基于物联网的电气工程及其自动化设备远程监控技术研究

引言

随着智能电网建设进入加速期，我国电力系统装机容量于 2022 年突破 24 亿千瓦 [1]，设备规模的爆发式增长对传统运维模式形成严峻挑战。人工巡检模式因响应滞后、成本高企等固有缺陷，难以满足现代电网可靠性需求——某 220kV 变电站统计显示， 32.7% 的设备故障因预警不及时导致 [2]。本文着重研究物联网技术通过构建感知、传输、决策的闭环体系，旨在建立高效可靠的远程监控体系。

一、系统架构设计

远程监控系统采用分层模块化架构，通过感知层、传输层、平台层的协同运作，实现设备状态的全生命周期管理。感知层作为物理世界与数字系统的接口，由智能传感器与嵌入式控制器构成终端网络，针对电气设备多维监测需求，需要部署多类型传感器，如振动监测可采用基于MEMS 技术的高精度传感器，可检测 0.01mm 级位移变化 [3]，适用于变压器、电动机等旋转设备的故障预判；温度监测可采用PT100 铂电阻温度模块实现 ±0.5^cC 测量精度，结合分布式光纤测温技术，可对输电线路进行长距离实时热成像；通过高精度电能质量监测装置，实时获取电压、电流、谐波等 20 余项电气指标，满足 IEC 61850 标准的数据建模要求等等。在工业协议适配方面可开发多协议转换引擎，支持 Modbus/TCP、OPC UA、MQTT 等多种协议解析以实现不同厂商设备的即插即用。

传输层可根据应用场景动态选择通信协议，构建短距、广域、实时的分级网络，短距离通信可采用 ZigBee 协议适用于变电站内设备间的低速数据交互，如开关柜状态监测，通过优化协议栈 MAC 层退避算法，数据丢包率从 2.1% 降至 0.7%^[4] ；广域覆盖可利用 NB-IoT 技术实现基站 35km半径覆盖，上行速率62.5kbps，满足偏远地区杆塔监测需求；5G 专网方案采用独立组网（SA）模式，端到端时延 <10ms ，支持远程控制指令的毫秒级响应。

平台层采用微服务架构降低数据存储、分析、可视化等的耦合度支持动态扩展与弹性计算，核心算法体系包括：基于 LSTM 神经网络构建预测模型的负荷预测即输入历史负荷、数据等特征平均绝对百分比误差（MAPE） <4.3% ；改进 SVM 算法引入核函数优化的故障诊断，结合小波包特征提取使故障分类准确率提升至 92.7% ；动态阈值算法根据设备运行历史数据自适应调整预警边界让误报率大幅度降低。

二、关键技术突破

在变电站部署边缘计算网关，集成数据过滤、协议转换、实时分析功能。华为技术白皮书显示，某试点项目通过边缘计算实现 63% 的数据本地处理，仅保留关键特征数据上传云端，使云端数据吞吐量从500Mbps 降至185Mbps，同时控制指令在边缘节点直接响应，关键指令（如故障跳闸）响应时间缩短至 150ms ，较传统云中心架构提升 300%^[5] 。

采用“国密 _SM4+ECDH+ 区块链”的三层防护体系：实时数据加密即用 SM4 对称加密算法实现 3Gbps 加解密速度，满足海量实时数据的安全传输需求；密钥管理即采用ECDH 非对称算法实现密钥的安全协商，密钥更新周期可配置至分钟级，抵御中间人攻击；操作审计即使用区块链技术对设备控制、参数调整等操作进行链式存证，确保操作可追溯，该方案通过中国电科院安全认证能成功抵御DDOS、SQL 注入等11 类攻击测试。

基于 GE Digital 提出的建模方法论，构建设备三维虚拟模型，通过OPC UA 协议实时同步温度、振动等 128 项物理参数，实验数据表明数字孪生体对设备剩余寿命（RUL）的预测精度比传统模型提升 19% ，维修决策效率提高 40% ，在某换流站阀厅设备应用中，通过数字孪生提前 72 小时预警冷却系统故障避免了一次全站停电事故。

三、工程应用验证

在某南方电网智能变电站开展为期 1 年的部署验证，核心指标提升显著。运维效率方面让人工巡检频次从每日 2 次降至每周 1 次，实现无人机自动巡检覆盖 90% 设备、整体效率提升了 75% ；故障处理方面将故障平均修复时间（MTTR）从 8 小时缩短至 2-3 小时，其中 56% 的故障通过系统预警在萌芽阶段解决；成本效益方面把年度运维成本降低 280 万元，其中人工成本减少 45% ，备件库存周转率提升了 32% ；应急响应方面在台风期间系统通过倾角传感器与气象数据融合分析，提前 48 小时预测出了 3处杆塔倾斜风险，通过远程加固避免直接经济损失超500 万元。

四、现存挑战与对策

可通过开发跨平台协议转换中间件，支持 Modbus、DNP3 等 12 种工业协议的双向转换来解决可能存在的设备异构性问题，在某国电设备群验证中，该中间件实现不同厂商继电保护装置、测控单元的无缝接入，兼容性测试通过率达 98.6% 。未来计划引入语义解析技术，进一步提升多源数据的互操作性。

面对标准体系缺失问题可参照 IEEE 1888 标准，制定涵盖设备标识、数据格式、安全认证等 6 项企业标准维度的《电气设备物联网接入规范》，并建立行业联盟一起推动形成统一的设备建模标准与接口规范来降低系统集成复杂度。

针对网络安全风险可考虑构建端 - 管 - 云的三级防护体系，在终端层部署嵌入式防火墙，实现固件安全校验与进程白名单管理；在网络层采用VLAN 隔离、入侵检测系统（IDS），对通信流量进行实时监控；在云端层实施零信任架构通过多因素认证（MFA）与动态访问控制（DAC）确保数据安全，此外还要及时进行定期渗透测试来持续加固系统。

结论：本研究通过物联网技术与电气自动化的深度融合，构建了具备高可靠性、低时延特性的远程监控系统。通过边缘计算与混合加密技术能解决实时性与安全性难题，采用数字孪生建模则能提升设备状态预测精度，且工程实践表明该系统显著提升了运维效率与电网可靠性能为智能电网建设提供了可复制的技术方案。然而设备异构性、标准碎片化等问题仍需行业携手攻关，未来研究将进一步研究优化该系统，助力实现“双碳”目标下电力系统的智能化升级。

参考文献

[1] 国家能源局 .2022 年全国电力工业统计数据 [R]. 北京 : 国家能源局 ,2022.

[2] 王建军 , 李志强 . 智能变电站故障诊断系统设计与应用 [J]. 电力系统自动化 ,2020,44(7):89-95.

[3]Siemens.SIMATIC S7-1500 Advanced Controller Technical Manual[Z]. 2021.

[4]Liu X,et al.Protocol Optimization for Reliable Data Transmission in Industrial IoT[C].IEEE International Conference on Industrial Internet, 2020:123-128.

[5] 华为技术有限公司。边缘计算在电力物联网中的应用白皮书 [R].深圳：华为，2022.