10kV箱式變電站是配電系統中的重要設備，承擔用戶側降壓和電力分配工作。箱式變電站的運行可靠性直接關系到終端用戶的用電是否能得到安全保障。長久以來，電網公司配電自動化建設側重于配網主網架的安全運行和故障處理，用戶側箱式變電站安全運行管控缺乏足夠的技術手段。由于箱變設備數量多，部署地理位置分散，傳統的光纖通信網絡覆蓋困難，導致難以大范圍實現箱變自動化監測。

箱變運行狀態包括以下內容：1）高低壓進出線回路基本電氣參數，如電流、電壓、功率、電量等；2）電能質量參數，如諧波、三相平衡度、電壓暫升、電壓暫降、異常波動等；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；7）箱變環境參數，如開關門狀態、環境溫濕度、煙感、滲水狀況等。

實際運行中，運檢部門迫切需要實時監測箱式變電站運行工況，及時發現設備異常狀態，快速搶修，消除安全缺陷，防患于未然。

國內學者提出多種箱變智能監測裝置設計方案，基本技術路線是采用集中式數據采集設計方案，不便于功能擴展和信息集成。在設備狀態診斷方面，以分類和預測為主的機器學習技術成為主要研究方向。隨著物聯網技術的飛速發展，支持物聯網通信和邊緣計算能力的數據采集系統逐步得到推廣應用。2019年國家電網公司提出電力物聯網概念，大力發展物聯技術應用于生產實踐。

1 系統整體結構

如圖1所示，系統由感知層、網絡層、平臺層和應用層組成，具備典型的物聯網架構特征。其中，感知層包括箱變綜合狀態感知設備和邊緣計算網關設備；通信網絡支持窄帶物聯網（narrow band internet of things, NB-IoT）；平臺層實現物聯網數據采集；應用層實現運行監測和分析應用功能。

在箱變內安裝綜合狀態感知設備。綜合狀態感知設備由傳感器和采集器構成，各采集器通過就地物聯網通信網絡與邊緣計算網關通信。

圖1 系統整體結構

網關匯總各狀態采集器數據后，完成就地存儲、統計分析計算功能，并將實時運行數據和計算結果通過NB-IoT網絡和物聯網數據采集平臺實現數據通信。

物聯網數據采集基于阿里云物聯網平臺實現。在阿里云物聯網平臺上開發了運行監測和數據分析應用軟件。運檢人員基于桌面電腦和移動終端通過互聯網訪問平臺信息。平臺告警和異常信息也會及時通過短信或移動應用（mobile application, APP）方式推送給用戶。

感知設備和網關設備工作電源來自箱變交流220V檢修電源。配置一臺300W、續航能力20min的不間斷電源作為后備，當箱變電源失電時裝置可上報全站停電信號。

2 箱變綜合狀態感知設備

2.1 電氣綜合狀態感知設備

1）設計需求

對箱式變電站的高低壓進出線回路實現綜合狀態監測，主要考慮以下設計需求：（1）功能高度集成。除了常規電氣量采集外，需要集成電能質量、故障監測、電氣火災和用電安全等；（2）配置可靈活擴展。不同箱變具有不同規格的進出線回路數，要求設備測量規模靈活可擴展；（3）帶電安裝。為保障用電連續性，要求設備可帶電安裝。

2）結構設計

針對上述功能需求，設計開發了共電壓可組合式電氣綜合狀態感知設備。如圖2所示，電氣綜合狀態感知設備由多個分散的功能單元模塊構成。針對一個獨立的監測子系統，如箱變的低壓開關室，由一個供電通信單元、一個電壓單元和多個電流單元組成。

圖2 共電壓可組合結構設計

每個單元模塊都同時具有一個插接端子和插接槽。一個單元模塊通過插接端子插入另外一個單元模塊的插接槽構成插接式總線。插接式總線為單元模塊提供電源和通信連接。

電壓單元輸入母線三相電壓采樣信號，實現交流電壓采樣和計算；并通過插接總線向其他電流單元同步數字化電壓信號。

電流單元輸入三相電流采樣信號，并根據插接式總線輸入的數字化電壓輸入信號完成全電量計算。同時電流單元也提供開關量、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，統一對外提供RS485/寬帶電力線載波（high speed power line communication, HPLC）/ ZigBee/遠距離無線電（long range radio, LoRa）通信接口。

圖3 電氣綜合感知設備組網圖

一個電壓單元、多個電流單元和一個供電通信單元構成一組“電氣綜合感知設備”，實現多個電氣回路狀態監測。多個電流單元共用一個電壓單元帶來的好處是可以節省電流單元的接線端子和減少現場施工接線工作量。

多組電氣綜合感知設備通過本地有線/無線物聯網通信網絡接入網關，如圖3所示。

2.2 局部放電感知設備

采用第三方局部放電監測產品對箱變高壓室高壓開關柜實現局部放電監測。局放感知設備由局放傳感器和局放采集器構成。超聲波和局部放電暫態地電壓（transient earth voltages, TEV）一體化傳感器通過LoRa無線通信網絡與局放采集器通信，局放采集器通過RS485接入網關。

2.3 環境感知設備

集成第三方環境傳感設備實現箱變環境運行狀態監測。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器、雷擊電流計數器測試箱變的接地絕緣狀況。

環境感知傳感器有兩種類型：①支持RS485通信接口，直接接入到網關；②提供開關量或者模擬量信號，統一接入到通用狀態采集器后，再通過采集器的RS485通信接口接入網關。

3 邊緣計算網關

3.1 硬件方案設計

設計開發了應用于箱變綜合狀態監測的邊緣計算網關，網關裝置硬件結構如圖4所示，由電源模塊、中央處理器（central processing unit, CPU）模塊、外部存儲模塊和多種通信接口模塊組成。

圖4 邊緣計算網關硬件結構圖

裝置南向提供4個RS485接口，用于接入串口設備，最多支持128個電氣綜合感知測量單元。裝置也支持通過標準規約接入第三方串口設備。網關預留了南向HPLC/ZigBee/LoRa擴展接口。

裝置北向提供1個有線以太網通信接口，1個無線網絡通信接口和1個NB-IoT通信接口，任意一個通信接口都可以用于設備維護或遠程數據傳輸。

3.2 網關邊緣計算能力

NB-IoT等物聯網通信系統的實時響應性遠不如光纖專線網絡。為滿足實時、快速、高效的用戶響應，必須在設備和網關側就地完成數據采集、數據處理和故障分析。

本文設計的電氣綜合狀態監測設備和網關配合一起實現了以下邊緣計算能力。

1）故障分析：短路、過流、超溫、剩余電流越限等故障事件判斷。

2）電能質量事件識別：包括電壓暫升、暫降識別和高分辨率特征數據曲線記錄。

3）故障錄波：短路、過流、欠壓等故障現象觸發的故障錄波。

4）數據統計：所有實測數據的按時段統計，包括最大、最小、平均、累加、計數等。

3.3 網關物聯網通信能力

網關南向通信接口支持Modbus、IEC60870- 5-101通信協議，北向通信接口支持消息隊列遙測傳輸（message queuing telemetry transport, MQTT）物聯網通信協議。

網關通過南向接口接入現場各種電力物聯網終端，通過北向通信接口和物聯網數據采集平臺通信。網關支持簡單網絡管理協議（simple network management protocol, SNMP），便于遠程管理維護。

4 物聯網數據采集平臺

4.1 系統架構

本文采用阿里云物聯網平臺實現數據采集。圖5所示為阿里云物聯網平臺系統架構。阿里云物聯網平臺提供安全可靠的設備連接通信能力，支持海量設備數據采集上云。

圖5 物聯網數據采集平臺架構圖

阿里云物聯網平臺支持兩種設備接入模式，設備直接接入物聯網平臺模式和子設備通過網關接入物聯網平臺模式。本文采用子設備/網關接入方案，由網關代理各感知設備通過MQTT協議接入物聯網平臺。

4.2 物模型定義

物模型是物理空間中的實體對應到云端構建的數據模型。定義物模型即定義產品功能。在物聯網平臺中，物模型將產品功能類型分為屬性、服務和事件。

本文方案設計了三個產品：1）網關產品，代理子設備接入物聯網平臺；2）電氣綜合狀態監測產品，網關子設備，針對各高低壓電氣回路綜合狀態監測；3）箱變狀態監測產品，網關子設備，集成局部放電、環境、接地電阻監測。

其中1）和2）是實體產品，3）是由網關集成現場感知設備后虛擬出來的產品。

常規電力數據采集和監視控制系統（supervisory control and data acquisition, SCADA）中的遙測、遙信、遙脈對應到物模型的屬性。設備工況告警，事件順序記錄（sequence of event, SOE）等對應到事件。一些需要交互式的數據功能通過服務實現，如遙控、統計報表、故障錄波等。

4.3 設備接入

由產品名稱、設備名稱和設備密鑰構成一個設備“三元組”。設備接入物聯網平臺要使用這個“三元組”實現身份認證。

本文使用的感知設備本身不具備三元組存儲能力。因此采取了網關預燒錄方案，在網關內部維護一個三元組描述文件，用于標識各子設備三元組。開發了就地和遠程維護管理工具軟件，可以和網關通信，讀取和下發設備三元組描述文件。

阿里云物聯網平臺定義的標準數據格式為阿里云連接（Aliyun link, Alink）協議。阿里云物聯網平臺提供了物聯網軟件開發工具包（software development kit, SDK），在MQTT協議的基礎上封裝了Alink協議。網關設備在獲取各子設備數據后，調用SDK封裝數據，和物聯網平臺之間以發布和訂閱主題的方式實現數據交互。

4.4 規則引擎和服務端訂閱

阿里云物聯網平臺提供規則引擎來打通物聯網平臺與阿里云眾多云產品之間的數據交換鏈路。在規則引擎中，可以編寫結構化查詢語言（structured query language, SQL）腳本對發送到主題（Topic）的數據進行處理，并配置轉發規則將處理后的數據轉發到其他設備主題或阿里云其他服務。

通過服務端訂閱可以接收產品下所有類型的消息，如設備上報消息、設備狀態變化通知等。本文使用規則引擎存儲物聯網平臺數據到時序數據庫，使用服務訂閱獲取實時事件。

5 運行監測和分析應用軟件

5.1 應用軟件系統架構

在阿里云彈性計算服務器上開發部署了箱變運行監測和分析應用軟件。軟件系統通過規則引擎從阿里云物聯網平臺轉儲數據到時序數據庫。軟件系統通過服務訂閱從阿里云物聯網平臺獲取設備上報的事件。

事件處理模塊對上報事件做篩選和規則匹配，把觸發告警的事件推入消息隊列。告警服務模塊根據告警發送規則調用阿里云短信和語音服務推送告警。

軟件系統實現了設備狀態監測診斷等應用服務。基于阿里云IoT Studio開發環境構建了瀏覽器和移動應用，實現可視化運行監測和應用分析人機界面。

圖6 應用軟件平臺架構圖

5.2 應用軟件功能

1）運行監視：通過可視化圖表實現箱變運行狀態實時監測。

2）預警和告警：異常工況預警，故障告警推送。

3）運行分析：歷史數據統計查詢、數據比對。

4）運行診斷：故障事件識別，故障錄波曲線 調閱。

5）設備健康度評價：以負載率、電能質量、三相平衡度、電氣安全、環境、局放等多個指標評價設備健康度。

6 工程應用

項目選擇了青浦供電公司新城5號箱變作為試點，于2019年10月完成了設備現場安裝調試。設備安裝施工采用不停電作業模式，施工過程未影響箱變正常運行。

現場安裝傳感器和網關安裝情況如圖7所示。

圖7 箱變狀態感知和網關設備

近3個月試運行表明，箱變綜合狀態監測系統測量數據準確可靠，能識別停電、跳閘、過流、超溫、剩余電流越限、局放超標等事件并及時告警。

圖8 運行監測和運行分析軟件界面

2020年2月3日平臺推送低壓出線回路3剩余電流值超限告警。通過平臺查看該回路和其他回路的剩余電流監測記錄，發現在當日10:25—10:30該回路剩余電流值達到3.29A，超過設定的0.8A定值。

圖9 剩余電流超限

低壓回路由于用戶側發生短路故障時，系統可精確記錄故障動作電流、電壓曲線，并可上送數據到監測平臺。運維人員可通過移動終端遠程調閱故障錄波曲線，分析故障原因，及時采取搶修措施。

系統能對箱變電氣回路和箱變狀態進行分類評價，為狀態檢修提供決策依據。

7 結論

本文成果為配電網10kV箱式變電站智能運維和在線監測提供了一種可行的技術方案。系統能夠對箱變運行狀態進行全方位監測和運行評價，運檢人員能提前發現設備存在的早期安全隱患并及時處理設備缺陷，以防事故擴大引起故障停電。該成果也完全可推廣到其他類型的配電站、環網柜、電纜分支箱等配電設施應用場景。

本文編自2020年第9期《電氣技術》，標題為“基于物聯網架構的箱式變電站智能監測系統”，作者為沈曉峰、徐愛蓉、曹基南、張衛紅、胡大良。