基于物聯(lián)網的輸變電設備監(jiān)控體系研究

黃小慶，張軍永，朱玉生，曹一家

（湖南大學電氣工程學院，湖南 長沙 410082）

0 引言

物聯(lián)網作為新一代信息通信網絡，具有全面感知、可靠傳輸和智能處理的特點，其技術具有空間化、數(shù)字化、網絡化、智能化和可視化等特征[1-2]。目前，已在電網初步應用，尚未在電網設施運行安全監(jiān)控與電力資產優(yōu)化管理方面得到應用[3]。輸變電設備在電力系統(tǒng)中至關重要。隨著電力網朝著超高壓、大容量、智能化方向發(fā)展，保證其安全運行越來越重要，避免因其事故給生產和生活帶來不必要的影響及損失。物聯(lián)網及其技術為此提供了新的智能化手段。

本文提出以物聯(lián)網及其技術為基礎，以時空環(huán)境為依托，構建將設備與人聯(lián)為一體的全景、實時、多維的監(jiān)控體系，極大程度拓展信息掌控的深度、廣度和維度，為實現(xiàn)輸變電設備的智能監(jiān)測與控制提供理論指導和技術支撐，以及推進物聯(lián)網及其技術在智能電網建設中的應用。

1 物聯(lián)網及其體系架構

物聯(lián)網[4-7]，基于編碼標識、網絡通信、物聯(lián)網中間件等技術，按約定的協(xié)議，建立實體與網絡的聯(lián)通，實現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的自動識別和信息交互共享，從而構建起多維、實時、全景的信息感知體系，最終實現(xiàn)實體的泛在感知、跟蹤、監(jiān)控和管理。

物聯(lián)網體系架構可分為四層：信息感知層、網絡通信層、應用支撐層和業(yè)務應用層。信息感知層通過射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID)讀寫器、智能傳感器等信息感知設備，進行實體識別、信息采集等全景感知；網絡通信層是物聯(lián)網的神經中樞，基于無線通信網、無線傳感器網絡、行業(yè)專用網絡以及互聯(lián)網可靠傳輸信息感知層的數(shù)據；應用支撐層包含物聯(lián)網中間件、全景信息集成平臺、云計算平臺和各類數(shù)據中心，用于海量信息的過濾、整合等，實現(xiàn)信息的有效集成、合理類分、交互共享等；業(yè)務應用層是物聯(lián)網與行業(yè)需求的結合，實現(xiàn)各行業(yè)的智能化。

2 基于物聯(lián)網的輸變電設備監(jiān)控體系結構設計

2.1 總體體系架構

基于物聯(lián)網的輸變電設備監(jiān)控體系結構如圖1所示。其中包括設備信息感知（圖中由箭頭①標注）和設備監(jiān)控（圖中由箭頭②標注）。另外，為了滿足現(xiàn)場工作人員對信息共享的要求，實現(xiàn)全景信息集成平臺與電力MIS系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)等之間的數(shù)據交互，為平臺設計相關的數(shù)據接口，例如XML和Web Service。另外，采取物聯(lián)網管理技術、物聯(lián)網安全技術，使整個體系的機密性、真實性、完整性、抗抵賴性等得到進一步的提高，最終實現(xiàn)對輸變電設備的生命周期狀態(tài)的全面感知及其智能監(jiān)控。

圖1 基于物聯(lián)網的輸變電設備監(jiān)控體系結構Fig.1 Monitoring system architecture of power transmission equipment based on IoT

設備信息的感知分為設備感知層、通信層、服務層、應用層等四層。

設備感知層采用編碼標識技術賦予每個設備唯一的代碼，基于RFID、無線傳感技術，實現(xiàn)實體的非接觸性感知。該層包含桿塔、變壓器等輸變電設備及其附帶的標簽（其中標簽中寫入了設備標識碼）、讀寫器以及無線傳感器網絡（由智能傳感器以自組織和多跳方式構成），完成設備標識碼、靜態(tài)信息等標簽信息的讀取。其中編碼技術包含EPC global的產品電子代碼（Electronic Product Code，EPC）、UID Center的UPC、ISO/IEC等[8]。識別技術包括RFID、智能傳感技術、視頻等多媒體信息技術，用于實體的狀態(tài)感知、多維監(jiān)視，為智能化、精益化管理提供了強健的信息基礎和技術支撐。

通信層采用有線+無線的混合通信模式，兩類通信方式互聯(lián)互通互操作，消除“網絡盲點”，實現(xiàn)感知信息傳送的高可靠性、高安全性。其中，依托于無線傳感器網絡，可實現(xiàn)設備的在線感知與監(jiān)測等應用，提高電網的安全性能，降低電網的運行成本[9]。至于近距離內無線通信涉及到大量無線網絡設備，如基于RFID、Wi-Fi、Zigbee、藍牙等技術的設備，采取政策、市場、技術三管齊下的方式，以提高物聯(lián)網規(guī)?；瘧玫念l譜保障能力，保證各種無線通信方式的友好共存。

服務層包括本地服務器及解算器等，完成設備標識碼與后臺數(shù)據庫中信息的映射與輸出。

應用層主要是輸變電設備信息感知和監(jiān)控，平臺的設計采用Microsoft SQL Server 2008作為平臺的數(shù)據庫，在Microsoft Visual Studio 2010-平臺應用程序開發(fā)環(huán)境下，采用C#編程語言或Java語言，基于面向服務的架構（Service-oriented Architecture，SOA），結合ASP.NET 2.0技術、Web Services技術、JAVA 3D和虛擬技術完成平臺的開發(fā)，實現(xiàn)輸變電設備的三維全景展現(xiàn)，主要功能包括實現(xiàn)標識設備的動態(tài)信息和靜態(tài)信息查詢、顯示以及相關報表和圖像的生成、指標分析、監(jiān)測與控制等。

以EPC為設備標識碼，簡要說明設備信息的感知。首先將EPC所對應設備的詳細信息和屬性存儲在后臺數(shù)據庫中；在設備的感知過程中，信息感知設備讀取其工作范圍內的標簽信息及設備的狀態(tài)信息等；當要查詢某個設備某時刻的靜態(tài)信息和動態(tài)信息時，以此代碼作為指針，經過服務層的映射便可在后臺數(shù)據庫中找到；當要定位感知時，可通過平臺或與其聯(lián)通的PDA發(fā)出請求，向信息感知設備發(fā)出命令，讀取設備的最新全景信息。

設備監(jiān)控分為設備層、監(jiān)測層、通信控制層和輸變電設備監(jiān)控層等四層。

設備層主要是相關輸變電設備及其標簽；監(jiān)測層分為輸電和變電方面兩個方面，輸電方面：主要是覆冰、防盜、山火、大風、雷電等監(jiān)測；變電方面：主要是對變電器的油色譜和局部放電監(jiān)測、斷路器監(jiān)測、GIS 監(jiān)測等監(jiān)測；通信控制層包括通信介質和局域網，通信介質分為有線和無線，保障所得監(jiān)測信息的整合及上傳、上層控制指令的下傳。局域網主要是針對變電設備，充分利用現(xiàn)有的變電站綜合自動化系統(tǒng)，至于輸電設備方面，此部分可以簡化成通信網絡；輸變電設備監(jiān)控層包括平臺和輸變電設備全壽命周期管理系統(tǒng)MIS、ERP、WMS等，利用平臺上提供的數(shù)據和服務，實現(xiàn)對設備自身及外在環(huán)境的全面監(jiān)管，繼而進行設備的在線狀態(tài)評估、預警和故障智能診斷。通過平臺發(fā)出相關的指令和設備的標識碼，對相關設備進行定向化監(jiān)控。

2.2 輸變電設備全景信息集成平臺的設計

目前，電網中的信息集成平臺的應用主要針對變電站和調度系統(tǒng)，且多偏重于三維可視化信息的集成[10-12]。鑒于物聯(lián)網技術在電網中日益規(guī)?；膽?，感知的信息具有海量、多源、異構等特點，有必要構建合理的全景信息集成平臺，進行數(shù)據的并行處理、數(shù)據挖掘和分類整合、交互共享工作，保障業(yè)務應用信息的橫向協(xié)同、縱向貫通。

基于IEC61968/61970 等系列標準，設計開放的、分層的信息集成平臺架構，采用面向服務的數(shù)據協(xié)同方法，實現(xiàn)輸變電設備全景的信息集成，建立具有數(shù)據層、中間層和應用層的全景信息集成平臺，實現(xiàn)各種服務接口、信息聚合和各類數(shù)據的交互與存儲功能。整個平臺的架構如圖2所示。

圖2 平臺架構Fig.2 Structure of platform

數(shù)據層主要包括輸變電設備全景監(jiān)測信息、生產管理信息、調度運行信息、公共安全信息、人工補充錄入信息等，類分為靜態(tài)信息和動態(tài)信息，分別來自歷史數(shù)據庫記錄和實時信息感知設備。

中間層基于數(shù)據處理整合技術、數(shù)據并行處理技術，按照數(shù)據獲取、數(shù)據類分、數(shù)據分析處理的步驟對來自數(shù)據層的元數(shù)據進行面向SOA 集成服務的分析處理，完成數(shù)據的清洗、加工、轉化、整合等標準化處理工作。

應用層主要是面對業(yè)務需求對數(shù)據進行組合封裝提交，為輸變電設備的監(jiān)控提供精益的數(shù)據統(tǒng)計、分析、挖掘和導出服務。

該平臺完成輸變電設備的空間數(shù)據、時間序列數(shù)據的并行處理；服務不同的物理和虛擬的對象通過Web服務、SOA組件可靠交互；面向業(yè)務應用與分析等，提供數(shù)據服務（異構數(shù)據的分類整合、標準化等）和可視化服務（例如全景可視化服務、發(fā)布預警服務等）等方面的應用服務支撐，為設備監(jiān)測與控制及其專業(yè)分析提供實時監(jiān)控界面、人機交互界面；保障輸變電設備基于平臺提供的服務，結合信息感知設備提供的數(shù)據，進行自主感知、判別和決策。

另外，為使系統(tǒng)中多源異構的動態(tài)數(shù)據得到高效處理，適應系統(tǒng)的擴張需求、后臺應用程序增加或改變等變化，采用功能模塊化設計了平臺中的物聯(lián)網中間件（Internet of Things Middleware ，IoT-MW）。采用物聯(lián)網中間件技術可以對數(shù)據有效整合、并行處理、數(shù)據挖掘等，實現(xiàn)同構數(shù)據、異構數(shù)據之間的數(shù)據抽取、格式轉換等功能，消除數(shù)據冗余，減少傳輸數(shù)據量，避免網絡擁塞，為體系中各項業(yè)務的有序應用提供高效、精細化的數(shù)據。以期解決數(shù)據可靠性傳輸、事物處理、消息隊列模式、標準化數(shù)據輸出等關鍵問題，支持同步、異步通信模式，具備全面的安全機制。

該中間件具有信息感知終端接口、事件數(shù)據管理、應用程序接口、信息服務、安全模塊等組件。如圖3所示。

圖3 物聯(lián)網中間件的功能模塊結構Fig.3 Structure of IoT-WM functional modules

1）信息感知終端接口：為應用程序與各種類型的信息感知終端提供集成功能，包括協(xié)議處理模塊、事件生成模塊、命令處理模塊和監(jiān)控模塊等組件。

其中，協(xié)議處理模塊進行通信協(xié)議分析、接口分析，完成各種通信協(xié)議的切換以及封裝，確保信息感知終端可以各自的數(shù)據交換協(xié)議與應用程序無縫連接、自助通信；事件生成模塊為感知到的數(shù)據生成相應的事件，并上傳給事件管理單元；請求/響應模塊接收后臺應用程序經應用程序接口和消息處理模塊分析發(fā)來的請求指令，并回復相應的程序響應；控制模塊監(jiān)控信息感知終端的執(zhí)行情況，并通過圖形用戶接口管理經中間件連接的各個信息感知終端。

2）事件數(shù)據管理單元：對來自信息感知終端接口的數(shù)據進行過濾、集成和分類整合等操作，并與應用系統(tǒng)中相關聯(lián)的數(shù)據內容建立聯(lián)接。包括事件數(shù)據處理模塊、事件數(shù)據緩存模塊等。其結構如圖4所示。

圖4 事件數(shù)據管理單元Fig.4 Event data management unit

其中，事件數(shù)據處理模塊過濾來自信息感知終端接口的事件數(shù)據，除去那些非必要的多余數(shù)據，進而對有效的事件數(shù)據進行基于交互數(shù)據規(guī)約庫和業(yè)務標準規(guī)則庫的整合、排序，采用程序邏輯及存儲轉發(fā)功能保證數(shù)據流的高效、有序。另外，提供數(shù)據評估、數(shù)據挖掘等高級服務功能；事件數(shù)據緩存模塊對數(shù)據分類壓縮，減少數(shù)據傳輸量和存儲量。

3）應用程序接口：包括服務接收模塊和消息處理模塊兩部分，為應用系統(tǒng)控制信息感知終端提供服務。其結構如圖5所示。

其中，服務接收模塊接受后臺應用程序的指令，提供諸如XML-RPC、Web-Service 等通信功能；消息處理模塊分析后臺應用程序經服務接收模塊傳送的指令，并將分析結果反饋至請求/響應模塊，以便得到具體的響應，最終完成應用程序對信息感知終端的協(xié)調控制。

4）信息服務：由設備信息存儲庫和服務引擎組成。

其中設備信息存儲庫存儲與標識關聯(lián)的設備詳細信息，以保證全景信息集成平臺的信息來源；服務引擎為設備存儲庫管理的信息提供搜索/查詢引擎。

5）安全模塊：完成網絡防火墻功能，保證數(shù)據的安全和完整。

圖5 應用程序接口單元Fig.5 Application programming interface unit

3 結語

物聯(lián)網及其技術作為智能電網發(fā)展和建設的重要支撐，具有廣闊的發(fā)展空間。在輸變電設備的智能監(jiān)控引入物聯(lián)網，可滿足集約化發(fā)展、精益化管理等業(yè)務需求，提高設備之間的信息聯(lián)系交互能力和自愈能力，實現(xiàn)對輸變電設備的全景實時感知、多維智能監(jiān)測與控制，使設備的全壽命周期監(jiān)控管理透明化、高效化。

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