基于物联网的输变配电在线监测技术研究及应用

引言

宁夏电网自20世纪80年代末开始陆续安装使用电网设备在线监测装置/系统，至今已有20多年时间。由于缺乏统一的平台，各类监测装置/系统长期孤立运行，资源不能共享；同时在线监测的数据也无法与离线试验、运行巡检等其它重要状态量有机结合，未能有效发挥其辅助诊断的作用。为解决上述问题，本文利用物联网这一平台，通过各种传感器技术、广域通信技术和信息处理技术实现各类输变配电设备运行状态的实时感知、监视预警、分析诊断和评估预测，达到提升电网智能化水平的目标，实现对输变配电设备的状态在线运行管理。

1总体设计

采用先进的物联网技术及现代通信技术，构建输变配电设备状态监测系统。主要包括输变配电设备在线监测装置(感知层)、基于有线/无线传感网络、电力通信专用网等信息通信网络(网络层)和输变配电设备状态监测管理主站系统及智能评估诊断及管控平台(应用层)三部分内容。

依据宁夏电力公司实际，将输变配电设备的各类状态监测信息进行抽象化处理，建立面向准实时连续型数据的采集、转换、传输、存储和综合加工处理的统一技术架构，实现“两级部署、三级应用”的建设目标。系统采用了如图1所示的物联网体系结构。

传感层：依托各类输变配电设备在线监测装置，实现输变配电设备状态实时监测和数据传送。

网络层：基于有线/无线传感网络、电力通信专用网、TD-LTE电力无线宽带通信专网等信息通信网络，保证输变配电状态信息的可靠传输。

应用层：输变配电设备状态监测管理主站系统及智能评估诊断及管控平台，应用数据挖掘工具，辅助专业化知识，从海量数据中提取有价值的信息来诊断分析设备状况，提供服务决策，促进生产管理系统转型升级，提升生产效率和效益,提高信息化管理水平。

2技术原理

2.1传感层

2.1.1输电设备在线监测技术

（1）绝缘子泄漏电流监测技术

输电线路绝缘子泄漏电流在线监测装置采集绝缘子表面泄漏电流值、最大泄漏电流值、脉冲电流、每分钟放电脉冲数，及环境温度、湿度、风速、风向、光辐射、终端状态等参数，终端设备本身可存储6个月的监测数据。

（2）输电线路气象监测技术

通过气象传感器，监测现场的风速、风向、气温、湿度、大气压强、降水量、雪量等参数。

（3）导线温度在线监测技术

大量的线路运行经验表明，线路导线运行的温度是线路安全可靠运行的一个重要指标，而线路接头部分更是线路安全运行的最薄弱环节。

输电线路图像监测

图像监测具有直观、快捷等特点，在输电线路在线监测系统中具有重要地位。

2.1.2变电设备在线监测技术

变压器局部放电信号的监测

局部放电检测技术主要包括脉冲电流(PD)检测技术、超声波(AE)检测技术和超高频(UHF)检测技术，能够有效发现设备主绝缘早期缺陷气

电容型设备介质损耗及电容量的监测

为了克服无源电流传感器的不足，系统采用了自动反馈的零磁通补偿技术电流传感器。此类传感器选用了导磁率较高、损耗较小的坡莫合金作铁心，并采用了深度负反馈补偿技术,对铁心内部的激磁磁势进行全自动的跟踪补偿，从而使铁心的工作保持在接近理想的零磁通状态，以获得较高的检测精度和较好的稳定性，测量结果还基本不受外部因素的影响。

避雷器(MOA)的阻性电流及全电流信号监测

MOA阻性电流的在线监测，通常采用容性电流补偿法,它是利用从PT上取得的电压信号对避雷器泄漏电流中的容性分量进行补偿，最后剩下的即为阻性电流分量。

变压器铁心及夹件接地电流的监测

通过监测变压器的铁心及夹件的接地电流，可及时发现铁心多点接地缺陷。

2.1.3配电设备在线监测技术

无线10kV电压检测节点

无线10kV电压检测节点用于监测10kV配电线路的电压信号，并自动汇聚到配电综测骨干节点。

智能10kV避雷器

智能避雷器是在避雷器内部集成了泄漏电流传感器、温度传感器、泄漏电流获取与储能单元、动作保护电路和射频链路。

传感器节点直接获取泄漏电流作为工作能源，并储存在超级电容内，在配网失电后维持正常工作。

泄漏电流传感器直接采样避雷器芯棒的泄漏电流，并测量芯棒的工作温度，这些数据经节点计算机处理后传输到骨干节点，并最终传输到数据处理模块。

防盗螺栓节点

防盗螺栓主要由：射频前端、MCU、热释电传感器、磁传感器、震动传感器、锂电池和螺栓外壳结构件等组成。

防盗电子围栏一张力传感器节点

防盗电子围栏节点由张力传感器、钢丝盘轮、DC/AC升压模块、对地电阻检测、张力计、齿轮计数器、MCU、RF链路、告警喇叭、告警灯、太阳能电池、供电与储能单元等组成。

无线红外温度传感器阵列节点

采用MEMS红外点阵温度传感器、低功耗控制MCU、无线传输链路和高能电池组成完整无线红外温度传感器阵列节点，可以非接的触精确测量4X4点阵静态、移动目标温度。2.2网络层

2.2.1输变电设备监测数据传输

综合运用光纤、WCDMA、WiFi等各类信息传输方式,实现监测信息的安全、规范接入。

在地市及以下区域部署状态接入控制器(CAC)、状态监测代理(CMA)以及各类状态监测装置。在输电线路沿线分布的各类状态监测装置首先通过11接口向CMA汇聚数据,由CMA通过12接口接入网省公司端线路CAG，实现输电状态信息的接入。在站内分布的各类变电设备状态监测装置首先通过11接口向本站CAC汇聚数据，由CAC通过12接口接入省公司端变电CAG，实现变电状态信息的接入。

2.2.2配电设备监测擞据传输

配电网络主要由中心信息处理与展示软件、骨干节点和信息采集节点组成。其网络拓扑图如图2所示。

配网状态监测、配变参数监测和配网防盗传感器网络采集的信息通过网关节点落地，然后通过变电站、（有宽带通信能力的）开闭所或环网柜的有线、光纤通信网络传输到中心主机，中心主机运行的信息处理与展示软件对收到的信息进行处理、存储与分发，如果发生告警事件，就按事先定义的告警规则进行告警。

2.3 应用层

2.3.1 与已有生产、运行系统信息交互技术

输变电设备状态监测系统数据服务功能以开放和标准的方式为其它相关系统获取状态监测信息提供了较为完备的在线数据服务，因状态监测数据具有累积量大、实效性高等特点，故输变电设备智能评估诊断及管控平台，主要以服务调用和页面集成的方式获取及展示数据。输变电设备智能评估诊断以及管控平台与输变电设备状态监测系统集成示意图如图 3所示。

2.3.2 状态信息实时监测技术

状态监测信息作为输变电设备信息类别之一，与设备台账信息、缺陷信息、故障信息、巡检信息、检测试验信息等共同构成输变电设备全方位信息，为设备生产日常管理和状态检修辅助决策提供全面的信息支持。

2.3.3 图像 / 数据展示、分析技术

利用各种可视化手段包括地图、分析图表、视频、以及专业组合界面，根据各应用主题，进行直观的可视化表达，形成多种专门的展示信息组织方式，以支持多专业、多场景的协同工作。

2.3.4 设备异常预警技术

获取并处理输变电设备相关基础资料以及设备实时 / 历史数据等反映设备健康状态的特征参数，评价设备当前健康状况，预测缺陷发展趋势。对状态劣化和趋势不良的设备及时发布状态预警消息，并进行有效的故障模式和原因的分析。研究输变电设备诊断模型的建立，形成基于故障诊断模型的分析诊断技术。

2.3.5电力设备故障诊断技术

状态检修的核心是对设备状态的评价、可能故障的诊断 以及劣化趋势的预测。

在现有的国网评价导则及已经建成的状态检修辅助决策 专家系统的基础上，应进一步采用专家评价系统实现更为自动 化和智能化的状态检修评价、故障诊断及状态分析预测的。 2.3.6输电线路动态增容与覆冰预测技术

(1)动态增容

增容的本质在于保证输电线路绝对安全的前提下，挖掘 出线路实际的输送容量，并提供给电力调度等运行单位。这个 实际的输电容量通常会远高于运规规定的设计值。

在线路设计时，设计单位会考虑在极其苛刻的环境下, 计算出线路的安全输送容量，并将该值乘以某个安全系数后, 作为线路的规定限额提供给运行单位。

(2)覆冰预测

覆冰预测即预测未来一段时间导线覆冰厚度的变化趋势。 导线覆冰厚度是指覆冰成空心圆柱形的厚度，然而实际的覆冰 断面可能各种不规则形状，计算中可将导线近似认为均匀覆 冰，并将导线上任意一单位长度作为研究对象。

3结语

宁夏电网输变配电设备状态监测系统目前已经上线运行, 该系统规范了各类输变配电设备状态监测数据的接入，实现了 与生产管理信息系统(PMS)、地理信息系统(GIS)及雷电定 位系统的集成，搭建起了状态信息集中收集、分析、处理和 交互的平台，各专业在线监测信息可方便地查询、统计、展示。 该系统主要有以下特点：深化了宁夏电网输变配电设备状态检 修工作;提升了宁夏电网管理精益化水平;为今后输变配电设 备在线监测新技术的应用提供了良好的条件；作为国家智能电 网管理物联网应用示范工程的一部分，项目实施经验及成果可 在国家电网公司系统内推广应用。

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