基于工业互联网的电力设备智能综合诊断及监控关键技术研究与推广

山东广域科技有限责任公司 戴吉勇 孟 宾 孙建瑞 赵 坤 李保原 刘书圻

电力作为一种涉及国计民生的基础性资源，对于社会的正常生产及民众的日常生活具有极为重要的意义，智能电网的概念于2003年由美国提出，经过近20年的发展，智能电网技术趋于成熟。胜利油田是我国重要的石油工业基地，同时拥有发电、输电、变电、配电的基础配套设施，电网安全稳定运行是胜利油田绿色安全生产的重要保障。本文以胜利油田电力设备智能综合诊断及监控技术应用为例，就工业互联网的电力设备智能综合诊断及监控关键技术研究与推广应用要点展开分析。

1 电力设备智能综合诊断及监控技术发展现状

1.1 国外发展现状

国外电力设备监控智能化起步在上个世纪60年代，以美国和日本为代表，在智能电网体系下，国外已拥有了输电环节采用输电线路可视化技术、变电环节采用设备智能监控技术等技术，目前这些技术已经发展到智能化综合管理的阶段。从20世纪90年代以来，国外电力新产品、电力设备智能监测技术获得了快速发展，ABB、西门子公司在这方面都是先驱者，2012年美国通用公司提出工业互联概念，该理念以工业互联网体系架构为基础，为电力设备监控实现互联、全面感知、智能优化、安全稳固提供了新的技术路线，很大程度上降低了计划外停机概率和安全风险，提高了设备可用性和经济性，带来了可观的经济效益和社会效益。

1.2 国内发展现状

我国的智能电网研究起步相对较晚，结合我国的电网和能源利用的实际情况，从大电网和中低压电网2个角度同时切入，提出“坚强智能电网”的目标。国家电网计划分三个阶段逐步推动智能电网的建设工作：第一阶段（2009～2010年），规划试点阶段，重点开展智能电网发展规划工作，制定技术和管理标准；第二阶段（2011～2015年），全面建设阶段，加快特高压电网和城乡配电网建设，初步形成智能电网运行控制和互动服务体系，关键技术和装备实现重大突破和广泛应用；第三阶段（2016～2020年），引领提升阶段，全面建成统一的坚强智能电网，技术和装备达到国际领先水平。

2 电力设备智能综合诊断及监控技术研究目标及研究内容

2.1 研究目标

针对电力系统中输电、变电、配电设备的安全现状,研究一种基于工业互联网、边缘计算的状态可视化、监测在线化、诊断智能化、控制网络化、信息互动化、功能一体化的电力设备智能综合监控系统，可以有效解决电力设备依靠生产经验判断安全故障问题，实现准确诊断电力设备潜在故障和监控预测电力设备的全寿命周期，为此研究基于工业互联网的电力设备智能综合诊断及监控关键技术具有十分重要的意义。

电力设备巡视实现实时在线监测，减少定期巡视次数，通过监控系统可实现分钟级巡视；输电网外力故障率降低约15%，设备故障率降低约20%，非计划停电时间降低约60%。配网外力故障率降低约10%，设备故障率降低约15%，非计划停电时间约40%；设备状态监控在线率100%；系统对遥信量、遥测量和遥控量处理的正确率100%，遥信动作准确率＞98%，遥控准确率≥99.99%；通过减少巡视次数，按照巡检规程由每周巡检3次减少每周巡检1次，单站年可节约人工成本约20万；提高油井时率、降低跳闸率、减少非计划停电时间。

2.2 研究内容

基于工业互联网组网形式技术方案设计。工业互联网在工业以太网的物理层目前有线传输大都采用PON 和EPON 技术，无线传输采用WIA-PA、WirelessHART、ISA100.11a、NB-IOT 等技术；新时期要建立一套具有油田特色的工业互联网体系、标准，解决各系统数据标准不统一、互不相连的信息孤岛问题，一方面要搭建工业互联网网络架构；另一方面要进行工业互联网平台内涵特征分析；此外还应建立工业互联网安全机制，为油田工业互联网体系应用提供支撑。

全业务泛在电力物联网技术方案。胜利油田开展全业务泛在电力物联网终端层体系架构的研究，目的在于建立“全数据统一管理、全环节物物互联、全过程可信互动、全方位数据应用”的全业务泛在电力物联网。该环节的工作任务包括：研究并提出全业务泛在电力物联网体系架构，同时建设胜利油田电网的全业务泛在电力物联网技术架构、安全架构和部署架构。此外，分析电力物联网终端层的终端、连接、安全需要，配置详细的物联方案。

基于边缘计算的采集终端关键技术。胜利油田采集终端的边缘计算核心技术，包括网络、隔离技术、体系结合、算法执行框架、数据处理平台及安全等，将电力设备传感器采集信息进行边缘计算，诊断潜在安全隐患及设备使用寿命，减少电力设备故障率，可靠进行全寿命周期预测。其具体工作主要包括：研究采集终端边缘计算和分布式计算协同运行技术；同时探究基于边缘计算的高效任务调度、数据处理技术；此外进行采集终端故障自诊断和采集策略自优化研究应用。

嵌入式智能传感器研制与应用。嵌入式智能传感器不仅可保证电力设备原有的运行可靠性，还能扩展其他功能，对电力设备进行自检和自控，保证电力系统的智能化和人性化特点。嵌入式智能传感器应用内容包括：其一，选取合适的微处理器设计一个低成本、高效率、合理的框架，并对可扩展性、可靠性方面做深入地研究；其二，分析智能传感器各个硬件模块，完成相关元器件的选取，设计整个硬件电路原理图；其三，嵌入式Linux 内核、驱动程序和应用程序的开发与调试；其四，完成智能传感器与电力设备配套应用的整体开发。

智能综合监控系统研制与推广应用。实现“综合接入、边缘智能、多维感知、安全防护”功能，解决电力设备难于监控管理等问题是智能综合监控系统主要目标。实际应用中，电力设备智能综合监控系统包括系统整体架构设计、数据采集处理层、数据存储层、数据分析层、数据应用层四个部分。首先完成智能综合监控系统的整体架构设计；加快数据存储层的设计开发，对系统采集的数据进行离线与在线实时分析，满足故障诊断分析、告警分析、预警分析需要；基于系统采集及分析的数据进行应用展示，实现电力系统的有效控制。

3 电力设备智能综合诊断及监控技术市场前景

市场需求分析：大规模新能源接入和电网设备全面智能化是智能电网的主要特征，目前电力设备智能监控和诊断在智能电网中有四大应用领域及市场，即新建智能变电站、在运变电站的智能化改造、传统（非智能）变电站状态检测、发电领域以及其他工业领域均需要电力设备智能综合诊断及监控关键技术作为支撑。

应用效益分析：相比于传统的电力应用模式，电力设备智能综合诊断及监控关键技术可以提高2%～10%设备利用率，延长10%～15%使用寿命，节约25%～30%检修费用，经济效益极为突出；同时其减少输配电系统职工的发病率，减轻企业的医疗负担，提升员工的生活质量，社会效益显著。

4 结语

工业互联网下的电力设备智能综合诊断及监控关键技术直接影响着用电效率与质量，我国要全面推广实施设备状态检修，全面提升设备智能化水平，推广应用智能设备和技术，实现电网安全在线预警和设备智能化监控，提升电力诊断及监控质量，促进电力智能化的有序发展。