基于實(shí)物“ID”的電力物聯(lián)網(wǎng)信息采集管控技術(shù)研究

李 斌，馮延明，劉 偉，侯秀梅，陸 杭

（國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，黑龍江哈爾濱 150090）

在電網(wǎng)企業(yè)的總資產(chǎn)中，設(shè)備等固定資產(chǎn)所占的比例可達(dá)到80%以上，且電網(wǎng)企業(yè)的資產(chǎn)數(shù)量龐大、分布廣泛、變動頻繁。隨著現(xiàn)代社會科技的發(fā)展，電力用戶用電需求增加。電網(wǎng)設(shè)備如變壓器、電壓互感器等在運(yùn)維方面的要求逐漸提高，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的獲取效率直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定。在設(shè)備狀態(tài)運(yùn)檢方面，目前的工作主要集中在日常的運(yùn)維巡視和一次二次維護(hù)。通常運(yùn)維人員不易直接獲取設(shè)備的出場信息及歷史故障記錄，這對故障類型和設(shè)備未來運(yùn)行狀態(tài)的判斷造成了阻礙[1]。在經(jīng)濟(jì)評估方面，對電力設(shè)備只關(guān)注其初期的購入成本，較少考慮設(shè)備全壽命周期內(nèi)的成本管理費(fèi)用，比如其后期的運(yùn)行、維護(hù)成本等，這不利于全面的電網(wǎng)公司資產(chǎn)評估[2-3]。

為了加強(qiáng)電網(wǎng)公司各環(huán)節(jié)的有效信息流通、提質(zhì)增效，國家電網(wǎng)創(chuàng)建了“實(shí)物ID+”的概念[4-5]。以實(shí)物“ID”為紐帶，建設(shè)電網(wǎng)資產(chǎn)統(tǒng)一的實(shí)物“ID”身份編碼系統(tǒng)[6]。基于資產(chǎn)全生命周期管理數(shù)據(jù)貫通的信息化建設(shè)與改造，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)解決電網(wǎng)企業(yè)項目資產(chǎn)編碼信息難共享、難追溯、臺賬與實(shí)物難以完全對應(yīng)等問題，提升電網(wǎng)精益化管理控制水平[7-8]。

1 實(shí)物“ID”信息采集內(nèi)容

針對電網(wǎng)的數(shù)據(jù)管理治理工作，首先要確保實(shí)物設(shè)備“賬、碼、物”的一致性，實(shí)現(xiàn)設(shè)備實(shí)物“ID”編碼與項目、采購、出廠、資產(chǎn)卡片等相關(guān)信息的準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)[9]?；趯?shí)物“ID”進(jìn)行采集信息的分類和收集，電網(wǎng)企業(yè)項目資產(chǎn)統(tǒng)一身份編碼實(shí)物“ID”的建設(shè)內(nèi)容，如圖1 所示。

圖1 實(shí)物“ID”統(tǒng)一身份編碼建設(shè)內(nèi)容

設(shè)計實(shí)物“ID”的編碼，統(tǒng)一包含的信息內(nèi)容包括電網(wǎng)資產(chǎn)設(shè)備出場資料、驗收信息、竣工資料、工程轉(zhuǎn)資、運(yùn)行維護(hù)、退役報廢等環(huán)節(jié)[10]。信息管理系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 信息采集管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)備出廠資產(chǎn)采購信息

目前大多數(shù)的物資供應(yīng)階段，供應(yīng)商未在穩(wěn)定的信息系統(tǒng)進(jìn)行物資技術(shù)參數(shù)的控制和維護(hù)，導(dǎo)致部分物資缺少出廠信息[11]。因此構(gòu)建的實(shí)物“ID”信息采集管理系統(tǒng)需要包含前期設(shè)備供應(yīng)商的信息注入端，從設(shè)備出場開始，實(shí)現(xiàn)對全部信息的監(jiān)控。設(shè)備安裝的投資統(tǒng)計涉及發(fā)策、基建、物資等3 個部門[12-16]，如圖3 所示。

圖3 設(shè)備安裝環(huán)節(jié)各部分職責(zé)

1.2 現(xiàn)有信息流通平臺的優(yōu)化

為保證流通信息的通用性，電網(wǎng)資產(chǎn)設(shè)備建設(shè)時需要根據(jù)不同類型設(shè)備的交接試驗，結(jié)合現(xiàn)場梳理出符合新國標(biāo)的通用性模板。驗收時要結(jié)合目前電網(wǎng)信息基礎(chǔ)流通的PMS 系統(tǒng)信息，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及核心字段，重建數(shù)據(jù)庫、底層數(shù)據(jù)表及數(shù)據(jù)模型。

優(yōu)化工程建設(shè)數(shù)據(jù)錄入的試驗報告顯示界面，提供部分字段選擇錄入功能；優(yōu)化PMS 系統(tǒng)接口及字段信息；優(yōu)化信息采集與PMS 系統(tǒng)的同步性。

1.3 運(yùn)維檢修信息

針對設(shè)備運(yùn)維檢修階段，信息采集平臺需要建立與PMS 系統(tǒng)貫通的移動應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)在移動終端許可、終結(jié)工作，實(shí)時獲取工作票信息以及回傳PMS 系統(tǒng)的功能；增加掃描識別作業(yè)設(shè)備進(jìn)行匹配的功能，查詢設(shè)備歷史運(yùn)行維修信息。

1.4 其他信息

實(shí)物“ID”信息采集內(nèi)容還包括廢舊物資退役處置信息，如設(shè)備材料價格、維修價格、巡視成本等經(jīng)濟(jì)性信息。建設(shè)與PMS 與ERP 系統(tǒng)的信息交互功能，有利于系統(tǒng)平臺的信息管控?；趯?shí)物“ID”的電力物聯(lián)網(wǎng)信息采集管控平臺的構(gòu)架如圖4 所示。

圖4 信息采集管控平臺架構(gòu)

2 信息管控的實(shí)現(xiàn)

2.1 電網(wǎng)設(shè)備信息大數(shù)據(jù)平臺

為了進(jìn)一步減少信息冗余，也減少信息收集過程中的工作量，基于實(shí)物“ID”的電力物聯(lián)網(wǎng)信息采集數(shù)據(jù)庫平臺建立時，應(yīng)設(shè)計互相關(guān)聯(lián)的統(tǒng)一輸入表格，提高收集信息的適用性、兼容性和通用性。

根據(jù)信息采集管控平臺的構(gòu)架，建設(shè)總數(shù)據(jù)庫平臺需要涉及的設(shè)計項目和優(yōu)化改進(jìn)項目比例，如圖5 所示。

圖5 信息化功能改造示意圖

大數(shù)據(jù)平臺實(shí)現(xiàn)采用的手段是在現(xiàn)有的PMS 和ERP系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，聯(lián)通設(shè)備制造廠商、發(fā)策部門、基建單位、物資部門、生產(chǎn)運(yùn)維和設(shè)備檢修等各部門的信息，按照標(biāo)準(zhǔn)的要求制定實(shí)物“ID”對應(yīng)數(shù)據(jù)庫在不同的環(huán)節(jié)，需要補(bǔ)充的信息內(nèi)容和調(diào)用的數(shù)據(jù)信息。

2.2 信息傳導(dǎo)技術(shù)

實(shí)物“ID”的主要形式是二維碼（Quick Response，QR），作為唯一標(biāo)識與設(shè)備精確對應(yīng)。大數(shù)據(jù)平臺的前期信息采集和后期信息查看均通過二維碼傳遞數(shù)據(jù)，掃描二維碼的應(yīng)用終端由國家電網(wǎng)的內(nèi)網(wǎng)移動APP 門戶作前端，以無線網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)通道，以移動應(yīng)用平臺為后端，實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息自動采集。

信息的傳輸通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，信息傳遞時前端與后端可分別看作有能量發(fā)射能力的源端S和有能量收集能力的終端D。前端發(fā)射能量后，終端節(jié)點(diǎn)的全部能量來源于源端S發(fā)射的RF信號，終端將接到的信號解碼通過回收信號的能量向源端反饋一定的信息。

如圖6 所示，信號源S 經(jīng)由OFDM 子載波集N將信息傳達(dá)到信號接收終端D，子載波集N由互不交叉的C1和C2子集構(gòu)成。子集C1上傳輸信息數(shù)據(jù)，其子載波上傳送功率為。子集C2上傳輸給終端的能量，其子載波上傳送功率為。因此通信子集C1上的數(shù)據(jù)傳輸速率為：

圖6 雙向攜能通信系統(tǒng)模型

信號源發(fā)送信號和能量傳遞到接收終端的能量損耗為：

接收終端D 收到的能量為：

其中，fNL是非線性能量轉(zhuǎn)換模型，,j∈C2。

由此得出信號采集傳輸?shù)倪^程中，能量轉(zhuǎn)換效率模型近似為：

接收終端到信號發(fā)射源的鏈路上，OFDM 子載波傳輸信息的速率為：

能量傳遞回發(fā)射源端期間的損耗為：

由此得出，在信號采集傳輸?shù)倪^程中，能量轉(zhuǎn)換效率模型近似為：

在發(fā)射接收雙向信息能量傳遞網(wǎng)絡(luò)中，源端S發(fā)射能量維持信號網(wǎng)絡(luò)的傳遞。以最小化源端S 發(fā)射能耗為目標(biāo)，采用非線性的能量傳遞模型。將源端S 與終端D 的信號傳遞速率需求和能量衰減門檻納入約束，優(yōu)化子載波和傳輸功率的算法步驟如下：

1）設(shè)置迭代次數(shù)k=0，初始化RS、RD等各參量；

2）計算最優(yōu)乘子γ，并由式（6）計算WD；

3）計算功率分配最優(yōu)解*和*；

4）計算子載波分配最優(yōu)解C1*和C2*；

5）更新k=k+1，更新對偶變量{β1(k),β2(k)}；

6）若|β1(k)-β1(k-1) |＜ε，|β2(k)-β2(k-1) |＜ε，則結(jié)束循環(huán)。否則，返回步驟3）繼續(xù)循環(huán)。

在正交頻分復(fù)用和雙向通信的條件下，攜帶能量的通信網(wǎng)絡(luò)中資源的分配比例會干擾能量信號傳遞的可靠性和穩(wěn)定性，為此采用一種面向信號子載波的聯(lián)合能量分配計算方法。子載波分別傳輸信息和能量，簡化攜能原則，由此優(yōu)化信號采集傳輸系統(tǒng)，且保證足夠的能量維持信息傳遞。

2.3 實(shí)物“ID”設(shè)備信息關(guān)聯(lián)流程

在實(shí)物“ID”系統(tǒng)功能貫通的基礎(chǔ)上，利用實(shí)物ID 實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備購置費(fèi)的自動統(tǒng)計。檢查及時發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)，追溯異常源頭，開展管控工作。實(shí)物設(shè)備信息關(guān)聯(lián)流程結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 實(shí)物設(shè)備信息關(guān)聯(lián)流程結(jié)構(gòu)

由實(shí)物“ID”鏈接上述流程，完成對設(shè)備壽命周期內(nèi)各時期狀態(tài)監(jiān)視、跟蹤與管控。

2.4 計劃完成偏差率

項目儲備及綜合計劃執(zhí)行偏差率是發(fā)策部門管控的指標(biāo)，也是唯一涉及投資金額的指標(biāo)。項目投入后要及時管理，降低綜合項目儲備和計劃執(zhí)行的偏差率。計劃完成偏差率Φ的計算公式為：

其中，α是工程現(xiàn)場完成量；β是工程計劃完成量；ci是第i項指標(biāo)的權(quán)重指標(biāo)數(shù)值，且：

3 實(shí)物“ID”標(biāo)簽設(shè)計

設(shè)計實(shí)物“ID”編碼規(guī)則時，應(yīng)考慮識別便捷、適用范圍、信息保密。采用二維碼標(biāo)簽的形式，便于掃描和分辨，且具備內(nèi)部移動設(shè)備獲取信息鏈接的保密性。

3.1 二維碼的結(jié)構(gòu)

二維碼是矩陣式編碼的一種。如圖8 所示，通過方形平面上，不同位置的方塊圖案顏色和大小代表不同的信息數(shù)據(jù)。

圖8 QR二維碼結(jié)構(gòu)圖

第一個版本的QR 二維碼長寬模塊數(shù)均為21，而第40 版本是長寬有177 個模塊的矩陣。

3.2 圖像畸變校正及二維碼解碼

電網(wǎng)設(shè)備的使用環(huán)境復(fù)雜多樣，在變電站中，陰天下雨或夜晚時現(xiàn)場光線條件惡劣，實(shí)物“ID”掃碼系統(tǒng)需要具備不利環(huán)境下的優(yōu)化圖像處理功能。

設(shè)(x，y)為良好環(huán)境條件下的正向拍攝圖像，(u，v)是惡劣環(huán)境下的斜拍圖像，M是變換矩陣，通用的變換算法如下：

對上式求解并進(jìn)行歸一化可得：

通過優(yōu)化變換公式中的各項參數(shù)可達(dá)到改善掃描結(jié)果的效果，準(zhǔn)確識別出設(shè)備的實(shí)物“ID”，并調(diào)取相關(guān)信息。

3.3 實(shí)物“ID”的編碼識別

實(shí)物“ID”的核心識別技術(shù)是數(shù)字編碼的區(qū)域定位，根據(jù)二維碼的特點(diǎn)，將平面圖形區(qū)域進(jìn)行分割識別解碼。

為了對比圖像識別矯正算法前后的識別效果，對1 000 組RFID 標(biāo)簽上的設(shè)備二維碼進(jìn)行識別實(shí)驗，結(jié)果如圖9 所示。矯正算法后的識別效果顯著提高，尤其是在惡劣的環(huán)境條件下識別結(jié)果最大能提升6%，且惡劣環(huán)境下正確識別率達(dá)到97.5%以上。

圖9 圖像識別矯正算法前后實(shí)驗結(jié)果

4 結(jié)束語

實(shí)物“ID”相當(dāng)于給電力設(shè)備貼上唯一且永久的“身份編碼”，用普通的掃碼器只能讀取編碼信息；而使用通過國網(wǎng)認(rèn)證的移動終端進(jìn)行掃描，可以調(diào)取設(shè)備全壽命周期的各項信息。設(shè)計理念為用唯一的身份編碼對應(yīng)設(shè)備整個生命周期內(nèi)的信息，從而實(shí)現(xiàn)全面的設(shè)備狀態(tài)評估，有助于提升運(yùn)行維修、資產(chǎn)清理等各方面的工作效率。

基于實(shí)物“ID”的電力物聯(lián)網(wǎng)信息采集管控技術(shù)打通各階段專業(yè)信息的壁壘，同步PMS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)、設(shè)備、實(shí)物信息資源的大集中和大共享，不僅簡化了維護(hù)臺賬信息的工作流程，而且準(zhǔn)確率也隨之提高。該文所提技術(shù)方案可以實(shí)現(xiàn)固定資產(chǎn)從物資采購、工程建設(shè)、運(yùn)維檢修到退役處置的全過程信息集成管控，具備良好的應(yīng)用價值。