输配电设备泛在电力物联网建设思路与发展趋势王淑婷

输配电设备泛在电力物联网建设思路与发展趋势王淑婷

王淑婷

国网山西省电力公司太原供电公司，山西太原030000

摘要：泛在电力物联网(UPIoT)建设是电网企业转型升级的重要内容和关键环节。为此，论文首先介绍了输配电设备物联网建设的总体架构，概述了应用层、平台层、网络层和感知层4个层级的构成和基本功能；然后从设备的角度分析了输电、变电和配电设备的运行特点和监测需求，提出了其对应的物联网建设方案和应用场景；最后根据泛在物联网的发展情况，分别从管理、应用模式和技术3个层面对其发展趋势进行了分析，指出泛在电力物联网将取代传统的设备巡视和运维手段，围绕数据将衍生出多种应用模式，电力物联网的建设将带动取能、传感、通信、数据应用等多方面的进步。研究结果可为后续泛在电力物联网的研究和实践提供参考。

关键词：输配电设备；泛在电力物联网；建设思路；发展趋势

引言

随着大量新能源的接入，电网的形态已经由传统的交流电网转变成交直流混联电网，大量电力电子设备的接入增加了电网的复杂度，光伏、风电等新能源的波动性增加了电网的不确定性和不可控性，因而对电力设备状态的感知提出了更高的要求；同时，近年我国极端气候频发，环境对电力设备的影响更加明显。通过先进的设备感知技术、通信技术和数据分析技术实现输配网设备业务数字化到数字业务化的转变，是当前电网企业转型发展的重要手段。

1输配电设备物联网建设总体架构

根据国家电网公司《泛在电力物联网建设大纲》的原则[17]，输配电设备泛在电力物联网建设可分为应用层、平台层、网络层和感知层4个层次。应用层通过对输配电设备相关各个维度数据的高度融合实现对电网公司对内、对外业务的支撑。平台层是输变电设备物联网管理应用平台，具备超大规模物联统一管理和高效处理能力。网络层用于实现感知层与平台层间广域范围内的数据传输。感知层由不同的物联网传感器、边缘计算设备和本地通信网络组成，用于实现设备状态、环节、电网等信息的采集、汇聚和数据的就地处理。

2输配电设备物联网差异化建设方案

2.1输电线路物联网建设方案

输电线路短则几十km，长则数百km，跨越不同的气候区域，运行环境极其恶劣，监测对象之间物理空间跨度大，供电和通信问题突出。从监测参量来看，除了通道监测、故障定位和飞机巡检对通信数据量有较大的需求外，其余的如导线温度、微气象监测等都属于海量小数据特征，主要表现为单次上传数据量小、实时性要求低；而雷击闪络、避雷器动作监测属于事件型，实时性要求更低。因此可根据输电线路广域、海量监测小数据、长时间间隔的特点构建输电线路泛在物联网。

2.2变电站物联网建设方案

变电设备运行工况多在力、热、电等多物理场作用下，其故障机理复杂，故障判据有待明确；同时变电站物理空间相对集中，变压器、气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)、刀闸等不同类型设备同时运行，电磁环境恶劣，局放、声音等设备运行表征信号会向空间扩散，相互耦合，导致缺陷位置定位非常困难。因此，针对所有设备都存在并可在空间传播的局放、声音、热等表征信号，可通过多点同步监测实现初步定位；针对不同设备特有的表征参量或者衰减较快的参量，可在设备本地就近测量。同样，由于变电站空间集中，带电区和安全区毗邻，因此巡检作业人员安全管控问题突出。

2.3配电物联网建设方案

配网设备量大面广、设备种类多且分散、造价低、可靠性差，同时配网运维力量薄弱，导致配网设备故障率高，用户感受到的停电事件96%是由配网引起的，同时配网作为电力系统的最后1km，与用户联系紧密，供电质量、用电服务同样也是配网的日常工作，因此配网物联网建设的工作重心是以优质的供电服务工作来提高用户体验。由于配电业务多且杂，其感知数据涉及运行环境、配电设备、配网运行状态、计量数据和用户数据，并且城市配电网和山区配电网的运行环境和要求也不尽相同，因此配电物联网接入数据种类、网络复杂度和应用多样性都比输变电设备要复杂。

3输配电设备物联网建设发展趋势

3.1行管理

泛在电力物联网的建设旨在让电网的数据成为一种可增值的资源，通过对这些数据资源的利用来提高电网的安全、设备能效，从而降低运维成本。这些数据的获取成本包括数据获取、传输、存储、维护、计算等全链条的开支，在泛在电力物联网的建设中，需对数据获取成本进行经济学定义，以实现企业的精细化管理，后期还可通过经济市场的方式带动低成本感知技术的发展。同时，泛在电力物联网的建设使得设备从投运到退运整个过程的状态信息都能全面感知，传统的设备巡视和运维手段都将被电力物联网所取代，因此大量的设备运维岗位会被技术所取代，从而实现设备运维的少人化或无人化。

3.2应用模式

电力设备运行数据是行业相关各方信息的集中体现，围绕着电力运行数据可衍生出多种应用模式，尤其是电网对外部企业的应用模式，详细如下：1）设备供应商关系。电网公司的缺陷/故障相关的运行数据是设备质量重要的信息反馈，设备制造厂家可向电网公司购买自身或同类产品的运行数据以实现自身产品质量的提升、商业竞争等应用。同时上述产品的运行情况、供应商履约情况是评价设备供应商能力的重要依据。2）行业分析。每年电网企业的场站设计规模、设备招投标规模，以及不同地域的工商业用电特性都集中反映了电力行业或某特定区域的经济形式，针对上述数据脱敏后形成的行业分析报告可供政府、投资机构和设备制造企业来调整其生产经营行为，以便更加准确地判断行业形势。3）科研院所及创业者关系。由于电力设备多场作用的复杂工况导致其故障机理复杂，单纯的理论模型现场应用效果欠佳，泛在电力物联网建设后，电网企业可提供设备全面的感知数据，故障案例库将更加丰富，如何根据电网企业的故障/缺陷案例开发出基于模型+数据驱动的故障诊断算法模型，将会是科研院所和电网企业共同承担的主要工作。

3.3技术发展

泛在电力物联网建设也将带动取能、传感、通信、数据应用等多方面的进步。主要表现如下：1）取能技术。供电问题是制约设备状态感知技术大规模推广的重要因素，如何利用电力设备周围的磁场、电场、振动、温差等环境获取能量为监测设备供电是电力泛在物联网感知层研究的主要内容。由于从环境获取的能量较少，取能技术通常要和传感、通信等进行一体化设计以实现最低的功耗要求，因此集成取能、采集、通信的系统级芯片(SoC)系统将会是低功耗感知的发展方向。2）新型传感技术。高度集成化的传感器可以复用采集存储和通信技术，降低单个参量的感知成本，同时提高装置的可靠性，将会是泛在电力物联网感知技术大规模应用的突破点。对于大量的存量设备而言，非接触式测量可将感知和设备运行解耦，二者互不影响，从而极大地提高泛在物联网建设的便利性，因此非接触式感知是针对存量设备的发展方向。同时将传感器与设备部件结合，如带温度和应力测量功能的金具等，将更加适合于新投运设备。3）卫星在电力行业的应用技术。我国北斗三代卫星、地基增强站和大量通导遥小卫星星座的建设，为电力设备状态感知、通信和位置服务提供了更新和更加灵活的应用手段。如采用通导遥小卫星实现对输电线路更加精确的遥感成像分析，利用北斗三代+地基增强技术为无人机、机器人和电力设备位置提供更加准确的位置和授时服务。

结语

通过泛在电力物联网的建设实现万物互联，降低数据获取的边际成本，进一步开发数据的价值形成完整的能源生态体系，是新形势下电网企业转型为优秀能源企业的有效手段。

参考文献

[1]贺杨烊，郑晓冬，邰能灵，等.交直流混联电网LCC-HVDC换流器建模方法综述[J/OL].中国电机工程学报:1-11[2019-05-07].