变电设备物联网一体化智能监测装置研究

变电设备物联网一体化智能监测装置研究

韩启明 刁煜

国网辽宁省电力有限公司辽阳供电公司 111000 国网辽宁省电力有限公司辽阳供电公司 111000

摘要：智能变压器是智能电网的重要设备之一，其智能化水平关系着智能电网能否可靠高效地运行。通过开展智能变压器一体化在线监测技术等方面的应用研究，对于变压器的状态监测和保障电力系统安全运行有重要意义。分析了智能变压器在线监测研究现状的基础上，从智能变电站一体化在线监测系统框架设计、装置研制及软件开发应用等方面进行了系统深入地研究。

关键词：变电设备；一体化智能监测装置；安全和措施

智能变压器是智能变电站系统的核心部分，作为一种新型变压器，能否可靠

完成电能的变换和输送任务，关系到电网能否安全稳定地运行。对智能变压器进行在线监测是确保其安全可靠运行的关键，一体化在线监测技术是构成变电设备智能监测传感网络的基本单元，采用先进的检测技术、数字化技术和以太网通信技术。通过研制智能变压器监测传感器及监测主智能电子装置，开发出具有分布自治能力的一体化智能监测装置。

一、一体化在线监测系统架构

1智能变压器一体化在线监测系统架构。主要由套管绝缘监测IED、工况信息监测lED、局部放电监测IED与油色谱及微水监测IED4个IED组成，其中套管绝缘监测IED主要接收高压套管的介质损耗、末屏电流、值电容量参量，工况信息监测IED主要接收来自主变本体、有载调压分接开关及各种辅助设备监测终端监测的电流、电压、温度及湿度等主变运行参数，局部放电监测IED主要接收来自局部放电监测终端采集的主变局部放电信号，油色谱及微水监测IED主要接收来自油色谱在线监测单元分析的油中色谱分析及微水数据，各IED对数据进行预处理，将监测数据和结果传送至监测主lED，实现了在线监测系统的一体化。监测主IED根据传送的数据对变压器进行综合故障诊断和综合评估，同时将监测数据和诊断结果通过站控层网络用光纤送至控制室服务器，运行人员可以通过控制室服务器浏览器或一体化信息平台对主IED进行访问。

二、物联网一体化在线监测的主要问题

变压器在线监测技术的应用，在及时发现隐患、保障变压器安全运行上发挥了一定的作用，但仍不能满足智能电网发展的需求。现有电力变压器状态监测系统存在两方面主要问题：1)状态监测系统或装置种类多，相互孤立运行，不同系统或装置拥有独立的数据采集单元，数据通信协议、功能和接口各不相同，无法形成统一的规范，造成系统互操作困难以及数据无法共享，新增监测系统必须新增投资建设独立的数据采集系统，带来监测系统费用的浪费；2)不同状态监测系统的数据分析与故障诊断软件系统相互独立，难以对各设备的运行状况进行关联分析，并作出有效和经济的检修决策，无法满足智能变电站全景信息对状态信息监测与数据共享的要求。

三、变电设备物联网一体化智能监测装置

1、基本结构。变电设备物联网一体化智能监测装置是构成变电设备智能监测传感网络的核心部件。变电设备物联网一体化智能监测装置的基本结构由传感器、监测主lED和电源模块组成，其中，BPLC是指电力线宽带通信；SF是利用新一代开关器件结合交叉分组技术实现的一种交叉开关网络，系统中多个点到点的通信链路被组织在一起，最终能够实现所有芯片或模块间的任意互连和并发传

输，使得系统带宽成倍地增加。

2、设计原则与功能要求。1）智能传感器变电设备智能监测传感网络采用的传感器分为普通传感器和智能传感器2类。智能传感器应具有一定的智能化能力，包括数据的初步变换和数据通信的能力。针对变电设备智能监测传感网络的监测功能需求，智能传感器主要由传感单元、智能处理模块、通信模块、存储器及电源模块组成。通用异步收发传输器(UART)是用于控制计算机与串行设备的芯片，作为接口的一部分，UART还具备以下功能：将由计算机内部传送过来的并行数据转换为输出的串行数据流。将计算机外部来的串行数据转换为字节，供计算机内部使用并行数据的器件使用；联合测试工作组(JTAG)是一种国际标准测试协议。串行外设接VI(SPI)总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。12C总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备，是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准，它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少、控制方式简单、器件封装形式小、通信速率较高等优点。

3、监测主IED。监测主IED作为一体化智能监测装置的重要组成部分，主要负责接收和发送数据控制信息，并对变电设备状态信息进行综合处理与诊断。其设计原则与功能要求包括：1)监测主lED能够提供各类传感器接入的通信接口，从而保障各类传感器能够自适应接入监测主IED。2)监测主lED应具有支持一体化智能监测装置之间数据通信和联网的能力，保障一体化智能监测装置自适应接入智能监测传感网络。3)监测主lED具有数据处理和分析的能力，支撑智能监测传感网络的分布式或网络化的数据计算和故障分析以及传感器网络的分布自治与协同工作。

4、电源模块。由于基础条件的限制，变电站监测装置的传统供电解决方案可能无法有效提供电源，因此出现了采用电池、太阳能、非接触取能等供电方式，此时一体化智能监测装置应具有电源管理能力。电源模块的设计原则与功能要求主要包括：1)具有对取能模块输出电压进行DC／I)C变换或整流的电压转换功能，并保证输出电压的稳定性。2)具有电压监控保护策略与电源优化管理策略，保证电源的安全有效利用与监测装置功能的最大发挥。

四、安全威胁与措施

物联网作为诸多技术综合交叉领域，其安全问题尤为突出。输变电设备物联网中的安全威胁主要包括设备安全、数据传输安全、数据接收安全、数据存储安全以及设备操作安全。

1. 设备安全。接入的智能监测装置不能对现场电气设备安全运行产生影响，不能影响电力通信质量；装置本身应能及时升级软件补丁，具备病毒入侵检测手段和足够的抗病毒能力；为了防止自然和人为的破坏，延长使用寿命，监测装置可以采取～定的防护措施。

2. 数据传输安全。无线通信是输变电设备物联网最主要的通信安全问题，在资源受限电力系统特殊环境下，为了应对元线通信的安全问题，需要灵活应用数据加密、扩频技术、序列抗重播、物理隔离安全措施，在保证异构多源数据不同实时性基础上，提供更高效和可靠的保护。

3. 数据接收安全。智能终端、监控中心或集成平台在解密上传数据后，需要提供有效性、完整性等检验，对无效的数据应采取相对应的措施，比如令对方设备监测IED重新发送。

4. 数据存储安全。针对设备历史数据，在变电站级、供电局级以及信息集成平台提供系统级和应用级的数据备份程恢复机制。

5、设备操作安全。运行人员登入系统或平台时需要设定权限并定时更新，设定之后，登录系统采取多等级认证机制，防止登录人员的越权操作，同时采取完善的密码、El志管理。

智能变电站的系统配置及网络架构，一体化在线监测系统的技术要求及智能变压器需要监测的部位与状态参数，在此基础上研究了智能变压器在线监测技术的架构、功能、构成及工作原理，进而提出了兼顾技术发展和实际需求的智能变压器一体化在线监测系统典型应用方案。可靠性评估的精度与可靠性模型的有效性以及模型参数的准确度有关，而后者需要充分的样本空间支撑。由于我国基于物联网技术的输变电设备智能监测尚处于起步阶段，目前装置在长期运行过程中的故障统计数据仍较为匮乏。因此下一步工作将针对一体化智能监测装置中各元件开展可靠性试验，建立各元件的故障率模型，在此基础上，结合实际的运行维护数据对可靠性模型参数进行合理的初值设定。

参考文献

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