断路器12台，110 kV高压断路器35台，35 kV高压断路器102台，其他一次设施齐全，符合《测量用电压互感器检定规程》(JJG-314-94)要求。仿真方案在Simulink工具包中运行。系统中一次线路互感器配置220 kV级别6台、110 kV级别20台、35 kV级别95台，部署在进出变电站的线路终端。

分析系统中的二次互感器数量、视频探头数量、嵌入板数量和IDC数据相关设备数量等如表1所示。

表1 系统规模比较表 个

由表1可知：改进方案中探头数量和嵌入板数量显著增加，但IDC中数据采集相关设备的数量显著减少，即改进方案将数据采集的相关计算任务分散到物联网系统中。改进方案的物联网部分不单纯是进行数据采集，而是更多执行了数据的汇聚、整合和预整理工作。从成本角度分析，因为改进方案使用了通用嵌入板设备，其价格从电力专用嵌入板的6 000～8 000元每件下降到300～400元每件，虽然其嵌入板数量增加了3.75倍，但实际系统部署成本较传统方案显著降低。

3.2 数据采集量的比较

因为传统方案中，数据采集频率约为200～300 Hz，而改进方案的数据采集频率理论值为44 MHz，为充分减少数据冗余，将其降频到444 kHz使用，所以，改进方案较传统方案有显著的数据采集量差异，如表2所示。

表2 数据采集量比较表

表2中，改进方案较传统方案的数据采集量提升30倍以上，特别是逻辑数据的采集量提升63倍以上。即可认为，使用更高外部总线评率的通用嵌入板设备开发相关电力物联网功能，使电力大数据的规模得到了显著扩大。

3.3 数据可靠性及可用性比较

之所以早期使用200～300 Hz的电力数据采样频率，是为了得到更稳定的数据采集效果，即通过使用传统技术实现更高的物联网系统可靠性、可用性和安全性。因为本文使用的通用开发板设备，属于28 nm工艺通用设备，而当前最新芯片工艺已经达到了5～7 nm工艺，所以本文使用的开发板设备也并非未经应用验证的设备工艺。且当前最新工艺下的外部总线频率已经达到了133 MHz以上，而本文采用的设计外部总线频率为44 MHz，且降频到444 kHz使用。所以本文改进方案理论上具有一定的可靠性。在Simulink环境中将系统模拟运行并在伪随机数环境下获得等效2年运行数据，判断系统的可靠性和可用性，如表3所示。

表3 数据可靠性及可用性比较

改进方案的数据延迟受到中间多个设备传输延迟的影响，较传统方案出现了25.0%的性能下降，但因为该数据在传输到IDC之前已经完成了数据的汇总和预处理工作，所以该数据延迟等效于数据入库的延迟。而传统方案中数据需要报送到IDC后再进行数据汇总和预处理，改进方案反而在数据采集效率上优于传统方案。在异常数据比和丢失数据比等指标中，改进方案较传统方案分别有51.8%和85.8%的性能提升。主要原因为改进方案在探头设备中即实现了数据的采集和数字化过程，数据进行汇总前避免了在复杂电磁环境的电力机房中的传输过程，最终使数据性能得到提升。

4 结束语

本文对电力物联网的改进措施，主要是使用通用物联网嵌入式开发板替代电力专用嵌入设备，实现对电力实时监测系统的驱动。这一技术改进过程在诸多电网管理单位中已经开始尝试并取得了一定的成果。本文研究的实际意义是从仿真的角度，分析了通用物联网嵌入设备全面替代电力专用嵌入设备后，对系统的稳定性可靠性等安全性指标进行了仿真分析，最终发现使用通用物联网嵌入式开发板替代电力专用嵌入设备后，系统的可靠性和可用性等安全性指标会得到提升。