基于物联网和传感器技术的电网二次设备信息智能移动系统.pdf

【12】第45卷 第08期 2023-08收稿日期：2022-05-17作者简介：谢百煌（1974-），男，湖南邵阳人，副高级工程师，学士，研究方向为电力系统继电保护。基于物联网和传感器技术的电网二次设备信息智能移动系统Mobile system for secondary equipment in substation based on internet of things and sensor technologies谢百煌1*，李旭辉2XIE Bai-huang1*，LI Xu-hui2（1.国网陕西省电力公司调控中心，西安 710048；2.国网陕西省电力公司商洛供电公司，商洛 726000）摘 要：为及时准确掌握继电保护设备运行状况及其可靠性，提出了一种基于物联网和传感器技术的电网二次设备信息智能移动系统。说明了变电站内二次设备的运行和检修现状以及运检中存在的问题。针对物联网技术和传感器技术在变电站内应用现状，提出了基于物联网和传感器技术的设备状态信息智能移动采集系统，设计了系统构架、系统功能模块以及移动终端。结合二次设备的运维检修场景，说明了系统信息汇聚方案，以减轻网络拥塞。关键词：物联网技术；传感器技术；电力二次设备信息；智能化移动系统中图分类号：TM769；TM63 文献标志码：A 文章编号：1009-0134(2023)08-0012-050 引言特高压交直流互联技术能够有效提升电网的坚强可靠性，扩大互联区域范围，但同时，电网出现全局故障的可能性也会增加，需要利用相应的二次保护系统进行快速动作，实现故障的有效及时切除。现阶段，随着电子信息技术的发展，继电保护的动作特性实现了数字化电子化，能够减少人工参与的需求，但针对广泛部署的机电保护终端软件采集数据的完整性和规范性中有待提高，尤其是针对设备运行状态的数据需要进一步整合。在运行管理的现场管控中，也需要高度依赖二次设备采集数据进行相应的人工处理。因此，本文针对二次设备信息智能移动系统，利用物联网和传感器技术，提升数据的管控效率。针对二次设备管控，研究二次设备状态管控和评估的文献较多。文献1研究了基于信息融合的智能变电站继电保护设备自动测试系统。文献2给出了一种继电保护设备管理信息系统。文献3设计了D5000继电保护设备在线监视及分析应用系统。文献4研究了采用组合赋权法的智能变电站继电保护设备状态模糊综合评估。文献5针对基于线路二次设备实时信息的保护定值风险评估展开了研究。文献6提出了基于信息触发的智能变电站保护功能判定方法。文献7进行了基于电力无线虚拟专网的继电保护智能移动运维系统设计。文献8提出了面向状态检修的智能变电站二次设备公共信息模型。针对目前的研究，二次设备智能移动系统的研究较少，且针对物联网和传感器技术在变电站中的应用不是很丰富。本文针对电力二次设备智能移动系统进行了设计，首先分析了智能变电站以及机电保护的相关体系结构。说明了变电站那机电保护采集信息重要性。然后说明了物联网和传感器技术应用前景。接着针对基于传感器和物联网技术的二次设备信息智能移动系统进行设计，首先针对二次设备状态监测内容进行了分析。然后设计了系统构架，分为感知层、传输层和应用层。并对系统的功能以及信号传输原理进行了分析，设计了移动终端系统，并且针对多传感器信息采集造成的信息拥塞进行了信息汇聚方案的设计。1 继电保护系统概述现阶段，智能变电站的发展逐渐成熟，可以实时跟踪控制、保护装置可靠动作等功能，实现变电站无人值守、智能化决策和监控。如图1所示，基于IEC 61850的智能变电站系统结构包括过程层、间隔层和站控层9。过程层是一次和二次系统之间的连接，包括电流互感器和电压互感器、合并单元、智能终端等设备；间隔层具有数据传输功能；站控层包括整个系统和主机的监控、调度系统。对于继电保护系统来说，主要的设备分布在过程层。继电保护系统通过采样值网络获取电压电流等模拟量信息，再通过G O O S E信息网络将开关量进行传输，从而实现与站控层进行信息交互。第45卷 第08期 2023-08【13】图1 智能变电站结构 智能变电站继电保护系统结构如图2所示10，该系统通过采集一次电路电压，传送至电子式电流互感器，再经过光缆将互感器信号传送至合并单元，通过同步时钟对时信号，确定该数据的实时性。保护装置与测控装置一起连接在以太网络上，断路器经过光缆与智能终端进行连接，最终智能终端向断路器发送跳闸指令。图2 继电保护体系结构 变电站内继电保护设备运行状态对于电力系统稳定运行十分重要，相应设备的特征信息能够起到表征设备状态的特征参数的作用。对于继电保护设备，主要包括历史状态信息和实时状态信息。历史状态信息主要包括出厂前、投运前状态、系统性缺陷、检修情况、断路器动作率等；实时状态信息主要包括主CPU负荷率、开入开出状态、电压互感器状态、电流互感器状态、设备内环境温度、采样值信息通信状态、GOOSE通信状态、压板状态等。这类信息除了从时间尺度进行分析外，还可以根据状态的评估规则进行分类，分为监控类、物理类、专家判断类。2 物联网及传感器技术在电力系统中的应用2.1 物联网和传感器技术概述物联网技术是互联网向物理实体的延伸，是传感器技术、信息通信技术和信息服务技术融合的、具有智能化管理的功能。另一方面，物联网是一个基于标准和互操作通信协议的、具有一定自组织能力、动态网络重构的基础设施。通过物联网中的多种技术，物理和虚拟的实体都有一定的身份标签、物理属性、插件接口，能够与现有信息网络实现融合。物联网涉及到计算机、通讯工程、传感器等多个领域、交叉学科，其对象为信息感知、数据传递和智能分析。物联网能够融合信息、通信、自动化和传感器等技术，在电力生产、输送、消费、管理各环节广泛部署具有感知能力、计算能力、执行能力的多种智能设备，通过关键技术，实现一体化运行。物联网中包括的关键技术主要是指感知和识别技术、节点设计技术、组网与信息处理技术、传感器技术、图像识别技术、云存储和云计算技术等。传感器是一种数据检测装置，能够通过一定的原理将被测量信息转换成电信号或其他形式进行输出，是信息采集的关键技术。传感器技术是伴随着集成电路、通讯技术迅速发展的。传感器技术主要包括传感器的信号采集基础研究以及传感器网络布置系统的研究。通过对被采集量的分析，可以确定传感器系统所采用的通信技术、图像处理技术等。2.2 物联网技术和传感器技术的应用现阶段，物联网中的电力视觉感知已经应用于输电线路巡检中、变电站智能巡检。通过利用直升机、无人机的方式对输电线路进行巡检，已经成为了现阶段智能巡检的方式之一，可以通过图像采集技术、线路识别技术实现对杆塔故障、地线故障、绝缘子金具故障进行判别11。在智能变电站巡检中，主要利用巡检机器人、监控摄像头获取变电站内部电器设备的图像信息，还可以根据布置的传感器获取包括主变油位指示器、二次设备状态、低压开关柜状态、组合电器、开关和断路器等物理量，将这类信息利用物联网技术进行上传，实现信息共享。与输电线路巡检相比，在变电站中的应用更加丰富，变电站内设备众多，可以根据设备的具体形式进行个性化布置传感器、组件网络，实现物联网和传感器技术的广泛应用。电力二次设备状态监测的内容和范围在智能化变电站背景下有所更新，主要包括交流测量系统、直流控制系统、信号控制系统、逻辑判断系统、通信系统、控制电缆、二次设备装置自检系统等。基于物联网和传感器的信息采集也主要是针对这些系统的数据量进行采集，大部分数据都是结构化数据，因此在传输时占有的信道容量不是很大。【14】第45卷 第08期 2023-083 二次设备信息智能移动系统3.1 二次设备状态监测内容电力二次设备状态监测的内容和范围在智能化变电站背景下主要包括交流测量系统、直流控制系统、信号控制系统、逻辑判断系统、通信系统、控制电缆、二次设备装置自检系统等。具体内容如图3所示。基于物联网和传感器的信息采集也主要是针对这些系统的数据量进行采集，大部分数据都是结构化数据，因此在传输时占有的信道容量不是很大。电源系统监测互感器二次回路监测二次设备绝缘监测信道通信状态监测二次设备工况监测二次设备软件监测二次设备自检信息监测数据通信网络监测主站机房设备监测二次设备状态检测图3 二次监测信息以电源系统为例，在二次设备采集监控过程中，首先应当关注电源系统，例如直流电源系统母线正电压、直流电源系统母线负电压、蓄电池电压、直流电源系统合闸母线电流、直流电源系统备用控制母线电压、直流电源系统各支路对地绝缘、蓄电池充放电记录等。另外，二次设备正常运行中，难以发现回路中接触不良等缺陷，因此在这种过程发生问题时，将直接导致保护拒动。因此在设备状态监测的过程中，应当包括设备开入开出回路的监视。在二次设备进行监视时，互感器二次回路是十分重要的内容，主要包括电流互感器和电压互感器断线告警监视，由于电流互感器和电压互感器在不同的相位、线路、部位的温差较大，负载也有所差别，因此在进行传感器信息采集时，应当有针对性地针对某种特殊数据进行采集，实现差异化定制。3.2 系统构架本文提出的二次设备信息智能移动系统是基于物联网和传感器进行构架的。该系统分为感知层、传输层和应用层。感知层可以包括多个移动数据采集软件，每个移动数据采集元件与数据感知单元之间通过无线或有线方式进行通讯。针对电力系统二次设备，在二次设备室以及相应的线路中布置相应的前端采集器，根据二次设备以及继电保护系统采集信息的不同设置相应的传感器，采用数据、模拟信号的方式进行采集。前端传感器，可以采用内置或者外置的方式实现数据交互，其余传感器均可利用Wifi或Zigbee模块进行通信。感知层RFIDGPS视频感知红外传感器温度传感器湿度传感器气体传感器红外传感器压力传感器传输层光纤通信载波通信无线通信应用层电力二次设备监控与预警移动平台故障综合分析保护定值校核保护动作评价历史数据分析人机交互互动图4 系统构架在物联网技术下，尤其是在5G技术诞生下，针对电力二次设备的状态采集可以使用元件内置的唯一的RFID标签。移动数据采集软件与外部系统进行数据交互和通信时，可以将自身的特有标签进行传输，以便系统对故障、问题元件进行有效识别。在可视化技术的背景下，可以利用虚拟现实技术对移动数据采集元件所处的环境进行建模，还原设备故障发生时外界环境状态，形成平面分布图、3D展示图等。在大数据背景下，终端操控人员可以方便地根据可视化技术，对二次设备信息进行移动采集和移动分析，能够快速实现检修工作。基于物联网和传感器的电力二次设备信息移动采集系统具有多层次结构，其中感知层具有多元化信息采集能力，能够将电力设备的各类仪表、传感器、无线设备融合检测并传输重要信息，实现实时、在线、本地采集，并且完成感知、识别、融合等功能。感知层主要采集的对象包括电压互感器、电流互感器、馈线开关柜、馈电线路、馈电终端、外部电缆导线等。感知层的核心技术是基于物联网的信息传感采集技术实现的方式是射频识别技术以及二维码识别技术。通过写有相应编码的射频标签通过读写器上传，完成对相应编码的采集，再通过上位机进行数据核对与处理。应用层主要包括电力二次设备监控与预警移动平台，该平台是通过感知层和传输层接受数据的终端平台，能够将感知层和传输层的数据进行汇集，形成具有针对性的应用分析，例如故障综合分析、保护定值校核、保护动作评价、历史数据分析、人机交互互动。在应用层进行各种功能实现的同时，可以对数据进行相应的管理，并且实现对数据的解析与存储，通过传输通信单元获取的感知单元数据进行对结构化和非结构化数据按照预设的协议进行解析，并利用云存储技术进行存储，可以实时更新至移动终端，方便运维检修人员在移动终端查看该设备的历史记录等。第45卷 第08期 2023-08【15】3.3 系统功能实现系统能够通过传感器与移动终端进行通信，利用传感元件、信号处理、模拟数字转换以及通信模式的转换完成传感器采集数据信息的处理。移动终端则利用处理单元与无线通信模块进行通信，将二者无线通信进行连接，实现采集数据的有效传输。在这个过程中，利用传感器的配置与时钟对时、电源供电等模块相匹配，实时发送数据进行传输。如图5所示。图5 系统功能示意无线传输模块主要是指Zigbee12以及蓝牙。可视化分布解析单元，基于获取的数据信息，提取其中的RFID标签数据，以图像化方式建立移动数据采集元件分布可视化模型。3.4 移动终端设计终端采集模块的结构如图6所示，包括传感器单元、执行器单元、数据处理单元、数据传输单元。上述单元均有统一的电源为其供电13。电源执行器控制单元传感器数据感知D/A转换A/D转换应用存储器处理器无线单元MAC网络数据处理数据传输图6 移动终端设计移动终端的重要特点之一就是移动性，利用手持式的移动设备实现数据的传输和处理，从而方便运维人员对相应设备信息的实时掌控，打破空间限制，同时利用定位原理实现提升检修效率的目的。3.5 信息汇聚方案感知层对于数据采集和终端采集过程中出现的问题，主要集中在多节点协调运作、多节点补偿、终端能量受限主要问题。由于在变电站内广泛部署大量传感器，传感器的信息采集受到时间的限制，有一定的实验，并且数据采集过程中流量较大，给予传输层的压力也较多，因此系统在网络规模逐渐变大的同时，发生阻塞的可能性也越大，可能会影响移动采集终端的工作性能。由于广泛部署的传感器，节点距离较近，在变电站内部可以采用协作的方式，消除部分冗余信息，避免类似节点之间资源的浪费和消耗。因此，通过本文基于传感器和物联网的结构设计，可以将相似度较高的设备信息进行合并传输，例如温度传感器和湿度传感器，在某些信息节点位置的数据结构较为相似，可以首先将二者的信息进行融合，生成优化路由，通过最优路径进行传输，减少终端能量消耗14。客户端数据库服务器Web服务器THGGTHHHGGT固定Sink移动SinkT温度传感器H湿度传感器G气体传感器多跳上传路径单跳上传路径图7 信息汇聚方案本文设计的信息汇聚方式如图7所示，系统包含各类信息检测的传感器信息、固定Sink节点与移动Sink节点，其中Sink节点一般作为网络接入汇聚端口。移动Sink节点一般可以通过移动设备终端实现，有利于巡检人员进行实时动态监测与采集，在功能上能够实现二次设备的日常维护与检修。当移动Sink节电靠近相关传感器时，传感器节点数据将会受到该终端的主动扫描，通过扫描范围内的信息通过相应的无线协议进行上传；上传至服务器之后，实现后台的数据查询与管理。为保障二次设备信息可靠安全上传，还应配置固定的Sink节点，该节点主要对变电站那所有设备进行全景式监控，能够实现应急传输要求等，并且通过多跳以及单跳的方式将需要的二次设备信息进行上传，实现数据的汇集处理以及分析。4 实例分析以某变电站内二次设备检修运维台账管理和压板投退场景为例，说明二次设备信息智能移动系统的应用。4.1 二次设备运维台账管理台帐变更需要PMS系统、继电保护智能移动应用、继电保护统计分析及运行管理系统三者的有效融合。首先，需要与PMS管理系统中的台帐数据进行对比，对比数据范围包括：变电站信息、间隔信息、一次设备信息、二次设备信息、管理单位/运维单位/调度单位/设计单位信息、设备型号、生产厂家等数据，判断是否需要存在心中和修改的现象，如果需要，则将台帐数据进行相应的修改，然后【16】第45卷 第08期 2023-08将修改后的数据发送至继电保护智能移动应用系统，判断数据是否接收成功，对台帐数据进行更新，实现数据的同步，并将相应的数据下发至其余台帐，最终实现主站和分站的数据同步。其流程图如图8所示。新增/变更台账（源头为PMS管理系统）PMS管理系统继电保护智能移动运维应用继电保护统计分析及运行管理系统开始台账更新（带ID）主站台账更新（带ID）地市主站台账更新（带ID）移动端数据同步台账下发结束是否存在新增/修改新增/修改台账数据（带ID）是否台账更新（带ID）移动端数据同步数据是否接收成功数据推送是否更新台账（带ID）数据同步台账更新是否成功是否图8 台账变更功能另外，除了台帐变更，电力系统二次信息智能移动系统还可以实现巡检作业、标准化作业以及版本校核的移动更新。其各项对比如表1所示。表1 功能对比功能原有模式移动化作业模式台账功能班组人员在电脑端PMS系统中维护二次设备台账信息，若设备信息存在变更时，需将变更信息记录在纸中并带回单位在电脑中进行更新。班组人员在手持移动终端在现场进行数据校核，发现不一致时直接在终端中进行修改，修改后的数据可同步到移动运维后台更新台账，同时将移动运维变更数据线下反写到PMS系统中进行更新。现场作业班组人员将作业指导书打印出来并携带相关设备资料在现场进行巡检、检修作业，并将结果记录在纸中，再作业结束后带回单位录入系统中并制作作业报告。将作业指导书及图档资料按照一定格式录入系统中，班组人员手持移动终端对设备进行扫码作业并在APP中记录作业结果，作业结束后系统按照纸质报告样式自动生成作业报告；同时APP支持离线作业模式，用于满足现场无网络信号的场景。作业诊断班组人员依靠个人经验判断作业结果的正确与否，由于个人专业熟练度不同会存在不同程度误判的可能性。班组人员在系统中自行设置校核公式，在APP记录作业结果时系统自动根据校核公式对结果进行诊断，并在作业过程中将错误结果进行预警和提示方便作业人员实时更正。版本校核通过人工查询信息表判断该设备版本信息是否符合入网要求，若不符合要求则线下通知班组进行版本升级或变更。将信息表导入系统形成统一的版本信息标准库，系统按照设备的校验码与版本库进行自动比对，筛选出版本信息不符合入网要求的设备并同步到APP端，班组人员可携带移动终端在现场对版本信息再次核对并进行版本升级。巡检作业流程需要继电保护状态检修及辅助决策系统和二次系统智能移动运维系统的参与。首先，由继电保护智能移动运维系统发布巡检任务，包括巡检厂站、巡检类型、巡检项目、巡检人、巡检时间，在App上同步该任务，并进行接收，运维人员巡检后，通过App记录巡检结果，在APP端中按照设备逐个进行巡检，填写巡检结果和问题并上传对应问题拍照，将巡检结果上传至主站进行审核，判断是否审核通过，审核通过后，将巡检数据上报至汇总表格，然后将数据推送至相应的辅助决策系统，根据巡检数据进行评价，形成巡检系统的闭环应用。巡检作业系统流程继电保护智能移动运维应用继电保护状态检修及辅助决策系统开始发布巡检任务地市主站同步任务接收巡检任务APP记录巡检结果APP审核巡检结果地市主站是否校核通过否巡检数据是数据推送结束根据巡检数据进行评价是否推送成功是否汇总巡检数据数据上报图9 巡检作业4.2 主变回路压板投退操作另外，针对主变压器压板投退操作进行设定，然后在移动设备中对某主变压器的二次屏柜进行操作，实现投退功能。其投退操作如表2所示15。表2 继电保护设备退出/投入方案操作对象退出顺序退出方案投入顺序投入方案智能终端跳合闸出口硬压板1退出6投入GOOSE发送软压板(保护装置跳闸、启动失灵、重合闸等)2退出5投入保护装置功能软压板3退出4投入GOOSE接收软压板(保护装置失灵、远传等)4退出3投入保护装置SV软压板(合并单元相关)5退出2投入检修硬压板(智能终端、保护装置、合并单元)6投入1退出 经过现场测试，本文设计的系统可以在配套终端系统接入站控层网络后实时展示装置压板的状态，通过移动终端执行安措及顺序控制安措实施过程，实现对电力二次设备信息的管理和控制。5 结语本文分析了智能变电站以及机电保护的相关体系结构。说明了变电站那机电保护采集信息重要性。接着针对基于传感器和物联网技术的二次设备信息智能移动系统进行设计，首先针对二次设备状态监测内容进行了分析。然后设计了系统构架，分为感知层、传输层和应用层。并对【下转第27页】第45卷 第08期 2023-08【27】5 结语本文设计的基于NB-IOT的窖池环境监控系统，通过ZigBee终端节点采集窖池参数经NB-IOT传输至阿里云服务器实现了对窖池环境精准的监控。但在数据的传输过程中仍有3s左右的延迟，可能是由于MQTT协议受限于网络延迟、网络通信稳定性的问题，后续研究工作可以通过自己搭建一套MQTT服务器来解决。参考文献：1 苏金兰,徐柏田,林培.中国白酒香型发展的进展研究J.酿酒科技,2017(8):102-111.2 胡名志.浓香型大曲酒酒精发酵的主要影响因素J.酿酒科技,2006(4):61-62.3 高畅.葡萄酒酒精发酵过程二氧化碳浓度变化规律研究D.西北农林科技大学,2000.4 凌鹏鹏,肖无病,沙文.高浓度酒精环境的窖池在线监测系统J.传感器与微系统,2021,40(7):107-109.5 刘刚.酿酒监控系统的设计与实现D.电子科技大学,2015.6 李随群,高祥,居锦武,等.白酒固态发酵温度可视化分析系统研究J.酿酒科技,2020,312(6):26-29.7 Boquete L,Cambralla R,JM Rodrguez-Ascariz,et al.Portable system for temperature monitoring in all phases of wine productionJ.Isa Transactions,2010,49(3):270-276.8 Sainz B,J Antoln,M Lpez-Coronado,et al.A Novel Low-Cost Sensor Prototype for Monitoring Temperature during Wine Fermentation in TanksJ.Sensors(Basel,Switzerland),2013,13(3).9 何朝玖,卫春会,龙安,等.利用冷风摊凉控制酒醅入窖温度对浓香型白酒发酵的影响研究J.四川轻化工大学学报(自然科学版),2021,34(1):23-28.10张璐璐,孔国利.基于DSP和ZigBee的农田灌溉水质监测控制系统设计J.农机化研究,2021,43(12):229-232+237.11刘飞飞,徐隆姬,马礼然.基于ZigBee的分布式农业环境监测系统设计J.传感器与微系统,2021,40(3):90-92.12聂乐乐,李丽娟,王劲松,等.基于Labview的模糊PID温度控制系统J.长春理工大学学报(自然科学版),2011,34(4):58-60.13张晓群.基于Fuzzy-PID智能车舵机控制系统J.西安建筑科技大学学报(自然科学版),2011,43(2):301-304.DOI:10.15986/j.1006-7930.2011.02.012.系统的功能以及信号传输原理进行了分析，设计了移动终端系统，并且针对多传感器信息采集造成的信息拥塞进行了信息汇聚方案的设计。通过本文的设计和分析，能够为传感器和物联网技术在电力系统中的应用进行深化给出相应的建议。参考文献：1 陈飞建,吕元双,樊国盛,等.基于信息融合的智能变电站继电保护设备自动测试系统J.电力系统保护与控制,2020,48(5):158-163.2 姚瑾,山瑞娜.继电保护设备管理信息系统的开发与应用J.通信电源技术,2018,35(8):81-82.3 雷明,陈一悰,刘峰,等.D5000继电保护设备在线监视及分析应用提升J.电网技术,2020,44(3):1197-1202.4 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