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摘要：科技在不断的发展，社会在不断的进步，泛在电力物联网(UPIoT)建设是电网企业转型升级的重要内容和关键环节。为此，论文首先介绍了输配电设备物联网建设的总体架构，概述了应用层、平台层、网络层和感知层4个层级的构成和基本功能；然后从设备的角度分析了输电、变电和配电设备的运行特点和监测需求，提出了其对应的物联网建设方案和应用场景；最后根据泛在物联网的发展情况，分别从管理、应用模式和技术3个层面对其发展趋势进行了分析，指出泛在电力物联网将取代传统的设备巡视和运维手段，围绕数据将衍生出多种应用模式，电力物联网的建设将带动取能、传感、通信、数据应用等多方面的进步。研究结果可为后续泛在电力物联网的研究和实践提供参考。
关键词：输配电设备；泛在电力物联网；建设思路；发展趋势
引言
作为先进的信息获取和处理技术，无线传感器网络已经在医疗、工业、农业、商业、公共管理、国防等领域得到了广泛的应用，是促进未来经济发展、构建和谐社会的重要手段。无线传感器网络的技术发展至今，已经取得了丰硕的理论研究和技术验证成果。但同时，我国传感器网络缺少面向行业应用的整体解决方案与集成创新，缺少在任一行业和生产领域大规模的推广应用，以致不能形成从技术研发、器件研制、系统应用到网络服务的完整全产业链。电力系统由于工作环境恶劣导致通信受阻，例如，存在障碍物遮挡、与地表没有可视路径的地下环境、电磁屏蔽的封闭空间等，在上述工作环境中，电磁波传播受到极大的抑制，传输距离受限，衰落深度大，如采取传统的单一无线通信技术，远远无法满足通信可靠性要求。目前，在电力行业中进行了一些无线传感器网络应用探索，但存在面向业务应用单一、对电力无线传感器网络的统一应用缺乏顶层规划与设计的问题。并且，电力无线传感器网络应用环境复杂，应用所涉及的通信技术多样、协议复杂、数据协同处理困难。
1泛在电力物联网的定义及特点
泛在网及物联网的概念均来源于美国，分别由美国加州施乐公司及美国麻省理工学院（MIT）于1999年提出，从概念上来说，二者的边界范围是不一样的。泛在网强调的是个人和（或）设备无论何时、何地、何种方式都能以最少的技术限制接入到服务和通信的能力。人与物、物与物之间的通信是泛在网络的突出特点。而物联网从狭义上理解，强调的则是一种整合网络资源的能力，通过物品和物品的联系实现设备的智能化管理和运行维护，其本质是一种信息空间和物理空间的融合技术。如果将传统传感器网络考虑进来，则传感器网（SN）、物联网（IoT）、泛在网（UN）三者间可以表示为图1的形式。根据2019年3月8日国网公司提出的《泛在电力物联网建设大纲》对国网公司泛在物联的定义是：泛在物联网是指任何时间、任何地点、任何人，任何物之间的信息连接和交互。从上述定义来看，国网公司所提出的概念和泛在网、物联网的发展历史是一致的，强调了任何时间、任何地点、任何人、任何物的泛在属性，而信息连接和交互则强调了物联网信息通讯整合的能力。结合电力系统的特点，国网公司给泛在电力物联网定义如下：“泛在电力物联网将电力用户及设备、电网企业及设备、发电企业及设备、供应商及其设备、以及人和物连接起来，产生共享数据，为用户、电网、发展、供应商和政府社会服务，以电网为枢纽，发展平台和共享作用，为全行业和更多市场主题发展创造更大机遇，提供价值服务”。从概念上来看，该理念的提出是泛在物联网在电力行业的具体表现和应用落地。
2输配电设备物联网差异化建设方案
2.1输电线路物联网建设方案
输电线路短则几十km，长则数百km，跨越不同的气候区域，运行环境极其恶劣，监测对象之间物理空间跨度大，供电和通信问题突出。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆从监测参量来看，除了通道监测、故障定位和飞机巡检对通信数据量有较大的需求外，其余的如导线温度、微气象监测等都属于海量小数据特征，主要表现为单次上传数据量小、实时性要求低；而雷击闪络、避雷器动作监测属于事件型，实时性要求更低。因此可根据输电线路广域、海量监测小数据、长时间间隔的特点构建输电线路泛在物联网。输电线路物联网架构采用天地协同的方式实现，架构图如图2所示。空中采用合成孔径雷达(SAR)遥感卫星实现对输电线路山火、通道异物、杆塔倾斜等较大缺陷的广域高效监测；地面以输电线路导线上监测装置(如导线温度监测装置、分布式故障定位装置等)作为边缘计算设备，附近杆塔上的倾斜、微气象、雷击闪络等装置通过LoRa等微功率无线通信方式将数据汇集到边缘计算设备，边缘计算设备再通过北斗三代短消息通信网络实现海量小数据的回传，以解决山区输电线路信号盲区的问题。对于通道监测、飞机巡检数据，近期依然可以通过4G公共无线网络回传数据，远期实现图像就地处理后可通过宽带卫星通信方式回传数据，从而实现所有线路全部工况全覆盖。杆塔上监测装置优先采用“电池+自取能”方式实现，对于间隔性采样，功耗相对较大的功能如微气象、通道监测等可采用“太阳能+蓄电池”方式实现，对于采样间隔长、功耗低的功能，如杆塔倾斜等可采用振动取能、泄露电流取能、辅以超级电容/后备电池的方式以保证系统供电的稳定性。高压侧导线上的监测装置可优先采用感应取电辅以超级电容/后备电池的方式供电，以确保本体通信网络的稳定性。
2.2变电站电气设备综合评估技术
变压器等大型设备的安全性评价和故障预测被广泛接受。本文研究了变电站电气设备的综合评价，研究了变电站早期和突发性故障的发生、发展过程和规律。介绍了变压器设备故障的新特征提取方法和故障评价理论和方法，内部绝缘早期和突然失效的多因素预测和评价模型，以及变压器剩余寿命综合评价系统的原理和关键技术。
2.3无线接入侧
传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，经过多跳路由到汇聚节点，最后到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量管理模块这4个部分组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量管理模块对传感器节点运行所需的能量进行管理。
结语
1）通过泛在电力物联网的建设实现万物互联，降低数据获取的边际成本，进一步开发数据的价值形成完整的能源生态体系，是新形势下电网企业转型为优秀能源企业的有效手段。2）泛在电力物联网的建设可分为基础建设和数据应用2步：第一步实现“万物互联、数据可用”；第二步，随着应用场景的不断开发和实践，形成相对固定的应用模式，最终固化成业内的应用标准。3）数据应用必将是不断更新的过程，在深入理解电力行业数据特征的基础上，挖掘电力数据的价值将会是万物互联时代科技、产业创新的主战场。
参考文献:
[1]贺杨烊，郑晓冬，邰能灵，等.交直流混联电网LCC-HVDC换流器建模方法综述[J/OL].中国电机工程学报:1-11[2019-05-07].
[2]中国气象局国家气候中心气候.系统监测•诊断•预测•评估网站[EB/OL].[2019-05-01].
论文作者:陈东亮
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/18
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