0 引言

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。近年来，“坚强智能电网”和“能源互联网”等战略稳步推进，泛在电力物联网在电力系统得到广泛应用，移动互联和人工智能（AI）等先进技术不断引入电力系统的各个环节，实现了多环节互联互动和多方位人机交互。国家电网公司于2019年3月提出泛在电力物联网建设计划，并做出全面部署安排。同时，为加快推进“三型两网”战略目标，国家电网公司为泛在电力物联网建设规划分了2021年和2024年2个时间节点，分别对应泛在电力物联网的初步建成和全面建成。文献[1-4]讨论了泛在电力物联网的基本概念和应用中涉及的关键技术，基于电力物联网的基本特点设计了相关典型应用，针对泛在电力物联网建设面临的主要挑战提出建议。文献[5]构建了泛在电力物联网体系的4层架构，分别为感知层、边缘层、网络层及平台层，并对坚强智能电网与泛在电力物联网之间的协同发展进行深入剖析。文献[6]构建了基于边缘计算的泛在电力物联网数据处理架构，提出了1种新的感知自适应数据处理方法。文献[7]利用配电网中已有可采集的信息量，搭建数据采集转发平台和数据开发共享技术，设计了1种状态监测与故障处理平台，有效提高配电网抢修效率与电网的智能化管理水平。泛在电力物联网的建成可以使变电站设备从投运到退出运行整个过程的状态信息都能够得到全面感知，极大地改进传统的设备巡视和运维方式，实现设备运维的少人化管理或无人化管理。

本文基于泛在电力物联网的基本概念，设计泛在电力物联网变电站的基本架构，结合变电站常规业务及发电企业、电网公司等单位的实际发展需求，阐述泛在电力物联网引入变电站所涉及的关键技术。在此基础上，从一次设备智能巡检、设备状态实时感知、设备操作联动和设备故障智能诊断4个方面，针对平台应用层进行技术分析，适应多元业务需求，以最终实现泛在电力物联网背景下变电站的“能源流、业务流与数据流”的“三流合一”。

1 泛在电力物联网的概念

物联网（Internet of things，IoT）是通过传感系统将目标物体接入网络，实现从原有的人与人间的随时随地连接，扩展到多元目标物体间针对性的按需信息获取、传输、存储、决策等定制化服务^[8]。“IoT 2020”指出，在物联网快速发展和5G商业应用的即将普及背景下，未来5~10 a，全球物联网将呈现爆发式增长^[9]。

电力行业中的物联网是1种实现周围环境、电网人员和设备设施的感知识别与互联控制的网络系统^[10]。其本质是实现各类感知设备与通信资源的融合，形成具有自我标识、感知和智能处理的物理实体。通过互动协作，可实现各物理实体之间的感知交互和反馈控制，进一步构建高度智能的电力生产服务体系^[11]。

泛在电力物联网的核心理念是应用移动互联、人工智能等先进信息、通信技术，实现发电企业、电网企业、电力用户；供应商与其各个环节所涉及的设备、人员之间的互联与交互^[12-14]。其以电网为枢纽，发挥平台与共享作用，通过泛在感知、可靠通信及高性能信息处理与高级电力应用，实现电网各环节“能源流、业务流、数据流”的一体化融合，帮助电力系统提升运行稳定性，提高运行效率。泛在电力物联网的概念结构^[15]如图 1所示。

2 泛在电力物联网的特点 2.1 感知终端广泛接入

在泛在电力物联网中，电力系统中的各个环节都会布置充分兼容的感知设备^[16-17]。电力的生产环节、传输环节及最终利用的各类信息数据可通过感知装置实现灵活的实时接入。同时，为了支撑多元网络资源的交互需求，实现最终泛在化连接，地面、无线、卫星等多层次电力泛在通信网被广泛应用。

2.2 网络计算协同共享

泛在电力物联网通过智能网关及云端数据处理平台实现数据处理，主要通过边缘智能和中枢智能实现数据的边缘计算和海量处理，并将云端数据处理平台的运算处理、网络传输和后台存储功能延伸扩展至边缘，进而实现实时处理感知信息和深化提取关键信息，可以减少信息的传输处理时间、减轻上一级计算中心数据处理的压力，同时大幅提高设备终端的响应能力和速度，有助于电力系统区域自治能力及广域协作运行能力的大幅提升^[18-19]。泛在电力物联网业务和技术的高度开放性和数据模型的标准化可以消除各类业务壁垒，促进多元业务数据的交互融合。同时，接入端口的标准化有助于分布式电源和储能电源等各类终端的即插即用。

2.3 应用业务随需定制

泛在电力物联网的实现为业务模型和模式的创新提供了机会^[20-22]。通过广泛收集和精准匹配电力系统各环节数据，可以实现产业范围拓展，电动汽车（EV）和综合能源服务等业务的市场化模式创新。除此之外，应用大数据分析等先进数据处理技术，通过泛在电力物联网可以实现用户侧资源数据流中有效价值信息的提取，进一步拓宽数据服务等业务。对电力系统而言，泛在电力物联网可以实现电力能源的运行情况、使用信息、控制参量等海量数据的汇聚，并通过对信息的实时动态处理，按照用户的特点和实际需求，实现多元业务应用的灵活定制。

3 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^[23]。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。本文所提出的泛在电力物联网背景下变电站整体架构如图 2所示。

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^[24]。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，其通信方式如图 3所示。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、230 MHz无线通信、有线专网、1.8 GHz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^[25-26]。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。

4 面向变电站的泛在电力物联网关键技术 4.1 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，如图 4所示^[27]。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。

4.2 网络传输层关键技术

在变电站系统中引入电力物联网技术，全面提升了变电站信息感知的深度和广度；同时，终端的开放性接入以及数据交互也给变电站带来安全可靠性方面的全方位挑战^[28-29]。因此，网络传输层对感知设备终端身份的合法性认证、数据的可信度辨别以及信息流的可靠传输十分关键。为确保避免引入泛在电力物联网给变电站带来信息安全风险，其采用的信息安全技术主要有以下3类。

（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。

4.3 平台应用层关键技术 4.3.1 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。

4.3.2 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。

4.3.3 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。

4.3.4 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。

5 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。将泛在电力物联网技术引入变电站，可大幅提升电网对可再生能源的消纳能力，提高能源系统的整体利用效率；提升电网的安全稳定水平，使各变电站设备具备快速响应能力，遇突发事故时可迅速提供有功、无功支撑；改进能源互联网业务模式，有助于变电站与能源供应商、设备供应商及用户之间的友好协作和互利共赢等优势。泛在电力物联网在变电站的建设可实现多元设备互联，降低信息获取成本，可为进一步开发设备数据的价值形成完整的巡检控制体系，是新形势下变电站智慧化的必要手段。