徐友剛，任堂正，沈曉峰，肖遠兵

(國網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799)

中國國際進口博覽會的舉辦和優(yōu)化營商環(huán)境的開展對上海電網(wǎng)的供電水平提出了更高要求。配電網(wǎng)主要由高低壓回路、開關設備、配電變壓器進出線等部分組成?，F(xiàn)階段，在低壓回路上通常不安裝在線監(jiān)測設備，存在故障難以及時發(fā)現(xiàn)、故障點難以準確定位等問題[1]。在配電變壓器(以下簡稱“配變”)的監(jiān)測方面，通常只采集電壓、電流等電量信息，而對能提前反映配變運行狀態(tài)的油溫、油位信息關注較少，存在配變故障頻發(fā)的問題。在電纜終端頭狀態(tài)監(jiān)測方面，往往采取非接觸式測溫或傳感器有線供電的方式測量電纜終端頭發(fā)熱情況，存在電纜終端頭溫度測量不準確、布線困難等問題。由于不同子系統(tǒng)采用的通信方式不同，缺乏對多種不同通信方式具有良好兼容能力的通信網(wǎng)絡，存在各子系統(tǒng)接入困難的問題。此外，不同系統(tǒng)的配電設備臺賬、電氣量信息、非電氣量信息、用戶信息等多源數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，存在難以對其狀態(tài)進行有效評估的問題。這些問題極大地影響了配電設備運行的穩(wěn)定性，不利于供電可靠性的提升。

1 配電設備監(jiān)測國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等相關技術的發(fā)展，配電設備的運維方式也逐步從周期性計劃巡視向狀態(tài)監(jiān)測轉(zhuǎn)變，然而由于技術水平、管理方法等方面的不均衡，各電網(wǎng)企業(yè)及科研單位對配電設備的監(jiān)測水平存在較大差別。文獻[2]研究了基于云平臺的變電站設備智能診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)任務調(diào)度原則合理分配云平臺計算資源，融合初步故障診斷信息，主要針對變壓器內(nèi)部故障診斷技術開展研究；文獻[3-4]對電力設備狀態(tài)大數(shù)據(jù)技術進行了綜合闡述，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術及數(shù)據(jù)挖掘分析方法在電力設備狀態(tài)評估中應用的現(xiàn)狀,說明了電力設備狀態(tài)大數(shù)據(jù)分析的內(nèi)涵、目的、數(shù)據(jù)特征和基本架構(gòu),論述了電力設備狀態(tài)大數(shù)據(jù)集成、轉(zhuǎn)換、清洗、分布式存儲和處理、高效挖掘以及數(shù)據(jù)驅(qū)動的設備狀態(tài)分析模型等關鍵技術；文獻[5]提出了一種面向智能變電站設備狀態(tài)監(jiān)測的自組織無線智能傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要針對無線智能傳感器進行研究。在已檢索的國外相關文獻中，主要是對智能變電站傳感器的研究，電力物聯(lián)網(wǎng)感知層傳感器信息模型的建立，變壓器繞組溫度遠程監(jiān)控等，尚未涉及融合配電設備臺賬、電氣量信息、非電氣量信息、用戶信息等多源數(shù)據(jù)模型的研究。在監(jiān)測對象上，目前國內(nèi)外電網(wǎng)企業(yè)對設備的監(jiān)測僅停留在基于單一狀態(tài)參數(shù)的靜態(tài)閾值監(jiān)測，難以獲取被監(jiān)測設備完整的運行畫像，無法對被監(jiān)測設備的運行情況進行綜合診斷與趨勢預判。

2 基于電力物聯(lián)網(wǎng)的配電設備智能診斷分析系統(tǒng)

本文主要開展了配電設備在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡構(gòu)建、多源數(shù)據(jù)融合分析、配電設備狀態(tài)評估等關鍵技術的研究，并構(gòu)建了一套基于電力物聯(lián)網(wǎng)的配電設備智能診斷分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用“云管邊端”的架構(gòu)，由位于設備現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集分析終端、位于監(jiān)控中心的遠程監(jiān)控終端、位于運維人員處的移動監(jiān)控終端以及云平臺構(gòu)成。系統(tǒng)工作時，首先通過布置在各個被監(jiān)測設備上的傳感器采集設備運行信息，之后通過有線或者無線的方式將數(shù)據(jù)傳遞給布置在設備現(xiàn)場的各種智能監(jiān)測終端，智能監(jiān)測終端對數(shù)據(jù)進行初步處理后通過電力物聯(lián)網(wǎng)傳輸給云平臺，云平臺對數(shù)據(jù)進行綜合處理和智能診斷，若發(fā)現(xiàn)運行狀態(tài)異常，則會將報警信息傳送到遠程監(jiān)控終端及移動監(jiān)控終端上。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于電力物聯(lián)網(wǎng)的配電設備智能診斷分析系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關及數(shù)據(jù)處理方法

研制了具有廣泛兼容性的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關。位于設備現(xiàn)場的各種智能數(shù)據(jù)采集終端對所有采集數(shù)據(jù)進行標準化，統(tǒng)一由VPN網(wǎng)絡進行遠程傳輸[6]，支持MODBUS、104、61850等多種物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議。網(wǎng)關具有邊緣計算能力，可就地完成數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)處理，告警判斷等功能。針對配電設備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)源分散，融合困難，不利于開展智能診斷等問題，提出了多協(xié)議兼容、多數(shù)據(jù)源信息提取的配電設備狀態(tài)分析方法，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的配電設備故障電氣信息和非電氣信息特征的典型故障指紋編碼庫，提出了基于信息熵的設備缺陷診斷決策樹，實現(xiàn)了對配電設備的狀態(tài)智能分析、缺陷快速診斷和事前預警等。

2.2 低壓故障監(jiān)測

針對低壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復雜、易發(fā)生重復性故障和故障點難以定位等問題，研發(fā)了適用于低壓配電網(wǎng)的高分辨率有效值錄波技術，以及模塊化、組合式、可帶電安裝的故障診斷裝置，在云平臺上實現(xiàn)了低壓出線故障智能診斷，包括故障報警、故障點定位、故障錄波、電能質(zhì)量在線監(jiān)測等功能，將故障點定位時間從小時級減少到秒級。低壓配電系統(tǒng)的模塊化故障在線監(jiān)測終端采用開口電流互感器進行電流采樣，采用磁吸式觸頭進行電壓采樣及取電，并可通過插拔式電源總線和通信總線觸頭進行不停電安裝及擴展。采用數(shù)據(jù)緩存技術及變周期的采樣技術，支持數(shù)據(jù)緩存，數(shù)據(jù)通信恢復后可根據(jù)緊急程度利用可變優(yōu)先級的策略進行數(shù)據(jù)續(xù)傳。數(shù)據(jù)采集時對正常采樣數(shù)據(jù)加大采樣周期，對于異常數(shù)據(jù)縮短采樣周期，在不丟失有效信息的前提下減少數(shù)據(jù)量，減輕信道傳輸壓力。

2.3 變壓器狀態(tài)監(jiān)測

油溫油位是反映變壓器運行狀態(tài)的重要參數(shù)，但卻較難實現(xiàn)在線采集并告警。針對該問題提出了基于聲表面波技術[7-9]的變壓器油溫監(jiān)測和磁控開關的油位監(jiān)測技術，研制了嵌入式安裝的油溫、油位、壓力釋放一體化監(jiān)測保護裝置，在云平臺實現(xiàn)了配電變壓器油溫油位綜合在線監(jiān)測，有效解決了人工巡視效率低、故障定性不及時、不準確的問題。在油位計油浮底部安裝溫度傳感器，實現(xiàn)了變壓器頂層油溫的測量；在油位計觀察窗內(nèi)部安裝磁控開關，通過磁控開關的開閉實現(xiàn)油位監(jiān)測；在油位計頂部設計了壓力釋放閥。這些設計無需改變原變壓器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了油溫、油位、壓力一體化監(jiān)測。研發(fā)了油溫、油位傳感器無源無線供電技術。油溫采集原理圖如圖2所示。

圖2 油溫采集原理圖

2.4 電纜終端頭監(jiān)測

針對電纜終端頭傳統(tǒng)的非接觸測溫結(jié)果不準確，有源有線監(jiān)測方案存在絕緣、高溫、安全隱患和維護成本高等問題，設計了自取能、微功耗的電纜終端頭測溫技術方案[10-11]，研制了一體化成型的在線測溫裝置，實現(xiàn)了電纜終端頭接觸式測溫，并在云平臺上實現(xiàn)了電纜終端頭溫度趨勢預警，有效避免了電纜終端頭溫度異常引起的事故。電纜測溫模塊安裝圖如圖3所示。

圖3 電纜測溫模塊安裝圖

3 工程應用及創(chuàng)新點

研究成果已在多座配電站中安裝使用。應用至今，對配電站內(nèi)電纜終端頭溫度、變壓器油溫油位和高低壓回路運行狀態(tài)測量的準確率超過99%，減少了運維人員的巡視和測量工作量。

(1)提出了多協(xié)議兼容、多數(shù)據(jù)源信息提取的配電設備狀態(tài)分析方法，構(gòu)建了基于配電設備故障電氣信息和非電氣信息特征的典型故障指紋編碼庫，提出了基于信息熵的設備缺陷診斷決策樹，實現(xiàn)了對配電設備的狀態(tài)智能分析、缺陷快速診斷和事前預警。

(2)構(gòu)建了基于低壓電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點和故障特征的低壓出線快速診斷綜合平臺，研制了模塊化、組合式、可帶電安裝的故障診斷裝置，實現(xiàn)了低壓回路故障快速診斷；

(3)提出了基于聲表面波技術的配變油溫監(jiān)測和磁控開關的油位監(jiān)測技術，研制了嵌入式安裝的油溫、油位、壓力釋放一體化監(jiān)測保護裝置，有效實現(xiàn)了配電變壓器油溫油位綜合在線監(jiān)測，解決了人工巡視效率低、把握不準的問題；

(4)設計了可接觸式、自取能、微功耗的電纜終端頭測溫技術方案，研制了一體化成型的測溫裝置，實現(xiàn)了電纜終端頭的有效測溫。

4 結(jié)語

本文針對配電網(wǎng)低壓出線回路、配電變壓器、電纜接頭等部分存在的低壓故障點定位困難、配電變壓器非電量信息監(jiān)測率低及故障頻發(fā)、電纜終端頭非接觸式測溫不準確、缺乏對多源數(shù)據(jù)及不同通信網(wǎng)絡具有良好兼容性的數(shù)據(jù)平臺等問題進行了分析。采用云管邊端架構(gòu)設計了基于電力物聯(lián)網(wǎng)的配電設備智能感知診斷系統(tǒng)。有效地提升了低壓客戶供電可靠性和低壓臺區(qū)運維水平，大大減少了低壓用戶故障停電時間，對優(yōu)化營商環(huán)境、建設世界一流城市配電網(wǎng)具有重要促進作用。