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摘要：变电站作为电力系统中电能传输的重要环节，肩负着电能转换和电能重新分配的重要任务，其运行状态直接关系到电网的安全可靠运行。新时代背景下变电站的运营目标是提升设备可靠运行水平，节约设备运行维护成本，加强电网稳定运行，提升用户用电用能质量。本文对泛在电力物联网背景下变电站整体架构设计进行探讨。
关键词：泛在电力物联网；变电站；整体架构；智能电网
1 泛在电力物联网背景下变电站的整体架构设计
国家电网公司发布的《泛在电力物联网建设大纲》将泛在电力物联网的整体架构分为4层，分别是感知层、网络层、平台层和应用层。感知层在用户终端利用硬件感知用户行为，进而实现采集用电数据等信息的功能；网络层基于泛在电力网的概念进行数据传输；平台层主要用于对电力云平台进行支撑并对电力信息数据进行存储备份；应用层，即业务层，主要用于开展各类电力业务。参考国家电网公司提出的泛在电力物联网的整体构架，将应用层和平台层进行整合，进一步将泛在电力物联网变电站的整体架构划分为感知设备层、网络传输层和平台应用层。感知设备层是泛在电力物联网背景下变电站架构的基础，由状态感知和执行控制主体的终端构成，主要包括变电站的视频监控机、变压器振动监测装置、智能巡检机器人、无线温湿度传感器、烟雾探测器和变压器油色谱监测装置等常规的多种状态感知设备。变电站主设备健康状态通过先进感知技术、智能芯片技术来实现，对变电站的主要前端设备的状态信息等进行实时监测、感知和采集，进行分析计算后可作为智能物联网综合应用系统的数据来源。感知设备层除了向平台应用层上传信息以外，还可以作为对变电站设备的末端执行单元接收调控指令，接收上级智能网关的控制信息，根据指令实现终端设备的自动响应。网络传输层是感知设备层与平台应用层之间的数据传输通道，与泛在电力物联网架构中的网络层相对应，可以实现感知信息的无阻碍、高可靠的传输，进而实现广泛互联。
按照安全等级与数据类型可将网络传输层划分为内部和外部2个通信网。内部通信网基于电力线载波、230MHz无线通信、有线专网、1.8GHz电力无线专网等局域短距离通信传输技术，实现数据感知节点间的就地通信。外部通信网以5G通信、LTE无线专网、移动网络、卫星通信等为基础，通过边缘计算节点和泛在电力物联网变电站分析计算模块间的高可靠性、低延时性的多元化通信，实现感知设备层与平台应用层的实时无缝连接。平台应用层以运维作业实际需求为导向，整合泛在电力物联网架构中的平台层和应用层，具备一、二次设备智能巡检、设备状态实时感知、设备操作智能联动等功能。泛在电力物联网背景下，平台应用层主要用于变电站的数据融合及应用开发，基于大数据、云计算和人工智能等先进的计算机技术对海量数据进行分析处理，根据所需业务搭建相关应用。此外，平台应用层还可以应用大数据分析技术，对发电企业供能数据、变电站系统设备运行数据及用户用能数据开展数据分析，对电网运行薄弱环节开展负荷诊断和预测，为电网电源规划提供参考。
2 面向变电站的泛在电力物联网关键技术
2.1感知设备层关键技术
感知设备层的状态感知终端由边缘计算单元、集成感知序列、设备级感知网络和传感器组成。边缘计算单元负责对变电站周围环境、实时状态、行为动作和电气参量的全面融合，实现对变电站内各设备本体及运行环境的深度感知，进一步对风险预警、多参量主动触发及多设备联合分析信息进行推送。集成感知序列中各基本单元可通过Ethernet网络或GPS实现分布式同步采样，将红外探测、视频监控、局放监测、声音气味检测等传感功能融合起来，实现对变电站内现场设备的非接触式感知测量，进而对变电站内异常设备所在区域进行定位。集成感知序列单元还可以作为设备级的边缘计算单元，通过蓝牙、ZigBee等设备级感知网络与变压器油色谱、声音振动、变电站GIS超声、容性设备介损等变电站设备级传感器进行数据交互。当感知到设备出现过热、水浸、着火等异常工况时，系统可根据预设阈值自动启动空调、风机、水泵等辅控设备。
2.2网络传输层关键技术
（1）身份认证访问技术。
通过核对接入用户的身份信息及权限等级信息，进而实现对接入用户的身份确认并对已认证的接入用户系统资源访问资格进行限制。
（2）信息加密技术。通信双方对传输信息按照既定规则进行加密，在接收方设置解密算法，保证信息在传输过程中不被监听及篡改。加密方法可分为单密钥算法（专用密钥、对称密钥）、多密钥算法（非对称密钥）和混合加密算法。
（3）路由安全技术。通过设计网络路由协议，保证传输信息从信源到信宿的传输路径能够被合法且正确地发现，保证合法的接收方能够通过既定设置验证所接受到信息的完整性以及信息发送方身份的真实可信性。
2.3平台应用层关键技术
2.3.1一次设备智能巡检
变电站内变压器、电容电抗器、开关断路器、隔离开关等一次设备的常规巡视工作可以由平台应用层通过感知设备层的视频监控机、智能巡检机器人等终端设备实现常规的自动外表检查、油位监测和开关位置识别等巡视工作，并可以实现记录结果的处理分析归类和智能告警。平台应用层可根据不同的专业要求，生成巡视报告，供变电站运维人员远程浏览和分析判断。同时，为确保作业人员的安全管控，通过集成感知序列与变电站数据结合来实现对作业人员作业区域的提前安全布防，同时通过视频摄像机对作业人员的行为、活动范围进行实时监控监测，对作业人员的危险行为进行及时告警，确保运检人员的人身安全。
2.3.2设备状态实时感知
对变电站设备状态的全方位实时感知可以由平台应用层通过主变在线监测传感器、温湿度传感器等终端感知设备来实现，并且平台应用层可以根据所设置的阈值等数据进行设备状态的初步判断。当采集到的设备数据与阈值相差非常大时，可自动反映异常，并通过感知设备层实时获取所需要的异常设备信息。此外，变电站设备的实时状态感知和风险告警可根据数据库的历史信息进行纵向时间分析及横向设备比较。对状态异常的设备，可以及时通告状态告警信息，推送状态监控策略，并上传至应用平台层进行进一步诊断分析。
2.3.3设备操作联动
泛在电力物联网背景下的变电站系统与站控层SCADA系统的通信通过正向隔离装置来实现，SCADA系统利用用户数据报协议（UDP）将变电站一次设备的“4遥”（遥测、遥信、遥控和遥调）操作信息、状态告警信息等上传到平台应用层。当在SCA⁃DA系统中对一次设备进行操作时，可以用平台应用层中的服务器在查阅视频监控机中的相应画面。当变电站一次设备的SF6气体异常告警信号、保护跳闸信号等在SCADA系统中出现时，平台应用层可根据设定自动生成巡检任务，同时按照运维人员要求提供巡检结果。
2.3.4设备故障智能诊断
变电站内设备运行工况复杂，会因力、热、电等多种因素导致设备异常，故障机理复杂，需要明确给出故障判据。在变电站设备故障智能诊断方面，通过将大量不同场景的故障案例上传至平台应用层，利用人工智能手段分析变压器、GIS等不同设备的故障/异常诊断判据并建立相应的判断规则。通过泛在电力物联网将判断算法发送至变电站感知设备层计算单元模块；计算单元模块分别与变压器、GIS设备上的传感器进行数据交互，及时感知设备数据信息，排查疑似异常情况，并通过集成感知序列单元和变压器、GIS设备本体监测时间、空间的变化，对故障设备进行协同分析诊断并准确定位。
结束语
综上所述，构建泛在电力物联网对于保障电网安全可靠运行、促进多元综合能源友好互动及提升用户服务质量有重要意义。
参考文献：
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