物联网技术在配电网智能巡检中的应用研究
（江苏联合职业技术学院淮安生物工程分院，江苏淮安，223200）
作者简介：王大蕾，性别：男，出生年月：1984年4月，江苏淮安，民族：汉，学历：本科，职称：讲师，研究方向：物联网，计算机软件
摘要：为了改善配电网巡检故障诊断精度，优化巡检路径，打造智能化巡检模式，本文选取物联网技术作为研究工具，构建智能巡检系统。该系统以智能巡检终端为操控中心，采集现场设备作业状态信息，利用通信层设备，将信息传输至应用层管理中心，实现智能巡检操控。从测试结果来看，该系统巡检故障诊断精准率和故障定位精准度分别为92.3%、95.2%，较传统巡检模式有较大提升，并且其他巡检指标也有所改善。
关键词：智能巡检；物联网；故障诊断；巡检路径
Application of Internet of things technology in intelligent inspection of distribution network
(Huai’an bioengineering branch of Jiangsu United vocational and technical college, Huai’an, Jiangsu, 223200)
Abstract: in order to improve the fault diagnosis accuracy of distribution network inspection, optimize the inspection path and create an intelligent inspection mode, this paper selects the Internet of things technology as the research tool to build an intelligent inspection system. The system takes the intelligent patrol terminal as the control center, collects the operation status information of field equipment, and uses the communication layer equipment to transmit the information to the application layer management center to realize intelligent patrol control. From the test results, the inspection fault diagnosis accuracy and fault location accuracy of the system are 92.3% and 95.2% respectively, which is greatly improved compared with the traditional inspection mode, and other inspection indicators are also improved.
Key words: intelligent patrol inspection; Internet of things; Fault diagnosis; Patrol path
配电网作业状态在很大程度上决定了供电质量，为了尽可能提高供电质量，组织配电网巡检工作显得尤为重要[1]。传统的巡检模式利用人力资源检测配电网设备作业状态，存在工作效率低、误差大、覆盖面不足等问题，缺少统一管理。从当前配电网巡检工作效果来看，获取巡检数据信息不足，未能及时发现设备问题[2]。为了弥补传统巡检模式的不足，配电网领域研究学者提出了智能配电网巡检，该研究思路利用智能化操控技术，取代人工巡检[3]。由于配电网设备分布区较大，数量较多，加大了配电网巡检系统开发难度，当前尚未形成完善的系统设计方案。本研究尝试选取物联网技术作为研究工具，提出配电网智能巡检系统研究。
一、物联网技术及其在电网中的应用
1、物联网技术
物联网技术指的是借助传感器设备，按照设定的通信协议，建立网络与物体的通信连接，向另外一个物体发送消息或者交换消息，从而实现跟踪、识别、监管等多方面智能化功能[4]。目前，物联网技术在很多领域均有所应用。其中，物联网在电网中的应用，称作电力物联网。此项概念指的是利用信息传感设备，在人员和电力设备之间建立连接，例如红外感应器等，运用中间技术，或者网络技术，构建智能网络[5]。
2、物联网技术在电网中的应用
物联网技术在电网中的应用，在配电网作业现场各个设备处安装传感器设备，通过实时监测设备作业状态，对设备运行状态给出正确判断，从而为配电网管理工作开展提供参考依据[6]。一般情况下，此项技术应用下智能电网具备功能如下：
（1）监测电气设备作业状态，包括气压、湿度、温度等指标。
（2）根据采集到的指标数据，判断当前主设备的作业状态，是否达到“健康”标准。
（3）设置监测节点，通过监测各个节点的电气量变化情况，判断电气设备工作状态。
（4）设备检修及人员工作状况跟踪。
（5）用户与电网的网络互动[7]。
二、基于物联网技术的配电网智能巡检系统设计
1、系统架构
国家电网科技规划中，提及了配电网智能巡检系统研究，要求创新配电网巡检模式，以智能化操控代替传统人工巡检模式，实现自动化巡检并记录相关数据，通过无线模块传输现场设备作业数据[8]。另外，对于采集到的设备作业状态信息，能够自动完成故障诊断。按照这些系统开发要求，本文选择物联网技术，按照输变电设备运行周期，引入全生命周期管理方法，为设备配备传感器，监测各个阶段运行状态，并将这些信息集中到一起，采用无线通信方式，发送至配电网监控中心，自动生成设备管控命令[9]。如图1所示为系统总体架构。
图1系统总体架构
该架构按照操作内容不同，将系统分为两部分，分别是信息上传、命令传达，并且两部分层次设置不同。
（1）信息上传
智能传感器、RFID读写器等现场设备开启作业模式，自动采集设备作业状态信息，通过无线传感器网络，建立现场设备和本地服务器的通信连接。其中，使用到的无线传感技术包括CAN无线技术，配合RS485通信技术，搭建了设备数据传输通道[10]。现场设备作业状态数据发送至本地服务器后，经过数据整理，发送至输变电设备全景信息集成平台。利用周期管理系统，对设备作业状态进行诊断，并生成诊断结果。
（2）命令传达
此部分控制链路的设置，主要是为了实现配电网设备作业状态的控制、现场巡检工作的开展。由监控层的管理终端向局域网发送操控命令，此部分命令的生成来自诊断结果和巡检操控需求，通过CAN无线模块和RS485通信模块，将命令传递至监控设备，最终转入杆塔、变压器等输变电设备，或者是现场监测设备。
2、智能巡检终端设计
（1）智能巡检终端结构设计
配电网设备作业环境较为特殊，需要长期在外部环境中运行，容易受到多种因素干扰，降低设备作业性能。例如，电气、机械等。除此之外，自然环境也会对其作业状态造成一定影响。在这些因素影响下，容易出现设备外观异常，导线温度过高，甚至发生断股现象。配网系统设备同样会受到较大影响，核心设备运行当中产生的电压和电流超出正常作业范围。所以，巡检工作显得尤为重要。本文提出的智能巡检系统终端，针对巡检期间故障多样化特点，设置异构状态信息，将其作为设备故障诊断参考依据，与现场采集信息进行比对，从人机交互模块输出诊断结果。如图2所示为配电网智能巡检结构框图。
图2 配电网智能巡检结构框图
该结构框架加主要由微控制模块、检测模块、图像采集模块、人机交互模块、“GPS+北斗”双模定位模块、通信模块、电源模块、NFC身份识别模块、RFID扫描模块、巡检任务及巡检优化策略接收管理模块组成。其中，检测模块按照功能的不同，又分为5个子模块，分别是地电波局部放电检测模块、超声波局部放电检测模块、紫外局部放电检测模块、红外测温模块、专业传感器采集模块。在微控制模块作用下，对这些功能模块进行有效控制，从而完成电网设备作业状态信息采集，利用通信模块发送信息。为了实现全方位管理，本系统巡检终端增加了“GPS+北斗”双模定位模块，能够有效定位员工位置和故障设备位置，支持数据实时采集和存储，能够有效识别用户身份，从而为系统安全作业提供保障。整个终端由电源模块提供电能，该模块支持户外连续供电。另外，在RFID扫描模块作用下，实现快速读写。
（2）智能终端巡检层次化设计
本系统智能终端巡检主要分为3个层次，分别是应用层、通信层、采集层，结构框架如图3所示。
图3 配电网层次化架构
该架构中，采集层位于架构的最底端，利用智能巡检终端，控制配电设备作业状态，同时建立与配电设备的通信连接，在各个设备上安装传感器等设备，作为信息采集工具。通信层位于架构的中间，以无线网络GPRS/3G/4G/卫星作为通信工具，创建数据采集与交换系统，为数据传输提供有效渠道。目前，5G通信模式在该系统中的应用尚处于研究阶段。应用层位于架构的顶端，主要负责数据的处理和分析，利用多种功能软件，对数据进行处理，从中挖掘一些价值较高的信息，作为配电网设备作业状态判断依据，并生成巡检任务，对巡检优化路径进行优化，以此提高巡检效率和巡检质量。
（3）配电网智能巡检实现步骤
本系统设计方案提及的配电网巡检并未完全脱离人力资源，除了一些传感器监测点以外，还采用人工巡检方式，按照设定路径检查设备作业状态和传感器运行状态。将巡检人员记录的现场信息与传感器采集信息集中到一起，作为配电网设备操控命令下达参考依据，从而充分发挥智能巡检作用。以下为此项功能实现主要步骤：
第一步：巡检任务下发后，需要巡检人员利用数字秘钥，完成系统身份识别。在NFC身份识别对话框中输入正确的用户信息，身份验证通过后，该工作人员可以得到无线通信模块发送来的本次巡检工作任务内容。
第二步：按照下发的巡检任务内容，开始本次巡检工作。在此期间，系统的“GPS+北斗”双模定位功能自动开启，同时利用RFID扫描功能实现快速读写，根据系统定位，结合当前员工所处地理位置，指引员工进入巡检现场，按照指示走完巡检路线，完成一次巡检任务。
第三步：开启图像信息采集装置、专业传感器作业模式，开始采集现场作业设备数字、图像信息，利用信息存储与处理功能模块，对这些信息采取存储管理，根据操控要求，对部分信息采取预处理，使得获取的数据应用价值更高。借助无线通信模块，在应用层和网络层之间建立通信连接，将这些处理后的信息发送至应用层，等待故障诊断。
第四步：数据汇总到应用层后，调用系统数据库开始比对，观察当前信息是否符合已经发生的多种故障，生成设备状态诊断结果。另外，本系统还会生成地理信息，此部分信息将作为下一次巡检路径生成的优化依据。
3、智能巡检优化
传统的配电网线路巡检路径根据工作人员的多年工作经验设定，这种巡检路径确定方式缺少科学依据，存在较强的主观性，伴随着较大的设备运行风险。为了弥补传统巡检的不足，本文提出一种智能巡检优化策略。运用数据挖掘技术，对巡检数据进行预处理，获取研究价值更高的数据信息。根据设备作业原理，构建风险评价模型，将数据带入模型中，对设备运行期间伴随的风险大小进行评价。以风险评价作为巡检路径确定依据，以此提高巡检效率。
4、系统管控功能模块设计
为了降低配电网现场设备故障发生频率，本系统利用有限的设备运行数据，对设备当前作业状态及故障产生原因进行分析，确定故障产生具体位置，从而为设备故障维修提供可靠信息。其中，关于管控功能的设计，综合运用贝叶斯网络、信息熵理论等多种方法，建立一套支持配电设备故障检测的模型。该模型主要对设备各项指标运行风险进行评价，同时给出故障发生概率评估结果。依据这些评价和评估结果，拟定设备管控方案。
三、系统测试分析
按照系统框架结构设计方案搭建系统硬件设备，2021年4月26日至2021年4月30日组织系统功能测试，以传统巡检方案作为对照组，通过观察测试结果，判断本系统设计方案在巡检路径优化、巡检时效性、故障诊断、信息处理效率、故障定位5个方面是否有所改进。其中，传统巡检方案以多年工作经验为依据，设计巡检路径，现场记录数据，将此部分数据录入计算机后上传，由相应工作人员审核做出判断，给出故障诊断结果。本系统则是采用智能操控模式，根据当前掌握的设备作业数据，判断设备发生故障可能性，自动生成巡检路径，按照此路径开始巡检，利用信息采集终端设备获取设备作业数据。如表1所示为系统测试结果。
表1 系统测试结果
巡检方案 巡检路径 巡检时间 巡检故障诊断精准率 巡检故障发生时效 故障定位精准度 信息处理效率
传统方案 2.1km 90min 68.2% 较低 50.1% 一般
本系统 1.1km 50min 92.3% 较高 95.2% 较高
为了便于分析，表1中以平均数值作为统计分析依据。通过对比表1中数据可知，与传统方案相比，本智能巡检系统生成的巡检路径更短，大大缩短了巡检时间的同时，提高了巡检故障发生时效、巡检故障诊断精准率、故障定位精准度、信息处理效率。其中，巡检故障诊断精准率达到92.3%，故障定位精准度达到95.2%，符合配电网设备巡检及故障诊断需求。
总结
本文围绕配电网巡检问题展开探究，为了提高巡检时效性，优化巡检路径，提高故障诊断精准度，利用物联网技术，开发一套智能巡检系统。该系统利用核心控制器，对现场终端设备进行控制，实现了有效信息采集、数据实时传输，通过无线通信模块，为巡检管控中心提供相关信息，经过综合分析准确下达管控命令。测试结果表明，本系统能够有效采集配电网设备信息，在巡检路径、故障定位、信息处理等多个方面体现出较为明显的优势。
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