10kV箱式變電站是配電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，承擔(dān)用戶側(cè)降壓和電力分配工作。箱式變電站的運(yùn)行可靠性直接關(guān)系到終端用戶的用電是否能得到安全保障。長(zhǎng)久以來(lái)，電網(wǎng)公司配電自動(dòng)化建設(shè)側(cè)重于配網(wǎng)主網(wǎng)架的安全運(yùn)行和故障處理，用戶側(cè)箱式變電站安全運(yùn)行管控缺乏足夠的技術(shù)手段。由于箱變?cè)O(shè)備數(shù)量多，部署地理位置分散，傳統(tǒng)的光纖通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋困難，導(dǎo)致難以大范圍實(shí)現(xiàn)箱變自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。
箱變運(yùn)行狀態(tài)包括以下內(nèi)容：1）高低壓進(jìn)出線回路基本電氣參數(shù)，如電流、電壓、功率、電量等；2）電能質(zhì)量參數(shù)，如諧波、三相平衡度、電壓暫升、電壓暫降、異常波動(dòng)等；3）高低壓電纜溫度；4）低壓出線回路剩余電流；5）箱變接地電阻；6）高壓柜局部放電參數(shù)；7）箱變環(huán)境參數(shù)，如開(kāi)關(guān)門狀態(tài)、環(huán)境溫濕度、煙感、滲水狀況等。
實(shí)際運(yùn)行中，運(yùn)檢部門迫切需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)箱式變電站運(yùn)行工況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常狀態(tài)，快速搶修，消除安全缺陷，防患于未然。
國(guó)內(nèi)學(xué)者提出多種箱變智能監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)方案，基本技術(shù)路線是采用集中式數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)方案，不便于功能擴(kuò)展和信息集成。在設(shè)備狀態(tài)診斷方面，以分類和預(yù)測(cè)為主的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)成為主要研究方向。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，支持物聯(lián)網(wǎng)通信和邊緣計(jì)算能力的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)逐步得到推廣應(yīng)用。2019年國(guó)家電網(wǎng)公司提出電力物聯(lián)網(wǎng)概念，大力發(fā)展物聯(lián)技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。
1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
如圖1所示，系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層組成，具備典型的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)特征。其中，感知層包括箱變綜合狀態(tài)感知設(shè)備和邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)備；通信網(wǎng)絡(luò)支持窄帶物聯(lián)網(wǎng)（narrow band internet of things, NB-IoT）；平臺(tái)層實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集；應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和分析應(yīng)用功能。
在箱變內(nèi)安裝綜合狀態(tài)感知設(shè)備。綜合狀態(tài)感知設(shè)備由傳感器和采集器構(gòu)成，各采集器通過(guò)就地物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)與邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)通信。
圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
網(wǎng)關(guān)匯總各狀態(tài)采集器數(shù)據(jù)后，完成就地存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算功能，并將實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。
物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了運(yùn)行監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用軟件。運(yùn)檢人員基于桌面電腦和移動(dòng)終端通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)平臺(tái)信息。平臺(tái)告警和異常信息也會(huì)及時(shí)通過(guò)短信或移動(dòng)應(yīng)用（mobile application, APP）方式推送給用戶。感知設(shè)備和網(wǎng)關(guān)設(shè)備工作電源來(lái)自箱變交流220V檢修電源。配置一臺(tái)300W、續(xù)航能力20min的不間斷電源作為后備，當(dāng)箱變電源失電時(shí)裝置可上報(bào)全站停電信號(hào)。
2 箱變綜合狀態(tài)感知設(shè)備
2.1 電氣綜合狀態(tài)感知設(shè)備
1）設(shè)計(jì)需求
對(duì)箱式變電站的高低壓進(jìn)出線回路實(shí)現(xiàn)綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)，主要考慮以下設(shè)計(jì)需求：（1）功能高度集成。除了常規(guī)電氣量采集外，需要集成電能質(zhì)量、故障監(jiān)測(cè)、電氣火災(zāi)和用電安全等；（2）配置可靈活擴(kuò)展。不同箱變具有不同規(guī)格的進(jìn)出線回路數(shù)，要求設(shè)備測(cè)量規(guī)模靈活可擴(kuò)展；（3）帶電安裝。為保障用電連續(xù)性，要求設(shè)備可帶電安裝。
2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
針對(duì)上述功能需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了共電壓可組合式電氣綜合狀態(tài)感知設(shè)備。如圖2所示，電氣綜合狀態(tài)感知設(shè)備由多個(gè)分散的功能單元模塊構(gòu)成。針對(duì)一個(gè)獨(dú)立的監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，如箱變的低壓開(kāi)關(guān)室，由一個(gè)供電通信單元、一個(gè)電壓?jiǎn)卧投鄠€(gè)電流單元組成。
圖2 共電壓可組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
每個(gè)單元模塊都同時(shí)具有一個(gè)插接端子和插接槽。一個(gè)單元模塊通過(guò)插接端子插入另外一個(gè)單元模塊的插接槽構(gòu)成插接式總線。插接式總線為單元模塊提供電源和通信連接。
電壓?jiǎn)卧斎肽妇€三相電壓采樣信號(hào)，實(shí)現(xiàn)交流電壓采樣和計(jì)算；并通過(guò)插接總線向其他電流單元同步數(shù)字化電壓信號(hào)。
電流單元輸入三相電流采樣信號(hào)，并根據(jù)插接式總線輸入的數(shù)字化電壓輸入信號(hào)完成全電量計(jì)算。同時(shí)電流單元也提供開(kāi)關(guān)量、電纜溫度和剩余電流采樣。
供電通信單元為一組功能單元提供電源輸入和通信集成，統(tǒng)一對(duì)外提供RS485/寬帶電力線載波（high speed power line communication, HPLC）/ ZigBee/遠(yuǎn)距離無(wú)線電（long range radio, LoRa）通信接口。
圖3 電氣綜合感知設(shè)備組網(wǎng)圖
一個(gè)電壓?jiǎn)卧?、多個(gè)電流單元和一個(gè)供電通信單元構(gòu)成一組“電氣綜合感知設(shè)備”，實(shí)現(xiàn)多個(gè)電氣回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)。多個(gè)電流單元共用一個(gè)電壓?jiǎn)卧獛?lái)的好處是可以節(jié)省電流單元的接線端子和減少現(xiàn)場(chǎng)施工接線工作量。
多組電氣綜合感知設(shè)備通過(guò)本地有線/無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)關(guān)，如圖3所示。
2.2 局部放電感知設(shè)備
采用第三方局部放電監(jiān)測(cè)產(chǎn)品對(duì)箱變高壓室
高壓開(kāi)關(guān)柜實(shí)現(xiàn)局部放電監(jiān)測(cè)。局放感知設(shè)備由局放傳感器和局放采集器構(gòu)成。超聲波和局部放電暫態(tài)地電壓（transient earth voltages, TEV）一體化傳感器通過(guò)LoRa無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)與局放采集器通信，局放采集器通過(guò)RS485接入網(wǎng)關(guān)。
2.3 環(huán)境感知設(shè)備
集成第三方環(huán)境傳感設(shè)備實(shí)現(xiàn)箱變環(huán)境運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。在變壓器室、高壓室、低壓室配置煙感、漏水、溫濕度和門磁傳感器。在儀表室配置接地電阻探測(cè)器、雷擊電流計(jì)數(shù)器測(cè)試箱變的接地絕緣狀況。
環(huán)境感知傳感器有兩種類型：①支持RS485通信接口，直接接入到網(wǎng)關(guān)；②提供開(kāi)關(guān)量或者模擬量信號(hào)，統(tǒng)一接入到通用狀態(tài)采集器后，再通過(guò)采集器的RS485通信接口接入網(wǎng)關(guān)。
3 邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)
3.1 硬件方案設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了應(yīng)用于箱變綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，由電源模塊、中央處理器（central processing unit, CPU）模塊、外部存儲(chǔ)模塊和多種通信接口模塊組成。
圖4 邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖
裝置南向提供4個(gè)RS485接口，用于接入串口設(shè)備，Z多支持128個(gè)電氣綜合感知測(cè)量單元。裝置也支持通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約接入第三方串口設(shè)備。網(wǎng)關(guān)預(yù)留了南向HPLC/ZigBee/LoRa擴(kuò)展接口。
裝置北向提供1個(gè)有線以太網(wǎng)通信接口，1個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信接口和1個(gè)NB-IoT通信接口，任意一個(gè)通信接口都可以用于設(shè)備維護(hù)或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。
3.2 網(wǎng)關(guān)邊緣計(jì)算能力
NB-IoT等物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性遠(yuǎn)不如光纖專線網(wǎng)絡(luò)。為滿足實(shí)時(shí)、快速、高效的用戶響應(yīng)，必須在設(shè)備和網(wǎng)關(guān)側(cè)就地完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和故障分析。
本文設(shè)計(jì)的電氣綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備和網(wǎng)關(guān)配合一起實(shí)現(xiàn)了以下邊緣計(jì)算能力。
1）故障分析：短路、過(guò)流、超溫、剩余電流越限等故障事件判斷。
2）電能質(zhì)量事件識(shí)別：包括電壓暫升、暫降識(shí)別和高分辨率特征數(shù)據(jù)曲線記錄。
3）故障錄波：短路、過(guò)流、欠壓等故障現(xiàn)象觸發(fā)的故障錄波。
4）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：所有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的按時(shí)段統(tǒng)計(jì)，包括Z大、Z小、平均、累加、計(jì)數(shù)等。
3.3 網(wǎng)關(guān)物聯(lián)網(wǎng)通信能力
網(wǎng)關(guān)南向通信接口支持Modbus、IEC60870- 5-101通信協(xié)議，北向通信接口支持消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（message queuing telemetry transport, MQTT）物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議。
網(wǎng)關(guān)通過(guò)南向接口接入現(xiàn)場(chǎng)各種電力物聯(lián)網(wǎng)終端，通過(guò)北向通信接口和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)通信。網(wǎng)關(guān)支持簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（simple network management protocol, SNMP），便于遠(yuǎn)程管理維護(hù)。
4 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)
4.1 系統(tǒng)架構(gòu)
本文采用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。圖5所示為阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供安全可靠的設(shè)備連接通信能力，支持海量設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云。
圖5 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)架構(gòu)圖
阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)支持兩種設(shè)備接入模式，設(shè)備直接接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)模式和子設(shè)備通過(guò)網(wǎng)關(guān)接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)模式。本文采用子設(shè)備/網(wǎng)關(guān)接入方案，由網(wǎng)關(guān)代理各感知設(shè)備通過(guò)MQTT協(xié)議接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。
4.2 物模型定義
物模型是物理空間中的實(shí)體對(duì)應(yīng)到云端構(gòu)建的數(shù)據(jù)模型。定義物模型即定義產(chǎn)品功能。在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中，物模型將產(chǎn)品功能類型分為屬性、服務(wù)和事件。
本文方案設(shè)計(jì)了三個(gè)產(chǎn)品：1）網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，代理子設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)；2）電氣綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，網(wǎng)關(guān)子設(shè)備，針對(duì)各高低壓電氣回路綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)；3）箱變狀態(tài)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，網(wǎng)關(guān)子設(shè)備，集成局部放電、環(huán)境、接地電阻監(jiān)測(cè)。
其中1）和2）是實(shí)體產(chǎn)品，3）是由網(wǎng)關(guān)集成現(xiàn)場(chǎng)感知設(shè)備后虛擬出來(lái)的產(chǎn)品。
常規(guī)電力數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制系統(tǒng)（supervisory control and data acquisition, SCADA）中的遙測(cè)、遙信、遙脈對(duì)應(yīng)到物模型的屬性。設(shè)備工況告警，事件順序記錄（sequence of event, SOE）等對(duì)應(yīng)到事件。一些需要交互式的數(shù)據(jù)功能通過(guò)服務(wù)實(shí)現(xiàn)，如遙控、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、故障錄波等。
4.3 設(shè)備接入
由產(chǎn)品名稱、設(shè)備名稱和設(shè)備密鑰構(gòu)成一個(gè)設(shè)備“三元組”。設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)要使用這個(gè)“三元組”實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證。
本文使用的感知設(shè)備本身不具備三元組存儲(chǔ)能力。因此采取了網(wǎng)關(guān)預(yù)燒錄方案，在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部維護(hù)一個(gè)三元組描述文件，用于標(biāo)識(shí)各子設(shè)備三元組。開(kāi)發(fā)了就地和遠(yuǎn)程維護(hù)管理工具軟件，可以和網(wǎng)關(guān)通信，讀取和下發(fā)設(shè)備三元組描述文件。
阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)定義的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式為阿里云連接（Aliyun link, Alink）協(xié)議。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供了物聯(lián)網(wǎng)軟件開(kāi)發(fā)工具包（software development kit, SDK），在MQTT協(xié)議的基礎(chǔ)上封裝了Alink協(xié)議。網(wǎng)關(guān)設(shè)備在獲取各子設(shè)備數(shù)據(jù)后，調(diào)用SDK封裝數(shù)據(jù)，和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間以發(fā)布和訂閱主題的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。
4.4 規(guī)則引擎和服務(wù)端訂閱
阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供規(guī)則引擎來(lái)打通物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與阿里云眾多云產(chǎn)品之間的數(shù)據(jù)交換鏈路。在規(guī)則引擎中，可以編寫(xiě)結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言（structured query language, SQL）腳本對(duì)發(fā)送到主題（Topic）的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并配置轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到其他設(shè)備主題或阿里云其他服務(wù)。
通過(guò)服務(wù)端訂閱可以接收產(chǎn)品下所有類型的消息，如設(shè)備上報(bào)消息、設(shè)備狀態(tài)變化通知等。本文使用規(guī)則引擎存儲(chǔ)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)數(shù)據(jù)到時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)，使用服務(wù)訂閱獲取實(shí)時(shí)事件。
5 運(yùn)行監(jiān)測(cè)和分析應(yīng)用軟件
5.1 應(yīng)用軟件系統(tǒng)架構(gòu)
在阿里云彈性計(jì)算服務(wù)器上開(kāi)發(fā)部署了箱變運(yùn)行監(jiān)測(cè)和分析應(yīng)用軟件。軟件系統(tǒng)通過(guò)規(guī)則引擎從阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)轉(zhuǎn)儲(chǔ)數(shù)據(jù)到時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)。軟件系統(tǒng)通過(guò)服務(wù)訂閱從阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)獲取設(shè)備上報(bào)的事件。
事件處理模塊對(duì)上報(bào)事件做篩選和規(guī)則匹配，把觸發(fā)告警的事件推入消息隊(duì)列。告警服務(wù)模塊根據(jù)告警發(fā)送規(guī)則調(diào)用阿里云短信和語(yǔ)音服務(wù)推送告警。
軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷等應(yīng)用服務(wù)?；诎⒗镌艻oT Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境構(gòu)建了瀏覽器和移動(dòng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)可視化運(yùn)行監(jiān)測(cè)和應(yīng)用分析人機(jī)界面。
圖6 應(yīng)用軟件平臺(tái)架構(gòu)圖
5.2 應(yīng)用軟件功能
1）運(yùn)行監(jiān)視：通過(guò)可視化圖表實(shí)現(xiàn)箱變運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
2）預(yù)警和告警：異常工況預(yù)警，故障告警推送。
3）運(yùn)行分析：歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)查詢、數(shù)據(jù)比對(duì)。
4）運(yùn)行診斷：故障事件識(shí)別，故障錄波曲線 調(diào)閱。
5）設(shè)備健康度評(píng)價(jià)：以負(fù)載率、電能質(zhì)量、三相平衡度、電氣安全、環(huán)境、局放等多個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)設(shè)備健康度。
6 工程應(yīng)用
項(xiàng)目選擇了青浦供電公司新城5號(hào)箱變作為試點(diǎn)，于2019年10月完成了設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試。設(shè)備安裝施工采用不停電作業(yè)模式，施工過(guò)程未影響箱變正常運(yùn)行。
現(xiàn)場(chǎng)安裝傳感器和網(wǎng)關(guān)安裝情況如圖7所示。
圖7 箱變狀態(tài)感知和網(wǎng)關(guān)設(shè)備
近3個(gè)月試運(yùn)行表明，箱變綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，能識(shí)別停電、跳閘、過(guò)流、超溫、剩余電流越限、局放超標(biāo)等事件并及時(shí)告警。
圖8 運(yùn)行監(jiān)測(cè)和運(yùn)行分析軟件界面
2020年2月3日平臺(tái)推送低壓出線回路3剩余電流值超限告警。通過(guò)平臺(tái)查看該回路和其他回路的剩余電流監(jiān)測(cè)記錄，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)日10:25—10:30該回路剩余電流值達(dá)到3.29A，超過(guò)設(shè)定的0.8A定值。
圖9 剩余電流超限
低壓回路由于用戶側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，系統(tǒng)可精確記錄故障動(dòng)作電流、電壓曲線，并可上送數(shù)據(jù)到監(jiān)測(cè)平臺(tái)。運(yùn)維人員可通過(guò)移動(dòng)終端遠(yuǎn)程調(diào)閱故障錄波曲線，分析故障原因，及時(shí)采取搶修措施。系統(tǒng)能對(duì)箱變電氣回路和箱變狀態(tài)進(jìn)行分類評(píng)價(jià)，為狀態(tài)檢修提供決策依據(jù)。
7 結(jié)論
本文成果為配電網(wǎng)10kV箱式變電站智能運(yùn)維和在線監(jiān)測(cè)提供了一種可行的技術(shù)方案。系統(tǒng)能夠?qū)ο渥冞\(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)和運(yùn)行評(píng)價(jià)，運(yùn)檢人員能提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的早期安全隱患并及時(shí)處理設(shè)備缺陷，以防事故擴(kuò)大引起故障停電。該成果也完全可推廣到其他類型的配電站、環(huán)網(wǎng)柜、電纜分支箱等配電設(shè)施應(yīng)用場(chǎng)景。
