1、收稿日期:2022 09 27基金项目:国网陕西省电力有限公司科技项目(5226SX21N031)第一作者:刘伯强(1977)，男，硕士，工程师，主要从事直流输电、换流站运行管理等技术。基于换流站监测信息采集与展示的便携式智能终端设计刘伯强，任凯，杨帆，田锐(国网陕西省电力有限公司超高压公司，陕西 西安 710075)摘要:针对我国换流站监测信息采集量大，传统人工巡视效率低，不能及时分析评估设备运行状态的现状，分析了换流站主要监测设备的特点和移动边缘计算的优点;提出了一种基于换流站监测信息采集与展示的便携式智能终端，设计了该智能终端的功能、整体架构和通信方案;基于该设计方案进行了示例展示，与传
2、统巡视方案做了对比。结果表明，该便携式智能终端能够提高换流站被巡视设备和环境监测信息的采集效率，有助于现场巡视人员及时掌握设备运行状态，对保障换流站可靠运行具有一定的工程应用价值。关键词:换流站;移动边缘计算;便携式智能终端;Loa 通信中图分类号:TM727文章编号:1000 0682(2023)02 0084 06文献标识码:ADOI:10 19950/j cnki cn61 1121/th 2023 02 017Design of portable intelligent terminal based on monitoring information collectionand dis
3、play of converter stationLIU Boqiang，EN Kai，YANG Fan，TIAN ui(Ultra High Voltage Company of State Grid Shaanxi Electric Power Co，Ltd，Shaanxi Xi an 710075，China)Abstract:In view of large amount of monitoring information collection，low efficiency of traditionalmanual inspection and inability to timely
4、analyze and evaluate operation status of equipment for converterstation of our country，characteristics of main monitoring equipment in converter stations and advantages ofmobile edge computing are analyzed A portable intelligent terminal is proposed based on monitoring infor-mation collection and di
5、splay of converter station and function，overall architecture and communicationscheme of the intelligent terminal are designed An example is presented and compared with the traditionalinspection scheme based on the design scheme that is given in this paper The results show that the porta-ble intellig
6、ent terminal can improve collection efficiency of inspected equipments and environmental monito-ring information in converter station，help on site inspectors to grasp operation status of equipment intime，and have certain engineering application value to ensure reliable operation of converter station
7、Keywords:converter station;mobile edge computing;portable intelligent terminal;Loa communication0引言随着我国负荷与能源分布不均衡矛盾日益凸显，具有输送容量大、距离远、损耗低等优点的特高压输电得到了快速发展1，与此对应的是换流站数量不断增多。目前换流站的日常巡视是由人工记录并分析设备状态监测数据，效率低，工作强度大，不能及时评估设备运行状态，难以深度发掘数据价值，因此亟需一种智能化手段实现巡视现场多设备监测信息的高效采集、评估和展示。近年来，针对电力设备运行状态的监测已有一些方面的研究。文献 2 探
8、讨和总结了大数据技术在电力设备状态评价典型场景中的应用;文献 3探讨了电力设备状态监测数据的大数据特征，给出48工业仪表与自动化装置2023 年第 2 期了通用的设备状态监测大数据平台架构;文献 4论述了基于数据分析技术的电力设备状态评估存在的问题;文献 5探讨了新一代人工智能技术在电力设备状态分析中面临的共性问题;文献 6设计了一种全新思路的电力设备状态监测大数据分析平台。由于换流站建设在我国起步较晚，又具有设备多、数据多及技术密集等特点，有关其设备状态监测数据采集和展示的便携式终端的研究还比较匮乏。该文通过分析换流站主要监测设备的特点和移动边缘计算的优点，提出了一种基于换流站监测信息采集与
9、展示的便携式智能终端，设计了其功能、整体架构以及通信方案，进行了示例展示并与传统信息采集方案进行了对比，目的是提高换流站多设备巡视效率，及时掌握设备运行状态，保障整个系统可靠运行。1换流站监测设备分析换流站作为直流输电的一个重要组成部分，站内设备众多，运行可靠性要求苛刻，因此存在大量对主要设备运行状态和环境进行监测的辅助设备，如各类表计、传感器、专用监测终端等，其特点如表 1所示。表 1换流站主要监测设备特点分析名称分类功能信息主要采集方式应用场景表计六氟化硫气体压力表、管道压力表、温湿度表计等监测气体、水流压力以及环境温湿度有 线、无 线、人 工读取GIS 设 备、水 冷 系 统、阀厅等传感
10、器局放、测温、液位等监测设备放电、温度、站内水位有线、无线换流变压器、GIS 断路器、站内水箱等监测终端一次设备、二次设备监测一二次设备运行状态信息有线换流变压器、GIS 断路器、保护装置等为了保障信息可靠传输，满足运行规定，避免对其他主要设备造成干扰，目前换流站监测设备主要以有线通信或人工读取的方式获取监测信息，使得巡视人员工作强度大，效率低，对人员技术素质要求高。2移动边缘计算伴随着电网设备数量的快速增长，产生了巨大的信息流量，电力系统传统的集中式信息处理模式已不适用，为此边缘计算(Edge Computing，EC)应运而生。EC 是在网络前端接近被采集设备处所进行的一种计算方式，“边缘
11、”的含义是指从信息采集源头到云计算中心之间的网络资源，在此网络中对来自云服务和物联网服务的数据进行各种计算7。EC 是相对于集中式计算的一种新模式，通过将计算分析功能扩展到网络边缘，就地对所采集的信息进行计算处理，能够更好地实时分析和智能化处理前端本地业务，降低网络通信压力，效率高，延时低，通信更安全8 9。2014 年，欧洲电信标准化协会(European Tele-communications Standards Institute，ETSI)将 EC 植入移动网络架构，提出了移动边缘计算(Mobile EdgeComputing，MEC)。MEC 是指将云服务器的部分云计算能力下沉到用户
12、侧，在移动网络边缘部署分析处理和存储设备，为移动网络提供 IT 服务环境和云计算能力，能够在网络边缘为用户提供计算、存储和传输等资源服务，实现在线实时采集、计算、诊断、响应和准确控制10。EC 移植到移动设备，能够解决其主要针对静态资源配置和处理的缺陷，形成面向巡视终端的 MEC，能够大大提高 EC 在智能巡视中的应用价值。3便携式智能终端功能与整体架构设计3 1功能设计目前，换流站大量监测设备如传感器和各类表计等数据的获得主要依赖人为或专用工具读取并用人工记录的模式，效率低下。针对换流站设备高低空布局特点，该文设计了一种具有物联感知、图像扫描识别及 MEC 等特征的便携式智能终端，用于获取换
13、流站多个监测数据的信息。便携式智能终端主要功能如下:(1)采用图像识别技术，直接扫描获取表计示数，对具有无线通信功能的监测设备如传感器，则以无线方式获取监测数据;(2)内置信息采集、人工智能分析、可充电锂电池、APP 软件和 MEC 等模块，对巡检现场多个设备状态信息就地完成边缘计算，对设备运行状态进行评估和展示;(3)通过液晶显示屏与巡视人员进行人机交互，查询历史数据和设备异常原因，指导巡视人员及582023 年第 2 期工业仪表与自动化装置时对异常设备做出处理;(4)通过无线网络将设备数据和分析结果等上传其他终端或后端系统，实现信息交互。3 2整体架构设计为了更高效的发挥终端功能，减少内部
14、各部分之间相互影响，快速处理异常问题，该便携式智能终端设计采用功能独立及模块化的设计理念，主要由人机交互模块、通信模块、边缘计算模块、信息分析处理模块和专家知识库模块等构成，整体架构如图1 所示。图 1便携式智能终端整体构成示意图巡视人员手持该智能终端采集到换流站监测数据信息后，经过分析处理和边缘计算，对多个设备的运行状态进行分析和结果展示，对于异常设备则利用专家知识库模块进行分析和推理，给出相应的处理方案。换流站监测信息展示流程如图 2 所示。图 2换流站监测信息展示流程4便携式智能终端通信方案设计4 1Loa 通信技术分析随着电力系统设备种类和数量不断增多，传统的通过布线采集及传输信息的方
15、式已日益显现局限性，而无线通信技术的快速发展为这一问题的解决提供了新的契机。为满足远距离、偏远地区电气设备入网需求，低功耗、可靠性高、广覆盖的物联网技术近年来得到快速发展，其中 Loa 无线通信已成为该技术典型代表。Loa 是 Semtech 公司于 2013 年 8 月发布的专门用于无线电调制解调的一种新型、基于 1 GHz 以下的超长距低功耗数据传输技术，具有网络频段全免费、组网灵活、接收灵敏度高、抗干扰能力强以及网关支持多信道、多数据并行处理等优点11，非常适合功耗低、距离远、大量连接和定位跟踪等物联网应用场景，已成为电力物联网局域范围内推广应用的一种理想技术。Loa 与其他常用无线通信
16、对比如表 2 所示12 14。表 2常用无线通信方式对比通信方式组网方式复杂度 抗干扰能力传输距离传输速率响应时延功耗网络节点/个使用成本4G现有网络中等强不限100 Mbps20 80 ms高1000高5G现有网络高差不限20 Gbps1 ms低100 104/km2较高LoaLoa 网关低强10 km300 kbps1 s低300低WiFi无线路由高强几十米11 Mbps1 s高50中等ZigBeeZigBee 网关低强10 100 m100 kbps15 30 ms低255低由于 Loa 技术免费频段的自组网优势，可以将其部署到环境恶劣、偏远等信号盲区，实现无线专网覆盖，因此基于 Loa 技术既可搭建覆盖范围较广的广域网，也可通过简单 Loa 网关搭建局域网。目前 Loa 常用的组网模式主要有星型和 mesh 模式，星型模式支持轮询和并发 2 种模式与大量终端68工业仪表与自动化装置2023 年第 2 期直接通信，mesh 模式通过网络中的中继节点以多跳的方式完成数据传输。2 种组网模式如图 3 所示，2种组网模式特点对比如表 3 所示。由表 3 可知，星型组网模式结构简单，实时
