基于物联网架构的箱式变电站智能监测系统

国网上海市电力公司青浦供电公司、上海尤比酷电气有限公司的研究人员沈晓峰、徐爱蓉、曹基南、张卫红、胡大良，在2020年第9期《电气技术》杂志上撰文，针对10kV箱式变电站运检管理需求，基于物联网架构设计并研发了一套箱式变电站智能监测系统。

箱变综合状态感知设备、边缘计算网关设备完成多维度运行参数采集和就地分析计算，并通过窄带物联网网络上送数据到物联网数据采集平台。平台应用软件实现了箱变运行状态实时在线监测、故障预警和运行评价。通过工程实践验证了系统功能。

10kV箱式变电站是配电系统中的重要设备，承担用户侧降压和电力分配工作。箱式变电站的运行可靠性直接关系到终端用户的用电是否能得到安全保障。长久以来，电网公司配电自动化建设侧重于配网主网架的安全运行和故障处理，用户侧箱式变电站安全运行管控缺乏足够的技术手段。由于箱变设备数量多，部署地理位置分散，传统的光纤通信网络覆盖困难，导致难以大范围实现箱变自动化监测。

箱变运行状态包括以下内容：1）高低压进出线回路基本电气参数，如电流、电压、功率、电量等；2）电能质量参数，如谐波、三相平衡度、电压暂升、电压暂降、异常波动等；3）高低压电缆温度；4）低压出线回路剩余电流；5）箱变接地电阻；6）高压柜局部放电参数；7）箱变环境参数，如开关门状态、环境温湿度、烟感、渗水状况等。

实际运行中，运检部门迫切需要实时监测箱式变电站运行工况，及时发现设备异常状态，快速抢修，消除安全缺陷，防患于未然。

国内学者提出多种箱变智能监测装置设计方案，基本技术路线是采用集中式数据采集设计方案，不便于功能扩展和信息集成。在设备状态诊断方面，以分类和预测为主的机器学习技术成为主要研究方向。随着物联网技术的飞速发展，支持物联网通信和边缘计算能力的数据采集系统逐步得到推广应用。2019年国家电网公司提出电力物联网概念，大力发展物联技术应用于生产实践。

1  系统整体结构

如图1所示，系统由感知层、网络层、平台层和应用层组成，具备典型的物联网架构特征。其中，感知层包括箱变综合状态感知设备和边缘计算网关设备；通信网络支持窄带物联网（narrow band internet of things, NB-IoT）；平台层实现物联网数据采集；应用层实现运行监测和分析应用功能。

在箱变内安装综合状态感知设备。综合状态感知设备由传感器和采集器构成，各采集器通过就地物联网通信网络与边缘计算网关通信。

图1  系统整体结构

网关汇总各状态采集器数据后，完成就地存储、统计分析计算功能，并将实时运行数据和计算结果通过NB-IoT网络和物联网数据采集平台实现数据通信。

物联网数据采集基于阿里云物联网平台实现。在阿里云物联网平台上开发了运行监测和数据分析应用软件。运检人员基于桌面电脑和移动终端通过互联网访问平台信息。平台告警和异常信息也会及时通过短信或移动应用（mobile application, APP）方式推送给用户。

感知设备和网关设备工作电源来自箱变交流220V检修电源。配置一台300W、续航能力20min的不间断电源作为后备，当箱变电源失电时装置可上报全站停电信号。

2  箱变综合状态感知设备

2.1  电气综合状态感知设备

1）设计需求

对箱式变电站的高低压进出线回路实现综合状态监测，主要考虑以下设计需求：（1）功能高度集成。除了常规电气量采集外，需要集成电能质量、故障监测、电气火灾和用电安全等；（2）配置可灵活扩展。不同箱变具有不同规格的进出线回路数，要求设备测量规模灵活可扩展；（3）带电安装。为保障用电连续性，要求设备可带电安装。

2）结构设计

针对上述功能需求，设计开发了共电压可组合式电气综合状态感知设备。如图2所示，电气综合状态感知设备由多个分散的功能单元模块构成。针对一个独立的监测子系统，如箱变的低压开关室，由一个供电通信单元、一个电压单元和多个电流单元组成。

图2  共电压可组合结构设计

每个单元模块都同时具有一个插接端子和插接槽。一个单元模块通过插接端子插入另外一个单元模块的插接槽构成插接式总线。插接式总线为单元模块提供电源和通信连接。

电压单元输入母线三相电压采样信号，实现交流电压采样和计算；并通过插接总线向其他电流单元同步数字化电压信号。

电流单元输入三相电流采样信号，并根据插接式总线输入的数字化电压输入信号完成全电量计算。同时电流单元也提供开关量、电缆温度和剩余电流采样。

供电通信单元为一组功能单元提供电源输入和通信集成，统一对外提供RS485/宽带电力线载波（high speed power line communication, HPLC）/ ZigBee/远距离无线电（long range radio, LoRa）通信接口。

图3  电气综合感知设备组网图

一个电压单元、多个电流单元和一个供电通信单元构成一组“电气综合感知设备”，实现多个电气回路状态监测。多个电流单元共用一个电压单元带来的好处是可以节省电流单元的接线端子和减少现场施工接线工作量。

多组电气综合感知设备通过本地有线/无线物联网通信网络接入网关，如图3所示。

2.2  局部放电感知设备

采用第三方局部放电监测产品对箱变高压室高压开关柜实现局部放电监测。局放感知设备由局放传感器和局放采集器构成。超声波和局部放电暂态地电压（transient earth voltages, TEV）一体化传感器通过LoRa无线通信网络与局放采集器通信，局放采集器通过RS485接入网关。

2.3  环境感知设备

集成第三方环境传感设备实现箱变环境运行状态监测。在变压器室、高压室、低压室配置烟感、漏水、温湿度和门磁传感器。在仪表室配置接地电阻探测器、雷击电流计数器测试箱变的接地绝缘状况。

环境感知传感器有两种类型：①支持RS485通信接口，直接接入到网关；②提供开关量或者模拟量信号，统一接入到通用状态采集器后，再通过采集器的RS485通信接口接入网关。

3  边缘计算网关

3.1  硬件方案设计

设计开发了应用于箱变综合状态监测的边缘计算网关，网关装置硬件结构如图4所示，由电源模块、中央处理器（central processing unit, CPU）模块、外部存储模块和多种通信接口模块组成。

图4  边缘计算网关硬件结构图

装置南向提供4个RS485接口，用于接入串口设备，最多支持128个电气综合感知测量单元。装置也支持通过标准规约接入第三方串口设备。网关预留了南向HPLC/ZigBee/LoRa扩展接口。

装置北向提供1个有线以太网通信接口，1个无线网络通信接口和1个NB-IoT通信接口，任意一个通信接口都可以用于设备维护或远程数据传输。

3.2  网关边缘计算能力

NB-IoT等物联网通信系统的实时响应性远不如光纤专线网络。为满足实时、快速、高效的用户响应，必须在设备和网关侧就地完成数据采集、数据处理和故障分析。

本文设计的电气综合状态监测设备和网关配合一起实现了以下边缘计算能力。

1）故障分析：短路、过流、超温、剩余电流越限等故障事件判断。

2）电能质量事件识别：包括电压暂升、暂降识别和高分辨率特征数据曲线记录。

3）故障录波：短路、过流、欠压等故障现象触发的故障录波。

4）数据统计：所有实测数据的按时段统计，包括最大、最小、平均、累加、计数等。

3.3  网关物联网通信能力

网关南向通信接口支持Modbus、IEC60870- 5-101通信协议，北向通信接口支持消息队列遥测传输（message queuing telemetry transport, MQTT）物联网通信协议。

网关通过南向接口接入现场各种电力物联网终端，通过北向通信接口和物联网数据采集平台通信。网关支持简单网络管理协议（simple network management protocol, SNMP），便于远程管理维护。

4  物联网数据采集平台

4.1  系统架构

本文采用阿里云物联网平台实现数据采集。图5所示为阿里云物联网平台系统架构。阿里云物联网平台提供安全可靠的设备连接通信能力，支持海量设备数据采集上云。

图5  物联网数据采集平台架构图

阿里云物联网平台支持两种设备接入模式，设备直接接入物联网平台模式和子设备通过网关接入物联网平台模式。本文采用子设备/网关接入方案，由网关代理各感知设备通过MQTT协议接入物联网平台。

4.2  物模型定义

物模型是物理空间中的实体对应到云端构建的数据模型。定义物模型即定义产品功能。在物联网平台中，物模型将产品功能类型分为属性、服务和事件。

本文方案设计了三个产品：1）网关产品，代理子设备接入物联网平台；2）电气综合状态监测产品，网关子设备，针对各高低压电气回路综合状态监测；3）箱变状态监测产品，网关子设备，集成局部放电、环境、接地电阻监测。

其中1）和2）是实体产品，3）是由网关集成现场感知设备后虚拟出来的产品。

常规电力数据采集和监视控制系统（supervisory control and data acquisition, SCADA）中的遥测、遥信、遥脉对应到物模型的属性。设备工况告警，事件顺序记录（sequence of event, SOE）等对应到事件。一些需要交互式的数据功能通过服务实现，如遥控、统计报表、故障录波等。

4.3  设备接入

由产品名称、设备名称和设备密钥构成一个设备“三元组”。设备接入物联网平台要使用这个“三元组”实现身份认证。

本文使用的感知设备本身不具备三元组存储能力。因此采取了网关预烧录方案，在网关内部维护一个三元组描述文件，用于标识各子设备三元组。开发了就地和远程维护管理工具软件，可以和网关通信，读取和下发设备三元组描述文件。

阿里云物联网平台定义的标准数据格式为阿里云连接（Aliyun link, Alink）协议。阿里云物联网平台提供了物联网软件开发工具包（software development kit, SDK），在MQTT协议的基础上封装了Alink协议。网关设备在获取各子设备数据后，调用SDK封装数据，和物联网平台之间以发布和订阅主题的方式实现数据交互。

4.4  规则引擎和服务端订阅

阿里云物联网平台提供规则引擎来打通物联网平台与阿里云众多云产品之间的数据交换链路。在规则引擎中，可以编写结构化查询语言（structured query language, SQL）脚本对发送到主题（Topic）的数据进行处理，并配置转发规则将处理后的数据转发到其他设备主题或阿里云其他服务。

通过服务端订阅可以接收产品下所有类型的消息，如设备上报消息、设备状态变化通知等。本文使用规则引擎存储物联网平台数据到时序数据库，使用服务订阅获取实时事件。

5  运行监测和分析应用软件

5.1  应用软件系统架构

在阿里云弹性计算服务器上开发部署了箱变运行监测和分析应用软件。软件系统通过规则引擎从阿里云物联网平台转储数据到时序数据库。软件系统通过服务订阅从阿里云物联网平台获取设备上报的事件。

事件处理模块对上报事件做筛选和规则匹配，把触发告警的事件推入消息队列。告警服务模块根据告警发送规则调用阿里云短信和语音服务推送告警。

软件系统实现了设备状态监测诊断等应用服务。基于阿里云IoT Studio开发环境构建了浏览器和移动应用，实现可视化运行监测和应用分析人机界面。

图6  应用软件平台架构图

5.2  应用软件功能

1）运行监视：通过可视化图表实现箱变运行状态实时监测。

2）预警和告警：异常工况预警，故障告警推送。

3）运行分析：历史数据统计查询、数据比对。

4）运行诊断：故障事件识别，故障录波曲线   调阅。

5）设备健康度评价：以负载率、电能质量、三相平衡度、电气安全、环境、局放等多个指标评价设备健康度。

6  工程应用

项目选择了青浦供电公司新城5号箱变作为试点，于2019年10月完成了设备现场安装调试。设备安装施工采用不停电作业模式，施工过程未影响箱变正常运行。

现场安装传感器和网关安装情况如图7所示。

图7  箱变状态感知和网关设备

近3个月试运行表明，箱变综合状态监测系统测量数据准确可靠，能识别停电、跳闸、过流、超温、剩余电流越限、局放超标等事件并及时告警。

图8  运行监测和运行分析软件界面

2020年2月3日平台推送低压出线回路3剩余电流值超限告警。通过平台查看该回路和其他回路的剩余电流监测记录，发现在当日10:25—10:30该回路剩余电流值达到3.29A，超过设定的0.8A定值。

图9  剩余电流超限

低压回路由于用户侧发生短路故障时，系统可精确记录故障动作电流、电压曲线，并可上送数据到监测平台。运维人员可通过移动终端远程调阅故障录波曲线，分析故障原因，及时采取抢修措施。

系统能对箱变电气回路和箱变状态进行分类评价，为状态检修提供决策依据。

7  结论

本文成果为配电网10kV箱式变电站智能运维和在线监测提供了一种可行的技术方案。系统能够对箱变运行状态进行全方位监测和运行评价，运检人员能提前发现设备存在的早期安全隐患并及时处理设备缺陷，以防事故扩大引起故障停电。该成果也完全可推广到其他类型的配电站、环网柜、电缆分支箱等配电设施应用场景。

本文编自2020年第9期《电气技术》，标题为“基于物联网架构的箱式变电站智能监测系统”，作者为沈晓峰、徐爱蓉、曹基南、张卫红、胡大良。