基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的電力設備智能綜合診斷及監(jiān)控關鍵技術研究與推廣

山東廣域科技有限責任公司 戴吉勇 孟 賓 孫建瑞 趙 坤 李保原 劉書圻

電力作為一種涉及國計民生的基礎性資源，對于社會的正常生產及民眾的日常生活具有極為重要的意義，智能電網(wǎng)的概念于2003年由美國提出，經過近20年的發(fā)展，智能電網(wǎng)技術趨于成熟。勝利油田是我國重要的石油工業(yè)基地，同時擁有發(fā)電、輸電、變電、配電的基礎配套設施，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行是勝利油田綠色安全生產的重要保障。本文以勝利油田電力設備智能綜合診斷及監(jiān)控技術應用為例，就工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的電力設備智能綜合診斷及監(jiān)控關鍵技術研究與推廣應用要點展開分析。

1 電力設備智能綜合診斷及監(jiān)控技術發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外電力設備監(jiān)控智能化起步在上個世紀60年代，以美國和日本為代表，在智能電網(wǎng)體系下，國外已擁有了輸電環(huán)節(jié)采用輸電線路可視化技術、變電環(huán)節(jié)采用設備智能監(jiān)控技術等技術，目前這些技術已經發(fā)展到智能化綜合管理的階段。從20世紀90年代以來，國外電力新產品、電力設備智能監(jiān)測技術獲得了快速發(fā)展，ABB、西門子公司在這方面都是先驅者，2012年美國通用公司提出工業(yè)互聯(lián)概念，該理念以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構為基礎，為電力設備監(jiān)控實現(xiàn)互聯(lián)、全面感知、智能優(yōu)化、安全穩(wěn)固提供了新的技術路線，很大程度上降低了計劃外停機概率和安全風險，提高了設備可用性和經濟性，帶來了可觀的經濟效益和社會效益。

1.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀

我國的智能電網(wǎng)研究起步相對較晚，結合我國的電網(wǎng)和能源利用的實際情況，從大電網(wǎng)和中低壓電網(wǎng)2個角度同時切入，提出“堅強智能電網(wǎng)”的目標。國家電網(wǎng)計劃分三個階段逐步推動智能電網(wǎng)的建設工作：第一階段（2009～2010年），規(guī)劃試點階段，重點開展智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃工作，制定技術和管理標準；第二階段（2011～2015年），全面建設階段，加快特高壓電網(wǎng)和城鄉(xiāng)配電網(wǎng)建設，初步形成智能電網(wǎng)運行控制和互動服務體系，關鍵技術和裝備實現(xiàn)重大突破和廣泛應用；第三階段（2016～2020年），引領提升階段，全面建成統(tǒng)一的堅強智能電網(wǎng)，技術和裝備達到國際領先水平。

2 電力設備智能綜合診斷及監(jiān)控技術研究目標及研究內容

2.1 研究目標

針對電力系統(tǒng)中輸電、變電、配電設備的安全現(xiàn)狀,研究一種基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算的狀態(tài)可視化、監(jiān)測在線化、診斷智能化、控制網(wǎng)絡化、信息互動化、功能一體化的電力設備智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效解決電力設備依靠生產經驗判斷安全故障問題，實現(xiàn)準確診斷電力設備潛在故障和監(jiān)控預測電力設備的全壽命周期，為此研究基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的電力設備智能綜合診斷及監(jiān)控關鍵技術具有十分重要的意義。

電力設備巡視實現(xiàn)實時在線監(jiān)測，減少定期巡視次數(shù)，通過監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)分鐘級巡視；輸電網(wǎng)外力故障率降低約15%，設備故障率降低約20%，非計劃停電時間降低約60%。配網(wǎng)外力故障率降低約10%，設備故障率降低約15%，非計劃停電時間約40%；設備狀態(tài)監(jiān)控在線率100%；系統(tǒng)對遙信量、遙測量和遙控量處理的正確率100%，遙信動作準確率＞98%，遙控準確率≥99.99%；通過減少巡視次數(shù)，按照巡檢規(guī)程由每周巡檢3次減少每周巡檢1次，單站年可節(jié)約人工成本約20萬；提高油井時率、降低跳閘率、減少非計劃停電時間。

2.2 研究內容

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)形式技術方案設計。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)以太網(wǎng)的物理層目前有線傳輸大都采用PON 和EPON 技術，無線傳輸采用WIA-PA、WirelessHART、ISA100.11a、NB-IOT 等技術；新時期要建立一套具有油田特色的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系、標準，解決各系統(tǒng)數(shù)據(jù)標準不統(tǒng)一、互不相連的信息孤島問題，一方面要搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡架構；另一方面要進行工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺內涵特征分析；此外還應建立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全機制，為油田工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系應用提供支撐。

全業(yè)務泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術方案。勝利油田開展全業(yè)務泛在電力物聯(lián)網(wǎng)終端層體系架構的研究，目的在于建立“全數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、全環(huán)節(jié)物物互聯(lián)、全過程可信互動、全方位數(shù)據(jù)應用”的全業(yè)務泛在電力物聯(lián)網(wǎng)。該環(huán)節(jié)的工作任務包括：研究并提出全業(yè)務泛在電力物聯(lián)網(wǎng)體系架構，同時建設勝利油田電網(wǎng)的全業(yè)務泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術架構、安全架構和部署架構。此外，分析電力物聯(lián)網(wǎng)終端層的終端、連接、安全需要，配置詳細的物聯(lián)方案。

基于邊緣計算的采集終端關鍵技術。勝利油田采集終端的邊緣計算核心技術，包括網(wǎng)絡、隔離技術、體系結合、算法執(zhí)行框架、數(shù)據(jù)處理平臺及安全等，將電力設備傳感器采集信息進行邊緣計算，診斷潛在安全隱患及設備使用壽命，減少電力設備故障率，可靠進行全壽命周期預測。其具體工作主要包括：研究采集終端邊緣計算和分布式計算協(xié)同運行技術；同時探究基于邊緣計算的高效任務調度、數(shù)據(jù)處理技術；此外進行采集終端故障自診斷和采集策略自優(yōu)化研究應用。

嵌入式智能傳感器研制與應用。嵌入式智能傳感器不僅可保證電力設備原有的運行可靠性，還能擴展其他功能，對電力設備進行自檢和自控，保證電力系統(tǒng)的智能化和人性化特點。嵌入式智能傳感器應用內容包括：其一，選取合適的微處理器設計一個低成本、高效率、合理的框架，并對可擴展性、可靠性方面做深入地研究；其二，分析智能傳感器各個硬件模塊，完成相關元器件的選取，設計整個硬件電路原理圖；其三，嵌入式Linux 內核、驅動程序和應用程序的開發(fā)與調試；其四，完成智能傳感器與電力設備配套應用的整體開發(fā)。

智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)研制與推廣應用。實現(xiàn)“綜合接入、邊緣智能、多維感知、安全防護”功能，解決電力設備難于監(jiān)控管理等問題是智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要目標。實際應用中，電力設備智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)包括系統(tǒng)整體架構設計、數(shù)據(jù)采集處理層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)分析層、數(shù)據(jù)應用層四個部分。首先完成智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構設計；加快數(shù)據(jù)存儲層的設計開發(fā)，對系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進行離線與在線實時分析，滿足故障診斷分析、告警分析、預警分析需要；基于系統(tǒng)采集及分析的數(shù)據(jù)進行應用展示，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的有效控制。

3 電力設備智能綜合診斷及監(jiān)控技術市場前景

市場需求分析：大規(guī)模新能源接入和電網(wǎng)設備全面智能化是智能電網(wǎng)的主要特征，目前電力設備智能監(jiān)控和診斷在智能電網(wǎng)中有四大應用領域及市場，即新建智能變電站、在運變電站的智能化改造、傳統(tǒng)（非智能）變電站狀態(tài)檢測、發(fā)電領域以及其他工業(yè)領域均需要電力設備智能綜合診斷及監(jiān)控關鍵技術作為支撐。

應用效益分析：相比于傳統(tǒng)的電力應用模式，電力設備智能綜合診斷及監(jiān)控關鍵技術可以提高2%～10%設備利用率，延長10%～15%使用壽命，節(jié)約25%～30%檢修費用，經濟效益極為突出；同時其減少輸配電系統(tǒng)職工的發(fā)病率，減輕企業(yè)的醫(yī)療負擔，提升員工的生活質量，社會效益顯著。

4 結語

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)下的電力設備智能綜合診斷及監(jiān)控關鍵技術直接影響著用電效率與質量，我國要全面推廣實施設備狀態(tài)檢修，全面提升設備智能化水平，推廣應用智能設備和技術，實現(xiàn)電網(wǎng)安全在線預警和設備智能化監(jiān)控，提升電力診斷及監(jiān)控質量，促進電力智能化的有序發(fā)展。