基于主动感知技术的输变电设备物联网建设及应用

池威威,刘海峰,岳国良,贾志辉,王 涛

(1.国网河北省电力有限公司雄安新区供电公司,河北 雄安新区 071000;2.国网河北省电力有限公司,河北 石家庄 050021)

当前电网规模不断扩大,新能源大规模集中并网和分布式电源带来电源结构性变化,电网“双高、双峰”特征日益凸显,电力电子装备、电缆、GIS设备等大量接入系统,输变电设备状态管控难度越来越大。采用新型智能传感、边缘计算、数字孪生、泛在物联等技术对设备运行状态进行感知识别,依托输变电物联网平台实现设备实时监测、设备异常分析、虚拟巡视管理,并对设备隐患进行自主决策处理,是实现输变电设备高效运维检修的重要途径。

1 输变电设备主动感知技术

目前,国内外基于物联网的输变电设备状态主动感知技术研究尚处于起步阶段,通常利用设备智能传感技术、边缘计算技术、数字孪生技术、泛在物联网技术进行设备状态主动感知和智能化管控。通过设备多维度关键状态参量的梳理,建立基于多参量多维度的设备状态评估模型,基于云边协同的物联网智能边缘物联代理装置实现异构跨域网络互联互通,构建对物理实体形状和运行特性的映射,形成物理实体数字化镜像,结合大数据和人工智能分析,以设备状态监测为基础,评估设备运行趋势。

1.1 设备智能传感技术

电网设备在正常运行时和故障前后,通常会伴有“电、声、光、化、热”等多种特征信息,通过对设备不同的特征信号开展带电检测或在线监测,可以感知和分析设备状态[1]。传统传感器技术包括:电气量感知技术、声振感知技术、光电感知技术、化学感知技术、热学感知技术。目前感知传感器普遍存在成本高、体积大、安装不便等问题,迫切需要研究小型化、低成本、安装方便的感知终端,如微型电场传感器、磁阻电流传感器、局部放电空间定位传感器等。基于带电检测和在线监测的油中溶解气体、电容型设备介损、泄漏电流、局部放电、红外和紫外等检测技术应用愈加广泛,也取得了较好的效果。但针对近年来频发的断路器灭弧室、变压器套管、有载分接开关、GIS等设备的突发性故障,仍然缺乏有效可靠的感知预警手段[2]。与传统在线监测装置比较,物联网传感器具有类型多、单价低、布置灵活、即装即用、维护工作量小等优势,可方便实现多状态量、高风险设备和复杂环境的全覆盖监测,且易于低成本复制推广。

1.2 边缘计算技术

电力行业具有终端设备接入多、服务对象广泛、数据量大等特点,如果终端设备产生的数据全部上传至云端处理,一方面会造成云端计算压力过大,另一方面会造成过大的网络带宽消耗。此外,现有设备的分布式安装使得许多终端设备和传感器的安装位置比较偏僻,网络传输条件普遍不好,无法满足原始数据的大批量远程传输。而边缘计算技术在靠近物或数据源头的一侧,采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台,就近提供最近端服务。其应用程序在边缘侧发起,产生更快的网络服务响应,满足在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。边缘计算处于物理实体和工业连接之间,或处于物理实体的顶端,这使得边缘计算具有靠近数据源、实时性好、低时延、响应快和数据安全性高的特征。

1.3 数字孪生技术

以航空航天为代表的离散制造业是数字孪生技术应用的发源地,数字孪生体是一个集成了多物理场、多尺度和概率仿真的数字系统,可以通过逼真物理模型、实时传感器和运行情况来反映真实对象的实际状况。电力数字孪生技术将“大云物移智链”等现代信息网络技术与设备运检业务深度融合,以全息多维感知、远程智能巡检转变设备状态获取方式,以多源数据融合分析转变设备状态管控方式,以三维数字孪生转变人与设备交互方式,以信息全流程贯通升级运检业务管控模式,提升输变电设备的风险防控能力和精益运检能力,保障大电网安全运行。

1.4 泛在物联网技术

利用物联网技术将无处不在的末端设备、传感器和智能设备,通过各种通信网络实现互联互通,采用适当的信息安全保障机制,提供安全可控的实时在线监测、报警联动、预案管理、远程控制、决策支持等管理和服务功能,实现对电网设备“运、检、控”一体化。应用边缘物联代理设备,将采集到的数据进行实时处理,进行本地优化控制、故障自动处理、负荷识别和建模等操作,把加工汇集后的高价值数据与云端进行交互,云端进行全网的安全和风险分析,进行大数据和人工智能的模式识别、节能和策略改进等操作。同时,如果遇到网络覆盖不到的地区,可以先在边缘侧进行数据处理,在有网络的情况下将数据上传到云端,云端进行数据存储和分析。此外通过引入边缘计算节点,还能为云端规避多种采集设备带来的多源异构数据问题[3]。基于物联网的电网设备状态智能感知传感装置、物联网智能边缘物联代理装置、变电物联网高级应用平台实现变电设备状态实时感知、精准评价、智能研判、云端协同和远程管理,形成电力物联网“云、边、端”的一站式解决方案。

1.5 设备状态评估技术

输变电设备检修大致经历了故障后检修-预防性检修-状态检修的发展历程,当前状态检修是建立在对设备状态监测和设备状态评估基础之上。设备状态监测包括在线监测、带电检测、离线检测及停电试验等手段,目前变电设备机械特性、气体组分、局部放电、红外测温、油色谱,输电设备微气象、舞动、杆塔倾斜、覆冰舞动、导线温度、电缆环流等监测技术都取得重大突破,已经形成相对完善的在线监测系统。设备状态评估是根据某一时刻在线监测的特征量与前期监测的结果进行纵向比较分析,与同类设备或同一设备不同相在线监测的结果进行横向比较,并结合历年离线检测试验数据和运行经验,对故障类型严重程度及原因等做出综合判断,预测出设备继续运行的剩余寿命,给出维修策略及方法的建议。设备评估需要考虑到运行维护、带电检测、在线监测、试验记录、故障记录、设备管理、设备检修、厂家产品性能等诸多方面,最后要综合设备信息、运行信息、电力市场等方面信息做出检修决策[4]。随着电网数字化、智能化水平不断提高,输变电设备状态监测技术已逐渐推广应用,为实施输变电设备状态监测与评估奠定了良好的基础。

2 输变电设备主动感知技术的应用难点

2.1 传感器研制

电网设备关键状态参量多,传感器需要形成设备“电、声、光、化、热”等特征参量信息集合,构建基于多参量多维度的设备状态评估模型;研究设备状态特征参量提取技术,针对不同的数据特性,提出针对性的特征提取方法。新型传感器克服“小型化、低成本、安装方便”问题后还需解决“低功耗、高可靠性”不足问题,同时实现设备状态特征参量提取、数据快速高效上传,支撑“云-边”系统进行设备状态感知和评估。

2.2 边缘物联代理装置研制

边缘物联代理装置需满足异构跨域网络互联互通技术要求,实现多标准通信协议的适配和转换,满足物联网传感终端接入和数据交互需求。当前边缘物联装置的研发尚未聚焦在电力行业,多从硬件架构、软件模型层面开展研究工作,而且实现方式差别较大,尚未形成体系化的产品。

电力边缘物联代理装置需要完成基于云边协同的电网设备物联网边缘计算框架和边缘计算算法的开发,就地实现电网设备运行状态精准评价和缺陷异常智能研判[5]。

2.3 物联应用平台开发

电网设备物联网高级应用平台应基于电网设备数字化模型和设备运行状态信息开发,具备设备实时监测、设备异常分析、虚拟巡视管理等功能。建设基于数字孪生技术的三维可视化系统,开展设备状态智能诊断与评价研究,依据设备缺陷处理流程和设备状态检修策略,实现设备故障原因的准确诊断和检修辅助决策建议。

3 输变电设备物联网技术架构

依据国家电网有限公司《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,如图1所示。

图1 输变电设备物联网整体架构示意

3.1 感知层

感知层由物联网传感器、传感器网络、汇聚节点、边缘物联代理组成,实现传感信息采集和汇聚,分为传感器层与数据汇聚层两部分。在传感器层,微功率无线传感器、低功耗无线传感器与汇聚节点或边缘物联代理之间的传输协议符合《电力设备传感器微功率无线接入网通信协议》、《输变电设备物联网节点设备无线组网协议》,支持Lo Ra通信方式。在数据汇聚层,汇聚节点接收传感器的数据,并将传感器的数据通过Lo Ra发送至边缘物联代理;边缘物联代理接收传感器或汇聚节点的数据,经过边缘计算后,再通过电力光纤网发送至安全接入网关,经安全接入网关转发至物联网平台层管理系统。

汇聚节点与汇聚节点、汇聚节点与边缘物联代理之间的通信协议符合《输变电设备物联网节点设备无线组网协议》。采用标准化的汇聚节点和边缘物联代理,根据不同的应用需求构建不同组网方式,如图2所示。

架空输电线路安装气象、金具/导线温度、导线弧垂、微风振动、杆塔倾斜、舞动和导线电流等传感器,实现输电线路状态和环境参量的全面监测,如图3所示。

图3 架空线路感知层设备拓扑图

变电站内安装变压器振动、套管介损、高频局放、铁心接地电流、SF6压力微水、特高频局放、开关柜超声局放、触头温度、电容器形变等设备状态参量传感器,实现主设备状态全面监测,安装烟感、气象、温湿度、水浸等传感器,实现变电站环境量的全面监测,如图4所示。

图4 站内设备感知层设备拓扑图

在电缆隧道内安装温湿度、水位、烟感、廊体结构监测、分布式光纤测温、电缆护层环流、电缆局部放电等传感器,实现电缆运行环境和本体运行状况监测,如图5所示。

图5 电缆感知层设备拓扑示意

3.2 网络层

网络层由电力APN通道、电力光纤网通信通道及相关网络设备组成,为输变电设备物联网提供高可靠、高安全、高带宽的数据传输通道。

在变电站辅助设备监控系统接入服务器,通过Ⅱ区调度数据网、以IEC104协议接入变电站辅助设备集控系统;在变电站增加协议转换装置,与辅助设备监控系统主机通过以太网RJ45接口通信,通信协议采用DL/T 860—2006《变电站通信网络和系统》标准通信,与在线监测装置采用DL/T 860—2006《变电站通信网络和系统》标准通信,与消防、安防、环境、照明等控制器采用自定义协议通信。在变电站增加运检网关机,通过调度数据网向辅助设备集控系统远传辅助设备四遥数据信息、联动信息;在变电站增加纵向加密装置,保证辅助设备数据安全传输。如图6所示。

图6 变电站辅助设备监控系统接入

架空设备物联网数据以2.4 G Lo Ra信号接入杆塔上安装的汇聚/接入节点,节点以加密芯片硬加密方式,将加密的密文以4 G方式通过APN通道接入到物联安全接入网关,经安全隔离后进入信息内网,以MQTT协议接入公司物联管理平台,最终在管控物联网应用模块进行展示。电缆隧道内传感器,以微功率无线通信协议接入标准汇聚节点,并通过光缆实现与站端接入节点通信,同时满足宽带视频信号的传输。

3.3 平台层

平台层汇集底层数据,实现物联网设备管理、边缘计算配置和海量数据存储,并提供物联网中台数据交互接口。按照电力物联网建设要求,所有传感器均应接入省电力公司级统一物联管理平台,利用物管平台MQS组件将数据推送到相关应用系统。

3.4 应用层

应用层对物联网感知数据进行高级分析与应用,实现信息共享和辅助决策。通过业务中台和数据中台,实现站端物联网数据、PMS2.0、OMS等数据的全面融合,完成物联网感知设备管理、运检边缘算法管理、感知数据管理、物联总览、站线状态、机器人协同巡检、站端视频展示等功能。

输变电设备物联网通过感知层将设备与传感器深度互联,实现设备状态全面感知;通过网络层对感知数据进行可靠传输,实现信息高效处理;通过平台层汇集物联网底层数据,实现物联网设备管理、边缘计算配置和海量数据存储,为各类生产管理和业务管控系统提供数据支撑;通过生产管理系统调取设备台账等基础数据,在应用层对物联网感知数据进行高级分析与应用,数据流向如图7、图8所示。

图7 变电设备数据流向

4 典型应用场景

随着智能运检体系深化建设,加上泛在网络、人工智能、边缘计算等物联网新技术在坚强智能电网建设中的逐步应用,输变电设备物联网进入跨界融合、集成创新和规模化发展的新阶段。

4.1 基于物联网架构的变压器智能化

在运变压器数量庞大,无法应用内置传感器,采取布置简单的外置物联网传感器、无线化表计、站端监控等可方便实现状态量、环境量、运行数据的采集,与站端接入节点(边缘物联代理)部署的负载、冷却、绝缘、局放等模型算法配合,即可实现变压器状态智能诊断,与云端高级应用结合可实现设备历史数据、同类设备数据等比对分析,更有助于提升在运变压器的状态管理水平,并且方案成本低,易复制。

从落实“基于不停电检测的状态检修策略”对设备状态参量的监(检)测需求出发,合理制定物联网传感器优化配置策略,在站端边缘物联代理部署专业化边缘算法群,使其兼具智能主IED功能,发挥物联网全面快速感知和云边协同等技术优势,实现“传统设备+传感器+边缘物联代理+云端系统”的深度融合,推动传统设备智能化升级,见图9。

图9 变压器物联应用结构示意

4.2 基于物联网的智慧检测体系

基于统一规约规范,开展了20余类停电、带电检测仪器无线化、智能化、集控化改造,配合设备台帐、人员信息、实物ID等标准库,借助互联网大区信息通道,实现设备台账自动获取、数据就地诊断、报告自动生成、结果远程回传,初步构建了运检专业智慧检测体系,有效提升工作质量和效率,见图10。

图10 设备检测流程示意

4.3 变电设备物联数据融合应用

采用“数字孪生”理念,通过高精三维模型融合边缘代理运行数据、监测数据、环境数据、视频等尽可能全面地以三维孪生体模拟变电站内设备、人员、作业状态,实现全站级到区域级、设备级无级缩放,“一张图”看全局。当发生异常告警时可在三维场景中快速定位到告警设备、人员,并展示告警关联作业或设备数据、历史告警及缺陷、视频等,进行辅助分析[6];利用虚拟巡视开展远程巡检,通过融合实景视频三维场景,全景感知设备状态,见图11。

图11 数字孪生告警信息

4.4 以物联网技术实现运维替代

以全方位物联网感知替代传统检测和在线监测,以表计数字化远传替代传统人工抄录,以红外和可见光双视装置替代人工外观巡视,配合运检移动互联工作平台应用,实现机器人+视频联合巡检,见图12。

图12 联合巡检机器人

5 结束语

感知层设备是电力物联网建设的基础,其性能和可靠性决定了建设目标的实现程度,需要持续地研发投入和现场验证反馈,是一个长期不断迭代完善的过程,无法一劳永逸。状态全面感知、智能诊断、主动预警等技术的应用可使运维工作更具针对性,使设备管理由被动变主动、由现场实施变远程操控。输变电设备物联网建设遵循开放式统一架构,可为创新应用提供可靠、丰富的搭载平台和落地场景,极大激发基层员工创新活力。

采用新型传感、边缘计算、数字孪生等技术,通过数字化、信息化、智能化的深度融合,研究基于物联网的电网设备状态管控技术,可以支撑电网实现智慧、精益化运维,降低人员投入,提高管理效率,对实现数字化主动电网建设有极大推进作用。