電網(wǎng)企業(yè)智慧物聯(lián)體系建設(shè)及應(yīng)用研究

劉淑磊 魏志豐 高秉強(qiáng) 郭春蘭

摘 要 經(jīng)過十余年發(fā)展，電網(wǎng)企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已具有一定基礎(chǔ)，但與“全息感知、泛在連接、開放共享、融合創(chuàng)新”的提升目標(biāo)相比，仍存在一些不足，如存在感知深度廣度不足、感知層資源共享不足、業(yè)務(wù)即時性不足、標(biāo)準(zhǔn)化智能化不足等問題，多家互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)如阿里、百度、騰訊等企業(yè)開展了對智慧物聯(lián)體系的研究，但缺乏物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電網(wǎng)企業(yè)的落地整體設(shè)計方案。本文借鑒國網(wǎng)山東省電力公司智慧物聯(lián)體系建設(shè)實踐經(jīng)驗，從關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用模式、典型場景等方面對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)展開論述，為電網(wǎng)企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計實施路徑，保障技術(shù)架構(gòu)的科學(xué)性和合理性，為電力行業(yè)智慧物聯(lián)體系的建設(shè)及應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 智慧物聯(lián)體系;物聯(lián)網(wǎng);傳感技術(shù);智能電網(wǎng)

引言

微軟總裁比爾·蓋茨最先提出關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)理念，由于當(dāng)時互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展仍然處在迅猛發(fā)展階段，而物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)還沒有完全成熟，此次物聯(lián)網(wǎng)理念的提出并沒有受到戰(zhàn)略層面上的重視。2005年ITU在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（WSIS）上正式確定了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念。2019年9月，國家電網(wǎng)公司發(fā)布《智慧物聯(lián)體系2019年建設(shè)方案》，指出智慧物聯(lián)體系是推動“兩網(wǎng)融合”發(fā)展，實現(xiàn)電力系統(tǒng)萬物互聯(lián)、人機(jī)交互的關(guān)鍵。

1關(guān)鍵問題

智慧物聯(lián)體系重點建設(shè)物聯(lián)管理平臺和邊緣物聯(lián)代理，對下實現(xiàn)各業(yè)務(wù)采集終端、傳感器、智能終端的數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、處處使用，對上向企業(yè)中臺、業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)與服務(wù)?？傮w技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

傳感器技術(shù)：隨著電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展，電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)和供應(yīng)鏈業(yè)務(wù)需求增長旺盛，感知對象主體及其屬性信息的感知需求更加多元化、全景化。為促進(jìn)能源流、業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流深度融合，需要橫向擴(kuò)展感知對象主體范圍廣度，實現(xiàn)各業(yè)務(wù)領(lǐng)域感知對象全面覆蓋;縱向擴(kuò)展對象屬性信息感知深度，在豐富電氣量采集內(nèi)容基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對感知對象運行狀態(tài)、環(huán)境因素等非電氣量的感知能力，提高感知的全面性、完整性[1]。

業(yè)務(wù)終端研發(fā)：以某省級電網(wǎng)公司為例，2019年在運接入終端主要用于營銷、運檢以及其他專業(yè)現(xiàn)場作業(yè)業(yè)務(wù)，其中智能電表約4600萬只、充電樁約9400臺、營業(yè)廳視頻終端約1600套、采集終端約375萬臺、P柜約8.5萬套、智能配變終端約2100套等設(shè)備。隨著電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展，接入設(shè)備數(shù)量將急劇增加，亟需加大業(yè)務(wù)終端接入能力建設(shè)。在豐富業(yè)務(wù)終端功能的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對感知對象運行狀態(tài)、環(huán)境因素等非電氣量的感知能力，提高信息感知的全面性、完整性，實現(xiàn)對各類信息的實時感知和獲取，全方面反映感知對象實時狀態(tài)。研究設(shè)備端安全防護(hù)技術(shù)，從數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)開始，確保數(shù)據(jù)安全接入和安全傳輸。

邊緣物聯(lián)代理：采集終端種類復(fù)雜，調(diào)控、營銷、運檢等專業(yè)各類終端配置標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，使用的傳輸協(xié)議各不相同，采集數(shù)據(jù)獨立傳輸至各專業(yè)不同的業(yè)務(wù)平臺，未能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、跨專業(yè)共享。公司目前在運的采集終端大多只具備數(shù)據(jù)采集的能力，無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行本地化處理，數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心相關(guān)業(yè)務(wù)平臺后才能存儲、分析。隨著電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的逐漸深入，終端設(shè)備的采集數(shù)據(jù)量將呈幾何級別增長，將原始數(shù)據(jù)歸集至省公司數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲分析的傳統(tǒng)架構(gòu)，對網(wǎng)絡(luò)層、平臺層造成極大的數(shù)據(jù)傳輸和處理壓力。

通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：感知層終端在近場通信應(yīng)用方面多采用串口、以太網(wǎng)以及載波等方式，面對物聯(lián)網(wǎng)大面積建設(shè)的趨勢，各類終端面臨著采集監(jiān)測覆蓋不足、終端設(shè)備在線率較低、實時性不強(qiáng)、安全接入無保障等問題，不能滿足采集監(jiān)測全覆蓋的要求，且業(yè)務(wù)終端接入方式多、不統(tǒng)一，對感知層的網(wǎng)絡(luò)接入方式需要重新規(guī)劃。應(yīng)結(jié)合電網(wǎng)監(jiān)控需求，智能電網(wǎng)傳感層網(wǎng)絡(luò)建設(shè)應(yīng)具有低移動性、時間控制性、小數(shù)據(jù)傳輸性、告警優(yōu)先性、可交互性、低功耗性等特點，需完成各類型感知設(shè)備和終端與邊緣物聯(lián)代理間通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計和本地網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計，明確不同場景下的通信方式、協(xié)議;考慮存量和新建兩種場景，確定適配各專業(yè)、各場景統(tǒng)一的通信協(xié)議規(guī)范，并制定相應(yīng)的應(yīng)用層規(guī)約[2]。

2建設(shè)模式

智慧物聯(lián)體系包括物聯(lián)管理平臺、邊緣物聯(lián)代理、各類型終端標(biāo)準(zhǔn)化接入及其保障體系、合作伙伴等內(nèi)容。

物聯(lián)管理平臺：部署在云端，重點對公司各專業(yè)、各類型邊緣物聯(lián)代理和智能終端進(jìn)行在線管理和遠(yuǎn)程運維，對各類型采集終端進(jìn)行統(tǒng)一管理，主要包括設(shè)備管理、連接管理、應(yīng)用商店、模型管理、數(shù)據(jù)處理等功能。在數(shù)據(jù)處理方面，平臺按照統(tǒng)一物聯(lián)信息模型，匯聚各類型采集感知數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)預(yù)處理，并分發(fā)至企業(yè)中臺或相關(guān)專業(yè)系統(tǒng)，不長期存儲采集感知數(shù)據(jù)。在開放服務(wù)方面，平臺向上對中臺和各類型應(yīng)用提供接口服務(wù)，實現(xiàn)平臺功能調(diào)用以及邊緣物聯(lián)代理、智能終端和各類采集控制設(shè)備的遠(yuǎn)程操作。

邊緣物聯(lián)代理：主要包括終端統(tǒng)一接入、多APP應(yīng)用、邊緣計算、區(qū)域自治等功能。在研發(fā)部署方面，國網(wǎng)公司統(tǒng)一制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和功能規(guī)范，各專業(yè)、各單位按需組織設(shè)計研發(fā)、安裝部署和運行維護(hù)。在物理形態(tài)方面，主要包括邊端分離型、邊端融合型、邊緣節(jié)點型。在開放生態(tài)方面，公司統(tǒng)一制定邊緣物聯(lián)代理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、功能規(guī)范和邊緣計算框架、接口規(guī)范，屏蔽軟硬件產(chǎn)品差異，各專業(yè)、各單位和外部單位基于統(tǒng)一框架開發(fā)的邊緣側(cè)APP可在全公司范圍內(nèi)共享共用。在終端接入方面，邊緣物聯(lián)代理主動適配公司內(nèi)外部各類型感知設(shè)備的通信方式和協(xié)議規(guī)約，按照統(tǒng)一物聯(lián)信息模型對各類采集感知數(shù)據(jù)進(jìn)行解析轉(zhuǎn)換，確保在感知層實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享共用[3]。

采集（控制）終端：部署在采集監(jiān)控對象本體或附近，是對設(shè)備或客戶的狀態(tài)量、電氣量和環(huán)境量等進(jìn)行采集量測的裝置，根據(jù)需要具有簡單的數(shù)據(jù)處理、控制和通信功能，一般不配置邊緣計算能力，主要包括電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)和供應(yīng)鏈等終端。主要建立生態(tài)體系，由合作伙伴按照電網(wǎng)公司相關(guān)規(guī)范提供符合智慧物聯(lián)體系架構(gòu)的產(chǎn)品。

3典型場景

3.1 輸電典型場景

高壓隧道電纜物聯(lián)網(wǎng)采用各類傳感器對高壓電纜本體、中間接頭、電纜隧道的環(huán)境量、物理量、狀態(tài)量、電氣量、行為量進(jìn)行實時采集，并將數(shù)據(jù)實時上傳至具備邊緣計算功能的匯聚節(jié)點或者接入節(jié)點，匯聚節(jié)點或者接入節(jié)點將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層上傳至平臺層和應(yīng)用層，并全面融合運檢專業(yè)多源數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電纜設(shè)備狀態(tài)及隧道環(huán)境的深度感知、風(fēng)險預(yù)警和全景展示，主動觸發(fā)多參量和多設(shè)備間的聯(lián)合分析并推送預(yù)警信息，完成各業(yè)務(wù)系統(tǒng)、個人移動終端、APP、智能巡檢機(jī)器人的信息共享，有效提升高壓電纜狀態(tài)感知的及時性、主動性和準(zhǔn)確性，為缺陷、隱患的及時發(fā)現(xiàn)、處置提供保障[4]。

3.2 變電典型場景

在換流站感知層，按照對外統(tǒng)一物聯(lián)，對內(nèi)分層管理的原則，分為接入層和匯聚層，接入層主要是物聯(lián)代理終端，實現(xiàn)變電站設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)接入，匯聚層負(fù)責(zé)對傳感終端采集信息的匯聚，通過匯聚節(jié)點上送給物聯(lián)代理終端。對于換流閥、換流站變壓器、交直流濾波器、變壓器/電抗器、斷路器/GIS、高壓套管、消防系統(tǒng)、電力電纜等主輔設(shè)備安裝各類感知裝置、配置巡檢機(jī)器人，實現(xiàn)對主輔設(shè)備運行狀態(tài)的全面感知、異常設(shè)備預(yù)警，并支撐多形態(tài)機(jī)器人巡視、故障智能預(yù)警與決策等上層應(yīng)用[5]。

3.3 配電典型場景

中壓側(cè)：為實現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)環(huán)境、開關(guān)狀態(tài)等感知，需安裝包括智能環(huán)境傳感器、智能開關(guān)等感知設(shè)備，通過RS485通信方式接入智能終端，采集環(huán)境量、電壓、電流、開關(guān)狀態(tài)等數(shù)據(jù)。配變側(cè)：為實現(xiàn)配變側(cè)環(huán)境量、電氣量等感知，加裝變壓器感知設(shè)備、智能終端、智能環(huán)境傳感器等感知設(shè)備，通過RS485等多種通信方式接入智能終端，采集環(huán)境量、變壓器油溫、樁頭溫度、電壓、電流等數(shù)據(jù)。低壓側(cè)：為實現(xiàn)低壓側(cè)環(huán)境、電氣量、開關(guān)狀態(tài)等感知，安裝包括智能環(huán)境傳感器、低壓智能開關(guān)等感知設(shè)備，通過RS485等多種通信方式接入智能終端，采集環(huán)境量、電壓、電流、開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)溫度、無功補(bǔ)償監(jiān)測等數(shù)據(jù)[6]。

3.4 新業(yè)務(wù)典型場景

構(gòu)建物理設(shè)備、空間環(huán)境、用能系統(tǒng)的模型，基于狀態(tài)感知、邊緣計算和云邊協(xié)同控制等手段，采取動態(tài)尋優(yōu)的控制策略，實現(xiàn)就地實時控制和云邊協(xié)同控制，降低樓宇能耗水平;對接電網(wǎng)供應(yīng)能力和電力市場價格信號，建立需求側(cè)響應(yīng)和市場交易業(yè)務(wù)模型，參與電力需求側(cè)響應(yīng)和市場交易等新業(yè)務(wù)，優(yōu)化能源負(fù)荷的調(diào)度，實現(xiàn)樓宇（集群）負(fù)荷與電網(wǎng)的友好互動，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行[7]。

4研究結(jié)論

通過上文研究，電網(wǎng)智慧物聯(lián)體系建設(shè)是一個復(fù)雜系統(tǒng)的工程，需要在傳統(tǒng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上解決部分電網(wǎng)企業(yè)特性問題，如開發(fā)邊緣物聯(lián)代理設(shè)備，建立統(tǒng)一信息模型，做好電網(wǎng)安全防護(hù)問題，在建設(shè)模式上，為適應(yīng)電網(wǎng)企業(yè)多層級網(wǎng)絡(luò)式的管理模式，結(jié)合電網(wǎng)企業(yè)存量設(shè)備數(shù)量巨大這一特性，需采用多種形式的物聯(lián)方式實現(xiàn)邊云協(xié)同，在典型場景上，重點解決跨專業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、共用共享的問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳楊.基于SOA的物聯(lián)網(wǎng)智慧服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京：南京郵電大學(xué)，2016.

[2] 朱洪波，楊龍祥.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系創(chuàng)新與智慧服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展[J].信息通信技術(shù)，2013（5）：4-5.

[3] 張毅，唐紅.物聯(lián)網(wǎng)綜述[J].數(shù)字通信，2010，37（4）：24-27.

[4] 劉延吉.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J].價值工程，2013，32（22）：226-227.

[5] 楊庚，許建，陳偉，等.物聯(lián)網(wǎng)安全特征與關(guān)鍵技術(shù)[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，30（4）：20-29.

[6] 何杰.輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2013.

[7] 黃劍.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用分析[J].智庫時代，2019（4）：209，211.

作者簡介

劉淑磊（1986-），男，山東人;畢業(yè)院校：浙江大學(xué)，專業(yè)：電力工程及其自動化，學(xué)歷：碩士，現(xiàn)就職單位：國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，研究方向：電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)。

魏志豐（1981-），男，北京人;畢業(yè)院校：北方工業(yè)大學(xué)，專業(yè)：會計學(xué)，學(xué)歷：碩士，現(xiàn)就職單位：北京國網(wǎng)信通埃森哲信息技術(shù)有限公司，研究方向：電力信息化規(guī)劃研究。

高秉強(qiáng)（1989-），男，寧夏人;畢業(yè)院校：西安電子科技大學(xué)，專業(yè)：通信工程，學(xué)歷：本科，現(xiàn)就職單位：北京國網(wǎng)信通埃森哲信息技術(shù)有限公司，研究方向：信息化規(guī)劃咨詢。

郭春蘭（1990-），女，天津人;畢業(yè)院校：首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，專業(yè)：國民經(jīng)濟(jì)學(xué)，學(xué)歷：碩士，現(xiàn)就職單位：北京國網(wǎng)信通埃森哲信息技術(shù)有限公司，研究方向：企業(yè)架構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)研究。