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摘要：针对输变电设备远程集中监控存在的问题，本文研发了基于物联网信息集成的输变电设备多类型运行参数在线综合监测系统，提高了输变电设备运行可靠性。建立了输变电设备多类型参数综合监测系统总体架构，系统包括：感知层、网络层、平台层和应用层。在感知层，通过多类型传感技术获得输变电设备运行的电气参数和非电气参数，重点研发了微型在线式红外面扫描测温模块。在网络层，通过485总线、无线设备和4G网络，实现分布式的数据采集。在平台层采用云服务器，建立多类型参数数据模型对监测数据进行分类存储。在应用层，设计数据挖掘、应用边缘计算和模式识别方法，进行输变电设备运行状态评判方法。该系统能够实现输变电设备多类型参数分布式实时在线监控，设备运行状态实时感知、信息互联。现场应用结果表明，该系统在输变电设备监测方面实时性强，有效提高输变电设备运行维护水平，提高了设备运行的可靠性。
关键词：物联网技术；输变电设备；状态监测
0引言
输变电设备是电力系统的基础设备，其安全可靠运行对电力系统供电可靠性具有重要作用。对输变电设备的巡检与维护是电力系统运行的重要工作。由于输变电设备数量多且位置分散，导致对其巡检的工作量大；另外，高压开关带电部位安置用于金属柜体内，导致巡检困难。高压开关运行中需要关注其承受的电参数、热参数和机械参数，如何对输变电设备的运行状态进行有效监测一直是现场运行的重点和难点所在。国内外研究机构和现场人员在高压开关运行监测方面开展了大量的研究工作。在国内，采取的监测方式主要包括：以轮式、轨道式、履带式机器人巡检为主巡检及运行数据抄录，用于站内环境监测以及故障初步诊断。定期的人工巡检，通过对外观、声音，以及采用红外进行温度监测等方面进行检测，这种方式工作量大，判断不及时，难以满足智能电网发展要求。目前的输变电设备监测主要针对某项参量进行监测。本文基于物联网信息集成设计了输变电设备运行状态在线综合监测系统。首先设计了系统的总体架构，系统包括感知层、网络层、平台层和应用层。在感知层，通过多类型的电、磁、热参数采集模块获取运行参数；在网络层，综合应用不同方式通信技术，构建分布式的通信网架。在平台层和应用层，对监测的数据进行管理和智能分析，从而实现对输变电设备运行状态的实时感知、智能判断和综合管理，提高输变电设备运维水平和可靠性。
1系统整体设计方案
基于物联网信息集成的输变电设备运行状态在线综合监测系统整体设计方案如图1所示。系统包括感知层、网络层、平台层和应用层。
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图1系统总体结构框图
感知层以开闭所为结构单元，一个开闭所内每台输变电设备包含一套信息采集装置，每套信息采集装置由多种传感器组成。通过传感器可采集母线室、电缆室、继电器室环境温湿度、三相电流、电压信息、SF6压力、臭氧浓度、重点部位温度和故障指示信息等。网络层连接平台层和感知层。针对多类型的参数采集传感器，信息采集装置采用RS485、无线射频通信技术获得传感器采集的数据。并通过4G无线通信技术将每个开闭所采集的信息传送到平台层。平台层提供云服务。服务器集群将区域内所有输变电设备信息整合，通过数据库管理技术解决数据存储、检索、使用、挖掘和安全隐私保护等问题。通过平台层构建横向集成、纵向贯通的数据库体系结构，实现数据一次采集、多次使用，最大化数据价值。作为物联网信息集成的顶层，应用层为输变电设备在线监测提供人机交互接口。应用层与平台层交互，通过各类信息进行决策，可控制感知层的设备终端。文中在应用层基于手持终端设计了输变电设备运行状态在线综合监测系统，软件部分可根据设备历史运行数据以及当前运行数据可进行故障报警以及运行状态预警等功能。可通过移动终端扫描设备二维码激活设备巡检任务界面，与安装在电力设备上的采集终端通信，获取采集终端的运行参数。该系统软件具体可实现设备定位识别、运行数据采集、巡检数据录入、巡检记录上传、巡检记录查询、设备管理、数据查询、数据分析等功能。
2感知层的设计与实现
2.1感知层硬件结构
感知层数据采集硬件总体结构如图2所示，湿度传感器、气体传感器、电压电流互感器采集的模拟信号，经过信号调理后通过A/D转换，数据采集器的微处理单元对各种数据进行采集和管理。
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图2数据采集硬件结构图
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图3红外测温模块
其中，为了全面监测输变电设备带电部位全局的问题，研发了一种针对输变电设备温度场的微型在线式红外面扫描测温采集模块。提高温度监测的有效性，减少监测仪器在输变电设备内所占空间，避免温度场监测不全导致的输变电设备安全隐患。为提高输变电设备测温的精度，扩大输变电设备温度监测的区域，文中研发了微型在线式红外面扫描测温模块，结构框图如图3所示。选用STM32F103RCT6作为红外温度传感器和激光电路核心处理单元，STM32核心为Cortex-M3，系统时钟晶振频率为8MHz。采用MLX90640红外传感器对区域进行红外温度采集，测温范围为-70~380℃，工作温度范围为-40~125℃，测温精度为0.1℃。采集区域大小划分为以激光定位模块所确定点为中心的115°×75°/55°×35°范围内768（32×24）个区域点，激光电路用于指定测温区域的范围。采集到的温度信息经微控制器处理后以图像形式送入平台层服务器。红外温度传感器模块具有非接触测量、测量范围广、测温速度快、准确度高、灵敏度高、稳定性好、工作具有独立性和可以执行等特点。
红外测温传感器输出的每帧数据包含1544个以16进制表示的字节，其中字节4-1539表示目标物体768个点的温度，给定一帧数据<5A5A-0206-6E0E-690E-5A0E-XXXX-050E-8D0E-D540>，字节4表示温度数据的低8位，字节5表示温度数据的高8位，以一行一列点域的温度数据说明实际温度换算过程如式（1）：
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2.2边缘计算
边缘计算是一种新的计算模式，其核心在于强调计算应该更靠近数据的源头，边缘计算技术在电网信息系统中应用广泛。通过引入边缘计算，可缓解网络带宽和数据中心服务器的计算压力，提升服务的响应能力。在电网基础设施中，输变电设备数量众多，传感器短时间内可产生大量原始数据，但数据总体质量低下。为缓解大量数据对平台层服务器的计算压力，文中设计的输变电设备在线综合监测系统通过应用边缘计算引入传感器异常感知算法，采用相关分析确定异常数据，并对异常数据进行标注，为平台层提供优质数据来源。将多个同类型传感器采集的时序信号表达如式（2）：
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其中m代表同类传感器的数据。将单一传感器采集的时序信号表示为Si，如式（3）：
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其中n表示时序信号的长度，i≠j。
计算两个时间序列Si，Sj的协方差矩阵如式（4）：
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时间序列之间的相关系数计算如式（5）所示：
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其中Std（）表示样本时序信号的标准差。根据相关系数R设定的阈值决定数据是否被标记。
3平台层数据库结构设计
3.1数据库管理体系
输变电设备综合监测系统数据量大，如不能设计合理的数据管理模式将导致系统硬件性能不足从而引起系统故障。数据库的设计开发应当满足输变电设备横向综合信息采集以及纵向数据贯通的要求，应具备实时性、大容量、高效率等特点。文中设计的数据库管理体系如图4所示，包含应用层、接口层、管理层和基础层4部分。基础层为硬件和操作系统，为数据库的运行提供支持。基础层之上为数据库的管理层，包括存储的数据信息、实时库、历史库、数据搜索算法以及故障建模技术等。
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图4数据库层级结构
采用面向服务架构实现数据集成和对外共享，在面向服务架构基础上实现管理层的封装。数据库提供3类访问接口，分别是数据库本地访问接口、数据库网络访问接口、数据库远程访问接口。在数据库管理技术中，包含数据远程访问技术、数据安全访问技术、实时数据库的定位技术、历史数据管理技术以及快速访问技术等。
数据库模型主要包含5个实体，分别是“用户”、“开闭所”、“输变电设备”、“输变电设备参数监测模块”和“输变电设备故障报警模块”。系统可对用户信息进行设置包括，名称、密码和权限信息，同时用户能够查看其他4个实体的信息包括开闭所编号、名称和位置信息；输变电设备编号、名称报警值和历史信息；输变电设备实时温湿度、电流、电压、臭氧和重点部位温度信息；报警时间、报警类型信息，输变电设备故障报警模块通过与“开闭所”、“输变电设备”、“输变电设备参数监测模块”中的状态信息进行比对，实现设备巡检的报警。
3.2故障诊断建模
故障诊断建模的目的主要是对输变电设备母线室、电缆室和断路器的状态量进行监测，主要对输变电设备的设备电弧故障、机械故障和绝缘损坏3种故障进行判别。传统的输变电设备故障诊断多采用时域信号处理方法，如小波变换、经验模态分解、信息熵等。因各项监测参数众多，并且参数之间相互影响，紧密关联，导致获取的大数据维度很高，而且数据之间呈现非线性关系，传统算法就很难对运行参数的大数据库进行充分挖掘，为了解决该问题，就需要在面对如此庞大的数据库时进行特征提取，将原本的高维度空间的大数据库按照某种变换规则，变化到维数较低的空间中，从而降低监测数据的维数。故可将输变电设备高维特征矩阵映射至黎曼空间中，并在黎曼空间中使用黎曼距离判定故障类别。
4应用层
输变电设备在线综合监测系统以手持式终端为主要载体，分为系统设置、实时监测、历史数据和报警数据4部分。系统设置包含登陆服务、用户增删、密码修改、服务器选择、数据库选择、参数报警阈值设定功能。实时监测部分展示输变电设备电气参数、电能参数、温湿度曲线和气体压力。历史数据提供数据存储、下载、查询服务。报警数据来源于阈值报警和故障诊断报警两部分，报警信息包含时间、级别、类型和确认与4部分。数据分析部分将统计分析方法、故障诊断方法引入边缘计算、大数据分析中，加快数据处理流程，提升系统响应速度。该系统报警阈值设定界面可对基本参数、电气参数、环境参数、有害气体参数和红外成像参数进行报警阈值设定。在输变电设备中的超高预警和超低预警多达12项，详细地监测了UA超高报警、UB超高报警、UC超高报警、IA超低报警、IB超低报警、IC超低报警等数值。数据报警查询界面可以对不同的监测变电站中不同的输变电设备进行监测和预警，并在界面上详细设置了报警测点站名称、报警测点柜名称报警测点、报警时间、报警值和报警类型等内容，同时还显示了报警发生的时间，这样就可以在事故发生时对整个系统的运行情况有整体的把握，在开闭所内部出现故障时进行实时的预警和报警历史查询，使应对故障事故和维修过程更加迅速。
5结论
1）构建基于泛在电力物联网的输变电设备运行状态在线综合监测系统，能够通过各种感知元件获得输变电设备运行参数信息，实现对分布式的输变电设备实时在线监测。
2）采用多种传感器监测输变电设备内参数信息，数据采集模式多样化。
3）红外监测模块可对设备大全局的温度信息进行采集，提高了输变电设备温度监测与故障预警性能。
4）数据分析系统可充分可利用数据信息对电力设备故障进行识别和预警，具有较高的实用价值。
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