基于电力物联网的输变电智能监测和运维系统项目可行性研究报告.docx

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基于电力物联网的输变电智能监测和运维系统项目可行性研究报告

2020年基于电力物联网的输变电智能监测和运维系统项目可行性研究报告

2020年6月

一、项目概况3

二、项目经营前景及可行性3

1、电力物联网的建设具有明确的政策导向3

2、电网智能监测及运维具有广阔的市场空间4

3、公司具备行业、技术和客户等方面的资源以保障项目的顺利进行5

三、项目具体实施方案6

1、变电站二次设备状态监测及诊断系统8

（1）二次回路可视化在线监视9

（2）二次设备状态评估与故障诊断10

（3）站级保护动作分析11

2、变电站智能巡检系统11

（1）感知层12

（2）网络层和平台层14

（3）站端应用层14

3、输电线路故障监测及智能定位系统15

（1）输电线路分布式采集终端16

（2）故障监测及智能定位主站16

四、项目投资概算17

五、项目经济效益分析17

六、项目建设实施时间和整体进度安排17

一、项目概况

输变电智能监测和运维系统基于电力物联网，以变电站和输电线路信息采集终端为基础，将传统电力数据采集及分析技术与5G通讯、大数据分析等技术相结合，构建以多数据源融合为核心的电力智能监测和运维系统。

该系统通过状态感知、数据传输存储与分析、决策指挥的三层架构，可有效实现电力设备故障预警及故障处理，提升应急响应速度，提高输变电运维质量和效率，降低运维成本，代替或辅助运维人员开展日常巡视工作和维护工作，降低人工劳动强度和作业风险。

输变电智能监测和运维系统可广泛应用于包括特高压、超高压在内的各个等级的变电站和输电线路，对提高电力系统的数字化水平，保障电力系统安全、高效、智能运行有着重要意义，具有广阔的市场空间。

二、项目经营前景及可行性

1、电力物联网的建设具有明确的政策导向

2016年2月国家发改委、国家能源局、工业和信息化部发布了《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》，明确要以“互联网+”为手段，以智能化为基础，促进能源和信息深度融合，推动能源互联网的发展。

国家发改委、国家能源局于2016年分别发布了《能源发展“十三五”规划》和《电力发展“十三五”规划》，提出积极推动“互联网+”智能电网的发展，加快智能变电站及智能调度系统的建设，推广应用在线监测、状态诊断、智能巡检系统，构建能源互联网。

国家电网将建设能源互联网作为企业的战略目标。

国家电网于2019年进一步明确了能源互联网的建设内容，指出“坚强智能电网”和“电力物联网”是实现电力行业从传统电网升级到能源互联网的重要组成。

承载电力流的坚强智能电网与承载数据流的电力物联网，相辅相成、融合发展，共同构成能源流、业务流、数据流合一的能源互联网。

国家电网在《2020年重点工作任务》中，明确了“全力推进电力物联网高质量发展”为当年重点工作之一。

2020年3月中央政治局常务委员会会议提出，要加快包括“工业互联网、大数据中心、人工智能”在内的七大领域“新基建”的建设进度。

电力物联网广泛应用大数据、云计算、物联网、移动互联、人工智能等信息和智能技术，属于工业互联网的范畴。

综上所述，电力物联网作为推动传统电网向能源互联网升级的必要方式，是实现电网安全、高效、数字化、智能化的运行有效保障，是国家政策重点支持的方向，具有广阔的市场前景。

2、电网智能监测及运维具有广阔的市场空间

我国已建成庞大的电网体系，电网规模总体呈稳步增长的趋势。

截至2018年，国家电网和南方电网输电线路总长度达126万千米，五年间年均复合增长率为5.0%；国家电网110kV以上变压站数量达23,000座，五年间年均复合增长率为4.2%。

国家电网和南方电网近年来将提升电网智能化水平作为重点工作。

国家电网在2018年《社会责任报告》中提出：

试点建成电网运检智能分析管控系统，实现变压器状态智能化评价；输电设备10类缺陷智能识别技术成果试点应用，提升设备状态感知和主动预警能力；开展具有一键顺控、自动巡检、主动预警、智能决策等功能的智能变电站的研究。

南方电网在2018年《企业社会责任报告》中提出：

积极探索智能技术在设备运维中的应用，做好输变电设备精益化、差异化运维和规范化检修，持续提升设备健康运行水平。

在智能装备、智能作业、动态监测、态势感知及智慧运行五大领域，积极推进智能技术应用试点示范。

全网应用机器人巡检变电站达145座。

综上所述，电网智能化监测及运维水平的提升，对于提升电网运维质量及效率、保障电网的安全高效运行具有重要意义，是国家电网和南方电网近年来重点发展方向，具有广阔的市场空间。

3、公司具备行业、技术和客户等方面的资源以保障项目的顺利进行

公司自2001年设立以来一直从事电力系统智能化业务，先后开发储备了一批面向坚强智能电网建设相关重点投资方向的产品和技术，如电力故障录波产品、各类电力系统自动化产品和电力仪器仪表相关产品等，在业内形成了较高的品牌知名度。

电力故障录波装置作为公司主打产品，技术和市场占有率一直稳居细分行业前列，并在特高压工程、大型水电站和核电工程等重大工程中得到广泛应用，目前我国24条特高压线路中有17条采用了公司产品，包括三峡工程在内的前10大水电站中有9个采用了公司产品，在运行的16座核电站中13个采用了公司产品，公司产品技术、质量和服务得到用户的高度认可。

公司高度重视自主研发和科技创新，拥有以院士领衔、博士为核心的研发队伍，同时配备了一批经验丰富的中高级专业人才，目前具有电力行业相关的40多项发明专利、120余项软件著作权，参与起草并发布的国家、行业及企业标准20余项。

公司通过现有业务已与本项目的目标客户国家电网和南方电网建立了长期稳定的合作关系。

由于电力行业准入门槛较高，上述公司在采购新型设备时，供应商在电力行业的历史运行业绩是重要参考指标。

因此，基于多年来通过产品技术、质量和服务而建立起来的良好合作关系，公司在本项目的客户认可和市场资源上具备较强的竞争优势。

综上所述，公司在电力智能化领域具有近20年的经验，具备较强的产品研发能力和客户合作基础，项目相关产品已与国家电网、南方电网部分下属公司签订了意向性合作协议，可以保障本项目的顺利开展和实施。

三、项目具体实施方案

本项目通过状态感知、数据传输存储与分析、智能决策三层架构，涵盖了变电站一次设备、二次设备以及输电线路等各个环节，实现输变电的智能监测和运维，在实施中分为“变电站二次设备状态监测及诊断系统”、“变电站智能巡检系统”、“输电线路故障监测及智能定位系统”三个子系统。

状态感知模块负责采集电网一次设备和二次设备的电气信息、音视频信息、通信信息等。

电网状态感知所采集的信息包括：

变电站过程层信息、站控层信息、电气量信号、设备外观图像视频信息、设备温度信息、声纹信息、环境气象信息等以及输电线路行波分量、工频分量等信息。

海量的电网状态感知数据是整个系统的基础支撑，让电力设备可视、可管、可控成为可能。

数据传输、存储与分析模块是通过5G、电力物联网等多种形式将采集到的数据上传至站内设备或主站进行安全存储，利用当前数据及历史数据，采用“趋势性评估”、“损失性评估”、“动作性评估”等评估方法，利用大数据挖掘、云计算等技术进行趋势性预测、损失性评分以及动作性的判断，完成对电力系统一次设备及二次设备的健康状态的评估与分析。

智能决策模块作为整个系统的智慧大脑，具有设备故障预警以及故障处理双重功能。

设备故障预警是指基于历史数据的分析，运维人员可以有效获取电力系统设备的健康状态及故障预警信息，并对设备有针对性的展开预防性检修，从而降低电网故障风险，提高电网运行的安全可靠性。

设备故障处理是指电网由于各种因素发生故障后，通过数据的实时采集和分析，及时准确的确定故障类型及原因，定位故障地点，辅助运维人员安全快速地修复故障并恢复送电。

同时可以实现设备实时状态的可视化展示，便于进行数据流向分析和异常信息溯源，从而大大提高变电站的运维质量和运维效率。

1、变电站二次设备状态监测及诊断系统

本系统以变电站二次设备的可视化在线监视为基础，打通目前二次设备的信息孤岛，建立统一的管理平台，并且利用大数据分析，识别故障的早期征兆和发展趋势，在设备故障发生前预先安排检修，提高变电站二次设备的监测效率，加强电网的运行稳定性。

二次设备状态监测及诊断系统一般由管理单元和多台采集单元组成。

采集元负责采集过程层网络数据和模拟量、开关量信号。

采集单元的数量应按照变电站的电压等级、规模和过程层的网络架构等合理配置。

管理单元接入站控层网络，与全站的所有保护装置进行通信，同时监视并分析站控层网络的通信状态，并综合分析由采集单元收集的全站过程层监视数据。

系统整体架构图如下：

本系统自动监测二次设备的自检信息、对时状态、通信报文等信息，同时辅助二次设备运行的历史数据，实现二次回路可视化在线监视、二次设备状态评估与故障诊断、站级保护动作分析等功能，全面实现变电站二次设备的状态感知、事故预警和故障处理，各功能具体如下：

（1）二次回路可视化在线监视

在智能变电站二次设备监测中，采用光纤的网络通信大量应用。

在通信网络中，有不同来源、不同目标、不同功能和用途多种信息在同一根光纤中传输，而传输信息的具体数据（比如电压、电流的大小等）及是否准确无遗漏等都是不可见的。

因此，将光纤中传输信号变成可见的动态图形和数据，以可视化的形式展示上述信息以及整个通信网络的健康状态尤其重要，特别是当光纤网络存在异常时，可以可视化的进行数据流向分析和异常信息溯源，从而大大提高变电站的运维质量和运维效率。

二次回路可视化展示功能包括一次主接线图、网络拓扑图、间隔实接线监视、间隔虚回路监视、间隔链路状态监视、站控层网络监视、保护状态监视、保护告警监视、保护动作监视等，可以实时监测包括交流回路、跳闸回路、合闸回路、失灵启动回路、联闭锁回路等二次回路，同时也为故障诊断、智能辅助安措等高级功能提供了可视化的展示平台。

（2）二次设备状态评估与故障诊断

随着电力系统状态监测和故障诊断技术的发展，人们对设备故障模式有了更为深入的认识和理解，依据设备当前的运行状态，通过对设备运行检测信息的分析和诊断，评判设备当前状态下是否存在故障风险，并根据评判结果有针对性的展开预防性检修。

采用这种状态检修的方式，可以在设备故障发生前预先安排检修，提高了电网运行的稳定性，是今后电力设备检修技术的发展趋势。

该系统采用“趋势性评估”、“损失性评估”、“动作性评估”等评估方法，利用智能变电站二次系统的历史数据，对状态评价因素进行数据预处理和分值及权重设置，利用TOPSIS模型的评估方法进行趋势性预测、损失性评分以及动作性的判断，完成装置健康状态展示。

（3）站级保护动作分析

在高压电网中，对同一条输电线或变压器等设备，通常采用2-3套主保护装置以及多级后备装置进行保护。

当有任意1套主保护正确动作，电网故障就能被隔离在最小范围，以保证电网的安全可靠。

传统的保护动作分析是单装置、单间隔的，不能展示故障时站内所有保护装置动作行为。

站级保护动作分析是针对电网故障的站内所有保护动作情况的总体分析，能以图形化的方式展示不同保护的动作行为。

通过站级保护动作分析，可以直观的看到整个变电站在故障时的全景信息，并可对比分析未正确动作的保护装置的运行状态，为消除设备隐患提供有力的帮助。

站级保护动作分析功能包括保护动作简报、录波文件分析和中间节点信息图形化展示，以可视化方式向专业人员清晰地描绘多个保护的动作行为、时序及逻辑展示，以及故障推演和再现。

2、变电站智能巡检系统

本系统以多维度变电站智能巡检终端为基础，构建以多源数据融合为核心的变电站智能巡检系统，从多源数据采集、自主识别、智能告警和大数据分析等方面解决无人化巡检的关键问题，实现提升巡检准确度和可信度、保证变电站内电力一次设备的正常运作、替代人工巡检、提高巡检的安全性和降低巡检成本。

系统由巡维中心站（主站）和站内巡检系统组成。

巡维中心站（主站）可根据需求接入辖属多个变电站的巡检系统，具备站端后台系统的所有功能，同时能对多个变电站/机器人信息数据进行集中管理。

站内巡检系统采用分层、分布式结构设计，可分为感知层、网络层、平台层和站端应用层。

系统整体架构图如下：

（1）感知层

感知层设备即为多源巡检系统各类终端，主要包括多种形态的户内户外移动式巡检机器人及各类非侵入式数据采集终端，感知设备可采集变电站前端的各类设备状态数据，监测变电站各类设备健康状态，为变电站电力物联网综合应用提供基础数据来源。

智能巡检机器人作为变电站智能巡检系统中的主要感知设备，是实现变电站主设备健康状态全面感知、设备状态自动巡检的重要手段，可以有效替代日常人工巡检工作。

智能巡检机器人根据需求可搭载可见光摄像机、红外测温仪、声纹采集器等非侵入式数据采集设备，对变电站各类表计、刀闸位置、状态指示、液位、呼吸器、压板、指示灯、外观、声音视频、红外温度全面巡视。

应用于不同场景的变电站巡检机器人外观图如下：

同时，各类固定安装的非侵入式数据采集终端作为机器人巡检的良好补充，可以实现变电站各类信号的采集工作，具体情况如下：

（2）网络层和平台层

网络层是利用WIFI无线专网、LoRa无线网、5G专网等方案解决系统各层级设备间的通信问题，实现感知层设备与系统平台的无缝对接。

5G技术拥有低延时性和高容量性，可以有效满足电力巡检机器人实时传输高清图像视频的需求，使得各种移动终端由现在的控制信号逐渐转变为多元的信息交互，满足有效智能巡检业务的需求。

系统平台层主要由主服务器和智能算法服务器构成，综合了电力物联网设备管理、数据应用分析和系统业务处理等功能，可实现对各类物联网传感器及节点设备的管理、协调与监控。

（3）站端应用层

系统应用层以运维作业实际需求为导向，具备变电站内常规巡检、应急指挥辅助决策、变电站远程一键顺控、输变电设备状态诊断、输变电作业远程安全管控等功能，具体介绍如下：

3、输电线路故障监测及智能定位系统

高电压等级输电线作为电力输送的纽带，容易因雷击、污闪、搭接、山火、结冰等原因引起故障，影响电网运行的安全性和社会经济的正常运转。

由于高压输电线分布广泛，穿越地区地形复杂、人烟稀少、气候多变，为准确、快速定位故障发生位置，便于检修人员快速到达故障点进行维修，缩短故障时间，就需要在输电线路上安装故障监测及智能定位系统。

目前，高电压等级的输电线路铁搭间距约300~500米，本系统可实时监测输电线路的运行情况，当输电线发生故障或异常事件时，实现快速准确地定位故障位置，并精确到具体杆塔。

检修人员可根据本系统的定位结果，合理规划路线，及时赶到故障现场进行维修处理，避免了盲目巡线、大范围巡线需耗费大量人力物力和时间的缺点，提高了检修效率和电网安全性。

本系统由分布式采集终端、故障监测及智能定位主站构成。

其中，分布式采集终端按照输电线配置，每条线路间隔一小段距离作为监测点，安装数据采集终端。

采集终端检测到行波时，将测量数据通过无线通信网络上传至主站。

主站根据各采集终端上传的数据进行分析计算，最终识别故障类型、故障原因，并给出故障位置。

系统整体架构图如下：

（1）输电线路分布式采集终端

采集终端主要由供电电源、信号采集与数据存储、计算核心、同步时钟、无线通信等几部分组成。

在监测点输电线路上每一相安装一个检测装置，每三相中需有一相配备有一个无线通信终端，其余两相需通过近距离无线通信技术将数据发送给通信终端，通信终端将三相数据汇总后统一发送至智能定位主站。

（2）故障监测及智能定位主站

主站由通信模块、数据库模块、人工智能算法模块、图形展示模块、手机APP等模块组成。

主站根据各采集终端实时上传的行波数据，采用小波分析等算法对数据进行处理，结合深度学习等人工智能技术提取故障特征，判定起火、雷击、搭接等线路故障原因。

然后根据行波序列的特征，通过故障区间判定及故障测距等算法，准确定位出故障位置，精确到杆塔级。

同时，主站还能接收和存储各采集终端周期性上送的电网监测数据，可用于分析电网潮流和监视整条输电线的运行状态，并为智能电网的高级应用提供数据支撑。

四、项目投资概算

本项目投资总额为42,720万元，具体情况如下：

五、项目经济效益分析

项目投资内部收益率为17.90%（税后），投资回收期6.5年（税后）。

六、项目建设实施时间和整体进度安排

目前，公司已建立项目筹建组，完成市场调研和可行性研究分析，并开展初步规划设计工作。

本项目实施周期为2年。

其中实施规划及前期准备阶段为3个月，厂房建设及装修阶段为9个月，设备订货采购周期为15个月，人员招聘及培训周期为15个月，具体情况如下表所示：