面向智慧輸電線路的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究

張鵬宇，李曉春，李瑛，金邦華

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司輸電運(yùn)行檢修分公司，貴州 貴陽(yáng) 550002）

0 引言

無(wú)所不在物聯(lián)網(wǎng)的概念已經(jīng)提出多年，其目標(biāo)是使各種終端設(shè)備在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何事物有效地互聯(lián)和互動(dòng)。傳統(tǒng)的輸電線路運(yùn)維管理工作都是由運(yùn)維人員在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開(kāi)展。在電力系統(tǒng)中，大量用電的需求不斷增加，這些出現(xiàn)的問(wèn)題要求輸電線路運(yùn)維管理需通過(guò)采用先進(jìn)的系統(tǒng)管理、控制和通信技術(shù)，提高輸電線路運(yùn)維的可靠性和靈活性，提高輸電線路的安全運(yùn)行。這帶來(lái)了新的輸電線路運(yùn)維模式，如電壓升高效應(yīng)、故障級(jí)別增加、保護(hù)退化和瞬態(tài)穩(wěn)定改變[1]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使大量智能設(shè)備的集成能夠通過(guò)數(shù)據(jù)采集、處理和分析以及決策過(guò)程，共同完成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、分析和管理等功能。物聯(lián)網(wǎng)的概念及其相關(guān)技術(shù)已被廣泛接受并應(yīng)用于不同的工業(yè)領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以將需求視為輸電線路運(yùn)維管理工作中建立多種監(jiān)測(cè)設(shè)備管理和協(xié)調(diào)控制平臺(tái)，以及不同形式的監(jiān)測(cè)設(shè)備類型之間的職能轉(zhuǎn)換的切入點(diǎn)。由于所部署的智能監(jiān)測(cè)終端最能反映現(xiàn)場(chǎng)需求的特征和行為，因此，隨處可見(jiàn)的電力物聯(lián)網(wǎng)配以在線監(jiān)測(cè)裝置被認(rèn)為是一種重要的具體應(yīng)用。需求可以進(jìn)一步聯(lián)系到運(yùn)維一線人員，促進(jìn)智能終端系統(tǒng)和多樣化需求服務(wù)的發(fā)展。從整體架構(gòu)的角度來(lái)看，無(wú)處不在的電力物聯(lián)網(wǎng)在需求方面進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)和設(shè)備的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)全面的輸電線路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以及在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合輸電線路分布水平。從而促進(jìn)可靠安全的系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)和多樣化的運(yùn)維服務(wù)[2]。

1 電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和功能

人工智能技術(shù)和相關(guān)體系結(jié)構(gòu)是提高無(wú)處不在的電子物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量的重要組成部分。本節(jié)介紹泛在輸電線路運(yùn)維物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)和要求。以物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為大腦，以智能監(jiān)測(cè)終端為邊緣計(jì)算管理者，以攝像頭為傳感器，以先進(jìn)的通信技術(shù)為手段，構(gòu)建全息信息網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)終端設(shè)備互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)綜合態(tài)勢(shì)感知和數(shù)據(jù)集成。需求無(wú)處不在的電力物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)數(shù)據(jù)接口向輸電線路運(yùn)維管理單位提供數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息全流，提高輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。具體而言，電力物聯(lián)網(wǎng)在需求的主要特點(diǎn)和功能可以概括如下。

1.1 綜合操作狀態(tài)感知

輸電線路桿塔節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、分布廣、監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)量多。將智能識(shí)別與傳感技術(shù)應(yīng)用于桿塔本體、通道等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是必要的。部署大量的傳感設(shè)備可以進(jìn)行分散的數(shù)據(jù)采集和局部分析，能夠?qū)崿F(xiàn)自診斷、邏輯判斷、統(tǒng)計(jì)處理等高級(jí)管理任務(wù)的集中運(yùn)營(yíng)分析與管理。綜合的運(yùn)行狀態(tài)感知使得更智能的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策，保障輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 系統(tǒng)互連標(biāo)準(zhǔn)化

為了不斷提高輸電線路運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)的智能化、信息化、自動(dòng)化、交互水平，確保每臺(tái)智能監(jiān)測(cè)終端設(shè)備都能支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，不受制造商、操作系統(tǒng)、芯片、物理傳輸?shù)南拗?，建立必要的互操作?biāo)準(zhǔn)，支持分布式的數(shù)據(jù)自動(dòng)接入、管理、運(yùn)行和擴(kuò)展，形成安全、標(biāo)準(zhǔn)、兼容、可靠的多數(shù)據(jù)融合生態(tài)系統(tǒng)。

1.3 信息傳輸安全可靠

安全可靠的信息傳輸是保證輸電線路安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行的前提。輸電線路運(yùn)維的通信網(wǎng)絡(luò)需要具有高速、高帶寬、高覆蓋，支持運(yùn)維業(yè)務(wù)所需的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)通信。在某些網(wǎng)絡(luò)失效后，整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)仍可繼續(xù)運(yùn)行；當(dāng)通信設(shè)施和信息資源被企圖破壞和非法獲取時(shí)，具有較強(qiáng)的防御能力，能夠保證輸電線路的保密性、完整性和有效性。將云計(jì)算融入需求端無(wú)所不在的電力物聯(lián)網(wǎng)，可以通過(guò)模塊化終端管理海量互聯(lián)設(shè)備。通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，并實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)誤數(shù)據(jù)清除、數(shù)據(jù)緩存等高級(jí)功能。預(yù)處理和實(shí)時(shí)邊緣分析只是將復(fù)雜而重要的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)皆浦羞M(jìn)行進(jìn)一步處理。一方面，利用云計(jì)算提供無(wú)限的資源，緩解云計(jì)算資源有限的問(wèn)題。提出的需求側(cè)管理物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)使用云計(jì)算邊緣信息處理能力，以緩解云計(jì)算帶來(lái)的高延遲、網(wǎng)絡(luò)擁塞和低可靠性問(wèn)題。云計(jì)算的分布式存儲(chǔ)可以有效地保證數(shù)據(jù)的安全性和可用性。為了最大限度地減少對(duì)云霧資源的消耗，在合理分配服務(wù)資源，有效地實(shí)現(xiàn)云霧資源的合理高效利用。

1.4 移動(dòng)開(kāi)放智能運(yùn)維服務(wù)

通過(guò)將輸電線路的運(yùn)行條件、通信網(wǎng)絡(luò)、信息處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合，打造開(kāi)放、移動(dòng)的運(yùn)維服務(wù)生態(tài)系統(tǒng)，為輸電線路運(yùn)維提供個(gè)性化、精準(zhǔn)化、主動(dòng)化的服務(wù)。運(yùn)維服務(wù)要求，形成安全、共贏的生態(tài)環(huán)境，從而有效提升輸電線路的智能化運(yùn)維服務(wù)水平[3]。在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序服務(wù)中，集群通常執(zhí)行多個(gè)應(yīng)用程序副本以滿足前端流量。例如前端服務(wù)集群、應(yīng)用服務(wù)集群、緩存服務(wù)集群。每個(gè)實(shí)例都可以處理服務(wù)請(qǐng)求，并且實(shí)例的數(shù)量通常是可調(diào)節(jié)的。彈性伸縮是指根據(jù)業(yè)務(wù)需求和策略自動(dòng)調(diào)整服務(wù)和計(jì)算資源，以確保有適當(dāng)數(shù)量的服務(wù)實(shí)例來(lái)處理應(yīng)用程序負(fù)載。提前設(shè)定擴(kuò)減條件，當(dāng)需求增加時(shí)自動(dòng)增加服務(wù)器數(shù)量，以滿足條件，保持性能。在需求減少的情況下，需要減少服務(wù)器的數(shù)量，使成本最小化。通過(guò)采用微服務(wù)框架、分布式服務(wù)總線、即時(shí)消息總線、開(kāi)發(fā)與運(yùn)維集成等技術(shù)，提高應(yīng)用架構(gòu)的靈活性，確保應(yīng)用的快速啟動(dòng)和版本更新的即時(shí)迭代。并提供服務(wù)和應(yīng)用程序生命周期管理。

2 智慧線路在電力物聯(lián)網(wǎng)體系整體架構(gòu)

在過(guò)去的十年里，許多國(guó)家已經(jīng)發(fā)展了智能電網(wǎng)，以應(yīng)對(duì)電力行業(yè)的挑戰(zhàn)。智能電網(wǎng)技術(shù)為傳統(tǒng)電力公司提供了一種經(jīng)濟(jì)、可靠的解決方案。通過(guò)采用不同形式的信息通信技術(shù)，可以從可靠性、安全性、穩(wěn)定性、效率和可擴(kuò)展性等不同方面提高輸電線路運(yùn)維管理性能[4]。此外，智能電網(wǎng)的部署，使輸電線路能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、運(yùn)行分析和管理。因此，通過(guò)這些智能監(jiān)測(cè)設(shè)備的互聯(lián)，通過(guò)高速、無(wú)處不在、雙向的數(shù)字通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式傳感、分析和控制功能，成為智能電網(wǎng)發(fā)展中需要解決的問(wèn)題。

2.1 電力物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)概述

在電力物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中，輕量級(jí)云計(jì)算可以分別安排在邊緣側(cè)，而重量級(jí)云計(jì)算則分別安排在云“側(cè)”。采用低延遲、高可靠性的遠(yuǎn)程通信技術(shù)（管道）實(shí)現(xiàn)邊緣?！霸茀f(xié)同”為延遲敏感服務(wù)提供了強(qiáng)有力的支持?！斑吘墶焙汀敖K端”利用高效、安全的本地通信技術(shù)“領(lǐng)域”，實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全、相互信任、即插即用，解決用戶端設(shè)備無(wú)處不在的接入問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的整體架構(gòu)包括三個(gè)不同的層（即終端層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層）。終端層包括多核模塊化儀表（邊）、本地通信（場(chǎng)）、模塊化終端（邊）、網(wǎng)絡(luò)層對(duì)應(yīng)遠(yuǎn)程通信（管道）、平臺(tái)層對(duì)應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)主站（“云”）中的需求方。需求側(cè)在電力領(lǐng)域無(wú)處不在，物聯(lián)網(wǎng)形成了云管道終端架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)終端和網(wǎng)絡(luò)層的云霧協(xié)作。平臺(tái)層的能力是開(kāi)放的，以支持電力互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展[5]。

首先，在電力傳輸過(guò)程中需要滿足間歇可持續(xù)對(duì)電力可靠性的嚴(yán)格要求。其次，電力公司迫切需要部署更先進(jìn)的管理平臺(tái)，以應(yīng)對(duì)輸電線路不同類型環(huán)境運(yùn)維的多樣化需求。為此，作為應(yīng)對(duì)和解決上述挑戰(zhàn)的對(duì)策，提出了在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念。物聯(lián)網(wǎng)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)該框架的最佳范式，通過(guò)結(jié)合不同類型的智能傳感終端，包括圖像、信號(hào)和定位。

2.2 電力物聯(lián)網(wǎng)體系應(yīng)用領(lǐng)域

基于傳統(tǒng)輸電線路運(yùn)維管理業(yè)務(wù)，結(jié)合業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)和跨專業(yè)支撐需求，在電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)涵蓋了不同類型的服務(wù)，包括終端管理、數(shù)據(jù)采集、在線監(jiān)測(cè)、智能運(yùn)維、負(fù)荷監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)、線損分析、數(shù)據(jù)分析。電力物聯(lián)網(wǎng)是以多核數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，利用數(shù)據(jù)處理方法完成新功能的拓展。巡視策略自動(dòng)生成、線路在線綜合評(píng)估、損耗管理等功能，可有效提升輸電運(yùn)維服務(wù)能力。通過(guò)線路彈性負(fù)載的比例，得到運(yùn)維管理需求響應(yīng)的能力。將提高電網(wǎng)的個(gè)性化服務(wù)水平以及有效提高電網(wǎng)運(yùn)行效率[6]。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)站點(diǎn)區(qū)域的數(shù)據(jù)感知負(fù)載。對(duì)于長(zhǎng)期過(guò)載的輸電線路，明確了過(guò)載的原因和范圍，并針對(duì)輸電線路走向改造提出了有針對(duì)性的建議，以進(jìn)一步提高電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。通過(guò)采用輸電線路狀態(tài)分析技術(shù)，準(zhǔn)確定位線路運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，支持智能化運(yùn)維操作，縮短風(fēng)險(xiǎn)排除時(shí)間。這些功能還可以提供以在線方式評(píng)估的能力。提高電網(wǎng)資產(chǎn)評(píng)估的可靠性和效率。

3 結(jié)論

本文詳細(xì)分析和討論了面向智慧輸電線路的體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。目前，需求方仍有大量的智能設(shè)備尚未互聯(lián)，以及進(jìn)行全面的傳感和功能實(shí)現(xiàn)。在未來(lái)的研究中，還需要在實(shí)際測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證該體系結(jié)構(gòu)和功能。進(jìn)一步開(kāi)發(fā)需要結(jié)合不同的先進(jìn)通信和計(jì)算技術(shù)，使需求的智能功能用于輸電線路日常管理，提高輸電線路安全穩(wěn)定地運(yùn)行。