淺談泛在電力物聯網在電力設備狀態在線監測中的應用

摘要：隨著信息化水平的不斷發展，泛在電力物聯網的建設提上日程，這對提升變電站電力設備在線監測水平，推動智能電網發展具有重要的指導意義。對基于物聯網的電力設備狀態監測系統進行了研究，概括了泛在電力物聯網在線監測系統的體系結構和特征。根據變電站電力設備狀態在線監測的需求，探索研究了紅外熱成像監測子系統和變電站環境監測子系統的系統構成，實現了對電力設備狀態監測系統的優化設計。指導變電站電力設備狀態監測系統的規劃、設計和建設，具有十分廣闊的應用前景。

關鍵詞：信息化；泛在電力物聯網；電力設備狀態監測；紅外熱成像監測；變電站環境監測

 

0 引言

變電站作為電網能源輸送的樞紐，其智能化會直接影響整個電網系統的智能化水平。對變電站設備進行一致、準確和頻繁的系統監測是預測故障的關鍵。

隨著電力系統信息化和智能化水平的快速發展，電力設備狀態監測類型和監測手段越來越豐富多樣。研究人員開發了一種視覺監控系統，用于遠程操控變電站，以便系統操作人員觀察環境。提出了一個變電站高壓設備的在線基金項目：國家自然科學基金項目資助(61803219)監測系統，以提高變電站在線監測水平，但因監控數據類型多樣，數據處理速度無法保證。隨著故障監測水平的不斷提升，設計了一種在電力系統故障條件下變電站接地電位上升的監測系統，但因系統受環境影響較大，測量精度較低。設計開發了一種實時的變電站監控系統以檢測聯絡線上的低頻電源振蕩。將數據庫創新性地應用于變電站變壓器的實時監控系統，提高了變電站變壓器監測的可靠性，但由于其數據量大，實時性無法得以保證。現有的電力設備狀態監測方法主要針對設備本身，基本不考慮設備故障對系統的影響，不能滿足智能電網對資產管理的要求。并且，隨著用電信息采集業務規模的快速增長，存儲的監測數據也呈現指數增長的趨勢，對數據處理速度提出了更高的要求，現有狀態監測機制無法滿足該需求，其缺陷導致測量精度低、可靠性差。基于上述問題，本文提出將泛在電力物聯網應用于電力設備狀態監測，研究了基于電力物聯網的變電站傳感監控系統，采用紅外熱成像監測設備實現變電站溫度監測，溫濕度傳感器、氣體傳感器等用于實現對變電站運行環境的實時監控，并通過無線中繼器將監控數據實時傳輸到協議轉換器，然后將數據發送到本地變電站監控系統或遠程調度自動化系統，實現本地或遠程控制，大大提高了系統的可靠性及可用性。

 

1、泛在電力物聯網概述

1.1 泛在電力物聯網的含義

泛在電力物聯網是國家電網提出的“三型兩網”戰略中的第二張網，具體指的是圍繞電力系統的各個環節，充分運用大數據、云計算、物聯網、移動互聯網、智慧城市等信息通信技術，實現各種信息傳感設備與互聯網和電力通信專網的結合，從而形成具有自我標識、感知和智能處理的物理實體，實現電力系統各環節萬物互聯、人機交互。

1.2 基于泛在電力物聯網的變電站在線監測架構

物聯網技術作為智能電網輸變電系統的主要組成部分之一，能夠提高輸變電設備的在線監測能力，并降低設備維修的盲目性和風險性，對設備進行管理和優化。從技術視角看，基于泛在電力物聯網的變電站在線監測體系包括感知層、網絡層、 平臺層和應用層4 個層次。其基本架構如圖1 所示。

 

1) 感知層：感知層是系統的底層，其主要的功能是負責信息采集和信號處理。通過溫濕度傳感器、振動傳感器以及RFID 等感知識別技術對變壓器等一次設備進行智能感知，實現終端標準化統一接入以及通信、計算等資源共享，在源端實現數據融通和邊緣智能，

2) 網絡層：通過無線傳感網、低功耗廣域網、移動通信網等網絡設施，接入并傳輸來自感知層的信息，成為感知層與系統平臺連接的紐帶。

3) 平臺層：平臺層作為物聯網的重要組成部分，作用為將網絡內海量的泛在信息資源接入物聯云平臺，實現超大規模終端統一物聯管理，挖掘海量采集數據價值，提升數據處理能力。

4) 應用層：應用層作為物聯網系統的用戶接口，位于物聯網系統頂端，應用層接收感知層感知的信息，依據業務需求并對信息進行綜合分析處理，對站內所有設備實現在線監測，為用戶提供豐富的特定服務。

1.3 泛在電力物聯網在線監測系統的主要特征

泛在電力物聯網與新一代電力系統深入融合，為電力系統提供信息通信基礎平臺和設施支撐，實現數據的一次采集處處應用，推動業務平臺從垂直結構向水平化方向演進，引導電力業務系統向著優化架構、決策智能、運行高效、附加值高的方向發展，其主要特征包含以下四個方面。

1) 連接的泛在化：隨著電網的全聯接化，發電裝置呈分布式發展趨勢，輸電線路逐步實現全線路實時監控，覆蓋從干線到全覆蓋，配網控制逐步從10 kV 走向0.4 kV， 聯接節點從萬到億。微功率無線自組網、大容量電力光纖網、電力無線專網以及低功耗廣域窄帶物聯網等應用廣泛。

2) 終端的智能化：芯片處理能力的不斷提升促使終端向智能化方向迭代，軟件定義促進終端軟硬件不斷解耦，使得電力業務終端和用能終端不斷向智能方向進化，以此來滿足精控及調度業務的實時性。

3) 數據的共享化：海量感知層數據匯聚于應用層，成為重要的數據資源，數據模型的標準化打通了各個業務的“煙囪式”壁壘，實現了不同業務邏輯的橫向貫通，以此來實現數據的開放、共享和共用。

4) 服務的平臺化：服務器接口與規約的標準化促進了接入和連接的統一，通用水平化平臺和垂直專業化平臺得以結合，提升了平臺的開放性和平臺的智能化服務水平。

 

2、電力設備狀態監測

電力設備監測系統遵循電力系統協議，采用的通信技術和電力傳輸設備的智能信息處理技術，實現了運行狀態、資產和電網運行環境等的垂直集成和水平集成，此外，還實現了對電力系統網絡傳輸設備的識別、智能傳感、數據傳輸和動態控制的全生命周期管理。實踐表明，使用基于電力物聯網的實時監控系統可以為電力設備狀態監測提供更好的決策。電力設備狀態監測結構圖如圖2 所示。

監測物聯網系統應滿足以下要求。

1) 監控精度：隨著電氣水平的不斷提高，變電站設備朝著規模化、復雜化的方向發展，其中一個設備故障可能會導致整個環節無法有效運轉。因此，系統不僅要有效地運行狀態監測設備，還要準確地知道設備中存在的問題。

2) 系統的可靠性：大多數監測機械和設備都在高速運行狀態，設備一旦發生故障，可能造成重大財產損失和人員傷亡，因此要求監測物聯網系統十分可靠。

 

3) 監控傳輸節點小型化：由于機械設備的復雜性，要求監控設備正常運行時不影響其他設備。因此，系統監控節點體積不能設置得過大，應保證其長時間穩定工作。

4) 響應用戶數據查詢：在周期性傳輸數據的情況下，用戶(或基站)可以查詢一些特定節點的數據來估計特定設備或子系統的現有狀態。因此，無線傳感器網絡需要具有終端循環的能力以供用戶查詢。

5) 信號處理和故障檢測：節點有一定的信號處理能力，當檢測到故障時，應將處理后的特征數據發送到基站，然后，節點可以中斷循環發送緊急警報。

6) 數據傳輸：監測物聯網系統可以傳輸運行設備狀態特征數據。

7) 降低系統成本：降低生產成本是實現經濟效益和社會效益的根本途徑，監測物聯網系統應能及時判斷設備的異常狀態并進行預防和消除，延長設備的使用壽命，降低電力設備生命周期成本。

3、基于泛在電力物聯網的變電站監控系統

電力設備監測物聯網系統將物聯網技術，智能感知技術，現代通信技術，信息處理技術相結合，

利用監測數據采集裝置和智能傳感器網絡，實時采集各種狀態信息，對電力設備進行實時同步管理，為電力設備的智能監控提供了一種新的手段。

該監控系統由兩個子系統組成：紅外熱成像監測子系統和變電站環境監測子系統。每個子系統既可以獨立監控每個應用場景，也可以協同監控。

3.1 紅外熱成像監控子系統

在高壓裝置中，熱量起著關鍵作用，因為它揭示了一臺設備的運行狀況，基于組件的熱量檢測故障源，實現監測系統正確保護動作。使用紅外熱成像(IRT)的溫度監測已經成為一種成熟且被廣泛接受的技術，因為它比其他類型的傳感器監測具有許多優點，該技術通過感測被檢查物體發出的紅外輻射，可以在安全距離上發現電氣設備中的熱點。紅外熱成像技術在電力設備監測中主要針對線路、斷路器、隔離開關等外部設備故障。利用紅外熱像儀可以準確采集設備的熱量信息，設備的熱量信息可以反應設備的狀態，將熱量信息生成直觀的溫度分布熱像圖，通過與設備正常運行時的熱像圖進行對比，以此來分析設備的運行狀態。

紅外熱成像監控系統基本結構圖如圖3 所示。

 

由圖3 可以看出，紅外熱成像監控系統主要包含掃描系統和顯示單元兩大部分。

1) 掃描系統：主要由熱成像儀鏡頭、紅外探測器、探測器讀出電路、成像電路組件組成。熱像儀鏡頭用于采集傳入的紅外輻射并使之聚焦于探測器上，熱輻射可使探測器作出可測量的反應，該反應經過電子處理生成電子熱圖像。

2) 顯示單元：主要包括紅外圖像信號處理與顯示設備和計算機服務器兩大部分。主要負責圖像的處理和診斷算法的實現，為工作人員處理判斷故障提供有效信息。檢測終端首先將采集到的圖像進行壓縮，然后通過傳輸系統將其傳輸到計算機服務器中，計算機服務器負責處理圖片信息，并存儲圖片以及故障信息。

結合故障類型的特征，可依據故障溫度值與閾值的比較以及設備的相對溫差來判別故障，具體診斷流程圖如圖4 所示。

 

使用紅外熱像儀進行溫度測量需要將測量的紅外輻射轉換為溫度，特別是現場被檢查對象的興趣點的溫度。變電站高壓電氣設備在故障發生前受熱、溫度升高，發射肉眼無法察覺的紅外光譜熱輻射，紅外熱像儀將這種輻射轉化為清晰的熱圖像，這種非接觸式熱數據可以實時顯示在監測器上，也可以發送到數字存儲裝置中以便進行分析。目前采用較多的是在C++中開發的溫度監控的TempMon 組件，利用OpenCV 進行圖像處理和熱點檢測，并用eBUS

SDK 從長波紅外攝像機Flir A310 獲取紅外圖像，熱圖像上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。通過查看熱圖像，可以觀察到被測目標的整體溫度分布狀況。用于部署的紅外攝像機Flir A310 能夠以每秒30 幀的速度獲取圖像。變電站監測紅外熱成像圖如圖5 所示。

3.2 變電站環境監測子系統

本設計中變電站環境監測子系統主要的功能包括以下幾個方面：

1) 監測變電站的溫濕度環境：由于不同變電站的環境參數差別較大，因此選用大量程、高精度型的溫濕度傳感器 DHT21。

 

2) 監測變電站煙霧情況：火災對電力設備的影響很大，所以選用靈敏度高、響應快的MQ-2 型煙霧傳感器對變電站煙霧情況進行必要監測。

3) 監測變電站氣體：主要用于監測變電站氣體種類、濃度以及成分，以此判斷電力設備是否存在故障，選用MQ-8 型氫氣傳感器。

4) 監測電力設備局部放電產生的超聲波：電力設備易發生局部放電故障，用超聲波傳感器進行監測，從而可以測定局部放電的大小和位置信息，選用HC-SR04 超聲波傳感器。

5) 監測電力設備泄露電流：用電流傳感器對電力設備的泄露電流進行監測，及時發現設備絕緣缺陷，選用ACS712 電流傳感器。

變電站環境監測子系統主要由傳感器組成的終端節點、中繼器節點和上位機監測中心組成。

1）終端節點：傳感器定時自動采集監測數據并及時上傳給無線中繼器，經由無線專網傳送至上位機監測中心，分析數據并發出自動預警信號。終端節點的結構如圖6 所示。

 

2）中繼器節點作為終端節點與監測中心溝通的橋梁，負責接收各傳感器采集的現場環境數據，并將其傳送至后臺設備監測中心，使系統成為一個有機運行的整體。中繼器節點的結構如圖7 所示。

 

3）后臺設備監測中心實時處理收集的信息，進行故障的事件記錄及自動告警等。

系統網絡協議采用用戶定義的形式，采用半雙工通信方式，每個通信節點的網絡地址。單個通信節點和無線中繼器之間的通信鏈路的建立和終止由節點的工作模式確定。正常工作模式下，建立通信鏈路并由通信節點釋放，按照既定規則進行處理；維護模式下，通信鏈路建立和終止由無線中繼器進行處理；原則上，無線中繼器應主動規避通信節點的上傳時間。各個傳感器利用RTC 和EEPROM 實現喚醒、數據采集和存儲功能，并通過內置安全芯片實現安全認證和數據加密解密等功能。 數據被傳輸到中繼器節點中，數據的完整性和安全性得以保證。變電站環境監測系統的整體結構如圖8 所示。

3.3 軟件設計

協議轉換器通過通信協議接收無線中繼器上傳的數據，數據集中處理后轉發到上級調度自動化系統或本地顯示，同時協議轉換器接收調度自動化系統發出的遠程控制命令并發送給節點設備，通過無線中繼器實現節點設備的控制。系統軟件流程圖如圖9 所示。

 

4、安科瑞配電系統智能運維產品選型及介紹

近兩年來，安科瑞已經陸續參與各縣市電力公司的用戶端能源管理平臺、云南省網綜合能源服務平臺、上海嘉定區147所學校電力運維平臺等相關平臺的建設，提供了包括云平臺、智能網關、終端設備等產品，各類用戶端云平臺在全國各地運行案例700多套，并且根據用戶需求不斷完善產品功能，這些都是未來泛在電力物聯網的一部分。

綜合能源服務是以電為中心，把電力系統與天然氣網絡、供熱網絡、工業系統、交通系統、建筑系統等緊密結合起來，實現電、氣、冷、熱、可再生能源等多能互補和“源-網-荷-儲”各環節高度協調優化，生產和消費雙向互動，集中與分布相結合的能源服務。

4.1安科瑞智能網關、終端設備選型

 

4.2 安科瑞智能運維平臺介紹

 

平臺結構

變配電站通過安裝多溫濕度傳感器，水浸傳感器，煙霧傳感器，門磁開關等傳感器，通過網關經無線（3G/4G）或有線的方式將數據上傳云服務器上，并將數據進行集中存儲、統一管理。具有權限的用戶可通過PC、PAD、手機等各類終端設備訪問數據、接收報警信息，監控變配電站環境狀態。

運維平臺功能：

安科瑞變電所運維云平臺（AcrelCloud-1000）根據市場需求反饋，運用互聯網和大數據技術，為電力運維公司提供配套線上運維服務。該平臺作為連接運維單位和用電企業的紐帶，監視用戶配電系統的運行狀態和電量數據，為客戶提供更好的運維服務，平臺提供系統總覽、電力數據監測、電能質量分析、用電統計分析和日/月/年電能統計報表、異常預警、事故報警和事件記錄、運行環境監測、運維巡檢派單等功能，并支持多平臺、多終端數據訪問。

?電力監測

通過矢量配電圖監測變電所用電情況，畫面響應遙信變位、遙測越限報警，點擊某個配電回路后可以查詢該配電回路的各類詳細用電參數，包括實時值、平均值；

實時監測變壓器運行情況，包括功率、負荷率、需量、繞組溫度等。

提供多種類型的查詢報表，可以查詢各配電回路的各類電力參數(電壓、電流、功率、頻率、諧波、三相不平衡度等),系統可以對某電力參數按照天、月進行統計。

 

可實現漏電監測、線纜及母排溫度監測。

?故障報警

平臺可配置遙信變位報警（水浸、煙霧、門磁、開關跳閘等）、遙測越限報警（過壓、欠壓、過流、線纜溫度過高、繞組溫度過高等）、運行報警（儀表離線、網關離線等），并將接收到的報警通過短信、網頁推送，報警上下限可根據現場情況靈活配置。

?能效分析

按照配電回路、區域、部門、分項（照明、空調、動力等）統計每時、每天、每月、每年用電數據，并進行同環比分析；

按尖、峰、平、谷統計各配電回路的用電量及用電金額； 

統計四象限電能并計算每天、每月的平均功率因數；

按月統計每個回路的需量及發生值，為需量申報提供依據。

?設備檔案

系統可配置每個變電所內變壓器、進線柜、出線柜、計量柜、高壓電纜等設備信息，記錄設備的廠家、型號、投運日期等，并可靈活定義設備的巡檢項、缺陷類別等信息。

?巡檢消缺 

通過系統編制巡檢計劃，并將計劃下發到巡檢人員手機上，巡檢人員在變電所現場根據巡檢要求執行巡檢任務，如果在巡檢過程中發現缺陷，可記錄缺陷并在系統中生成消缺任務。

?用戶報告

?手機APP

通過手機APP實現配電圖查看、視頻監視及回放、電力參數查詢、需量統計、用能分析，并可通過手機接收報警、執行巡檢、記錄缺陷.

 

5、結論

本文將泛在電力物聯網應用于電力設備狀態監測。探究了紅外熱成像監測子系統和變電站環境監測子系統的構成，對原有的電力設備狀態監測系統進行了優化設計，以滿足監測物聯網系統的新需求，為快速配置、應用程序部署和在線服務生成提供解決方案。該研究將自動化監控方法與分布式全局體系結構相結合，可應用于大型工業組織中管理的變電站。

 

參考文獻

【1】陳振曉, 劉前進, 林健雄. 物聯網技術在變電站在線監測中的應用研究[J]. 物聯網技術

【2】劉喜梅，馬俊杰. 泛在電力物聯網在電力設備狀態監測中的應用. 電力系統保護與控制

【3】安科瑞企業微電網設計及應用手冊.2020.06版