基于大數(shù)據(jù)的智能供電物聯(lián)云平臺(tái)研發(fā)

陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司 李小剛 譚 震 苗 鑫 上海山源電子科技股份有限公司 董振軍

智能供電云平臺(tái)已有很多研究，但受限于智能化裝備的普及程度、智能化裝備的性能及計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的限制，這些平臺(tái)大都是在離散的海量數(shù)據(jù)中，艱難地進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析計(jì)算。隨著各種高性能智能化數(shù)字傳感器的快速使用和普及，結(jié)合電力物模型的成功研發(fā)，新一代的基于供電大數(shù)據(jù)的智能供電物聯(lián)云平臺(tái)成為可能。

煤礦智能供電物聯(lián)云平臺(tái)是利用人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等現(xiàn)代化的技術(shù)手段，結(jié)合高性能智能化數(shù)字傳感器和新一代智能保護(hù)裝置，對(duì)供電系統(tǒng)與電力設(shè)備進(jìn)行特征建模、關(guān)聯(lián)分析、預(yù)測(cè)與控制，包括智能數(shù)據(jù)分析、智能負(fù)荷的變化感知、智能設(shè)備診斷與運(yùn)行趨勢(shì)計(jì)算、設(shè)備故障預(yù)知與故障演變、運(yùn)行環(huán)境優(yōu)化與設(shè)備配置、智能能效與節(jié)能分析等。以此形成全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制的智能管控系統(tǒng)，最終達(dá)到電網(wǎng)安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

1 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)為三層體系結(jié)構(gòu)，由數(shù)據(jù)展示層/智能業(yè)務(wù)層/智能采集層三層組成。

數(shù)據(jù)展示層又劃分為云端級(jí)/集團(tuán)級(jí)/煤礦級(jí)的三級(jí)應(yīng)用架構(gòu)，不同的授權(quán)用戶(hù)進(jìn)入不同的數(shù)據(jù)展示應(yīng)用層級(jí)；其中僅僅有煤礦級(jí)數(shù)據(jù)展示層的應(yīng)用系統(tǒng)，是系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)；智能業(yè)務(wù)層按功能劃分為平臺(tái)層和應(yīng)用層，智能業(yè)務(wù)層可以部署在私有云和公有云上，是煤礦智能供電物聯(lián)云平臺(tái)的核心，實(shí)現(xiàn)從電源端到用電設(shè)備的全面感知、智能監(jiān)控、安全運(yùn)轉(zhuǎn)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化以及診斷預(yù)警、高效運(yùn)維等功能。

智能采集層分為感知層和傳輸層，智能采集層通過(guò)智能保護(hù)裝置，采集電流電壓等電氣量及其突變量、開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間等等；通過(guò)雙光譜攝像儀采集視頻和溫度信息；通過(guò)智能化數(shù)字傳感器如溫濕度傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器、氣體傳感器等采集溫濕度、真空度、氣體濃度、振動(dòng)等信息，并通過(guò)高效的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MQTT將相關(guān)信息同步上傳平臺(tái)，為電力設(shè)備的智能全面感知提供技術(shù)支撐。

數(shù)據(jù)展示層僅僅有煤礦級(jí)單級(jí)的系統(tǒng)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，功能包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)感知和數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)建模和組態(tài)、數(shù)據(jù)清洗和匯集、大數(shù)據(jù)智能業(yè)務(wù)分析、基于瀏覽器的監(jiān)視和控制界面以及移動(dòng)監(jiān)視和事項(xiàng)報(bào)警等，具備多種協(xié)議、海量設(shè)備的接入的能力。

2 基礎(chǔ)平臺(tái)設(shè)計(jì)及功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)是系統(tǒng)最精簡(jiǎn)的運(yùn)行模式。系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)是一個(gè)基于B/S架構(gòu)的、具備高可用性的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。平臺(tái)依托現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤礦電網(wǎng)中從供電設(shè)備到用電設(shè)備的靈活接入；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析并為其他數(shù)據(jù)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)共享融合接口；平臺(tái)通過(guò)規(guī)范化的數(shù)據(jù)接入和數(shù)據(jù)的自描述，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)設(shè)備與傳感設(shè)備的無(wú)關(guān)性；基礎(chǔ)平臺(tái)采用大數(shù)據(jù)架構(gòu)，支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、流計(jì)算、分布式存儲(chǔ)和高可用性。

基礎(chǔ)平臺(tái)采用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)建模和界面組態(tài)的思想，通過(guò)設(shè)備數(shù)據(jù)的自描述，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)設(shè)備與個(gè)性化的傳感設(shè)備的無(wú)關(guān)性，讓平臺(tái)應(yīng)用只關(guān)心設(shè)備本身而不去關(guān)心是哪家的監(jiān)測(cè)終端、用什么樣的傳輸協(xié)議，使數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)應(yīng)用更便捷、應(yīng)用更廣泛，也為設(shè)備故障特征建模打下了基礎(chǔ)。

平臺(tái)在實(shí)現(xiàn)了設(shè)備建模、傳感數(shù)據(jù)的自解析以及數(shù)據(jù)與設(shè)備的自動(dòng)綁定的同時(shí)，也有基于規(guī)則的數(shù)據(jù)處理，事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，并可通過(guò)通訊協(xié)議如IEC60870-5-104、OPC以及MQTT為第三方提供數(shù)據(jù)服務(wù)，也支持外掛式自定義規(guī)約解析器，實(shí)現(xiàn)非標(biāo)通訊規(guī)約設(shè)備的數(shù)據(jù)服務(wù)。除提供數(shù)據(jù)服務(wù)外，還把基于面向?qū)ο蟮耐負(fù)渥詣?dòng)生成的組態(tài)工具集成到平臺(tái)中，為應(yīng)用層提供拓?fù)浣M態(tài)服務(wù)。

[5]...Apparently not content with its annexure of the South China Sea or being the muscle behind the world’s number-one power-in-waiting,the Chinese army has made a foray into gangsta rap.

圖1 基礎(chǔ)平臺(tái)構(gòu)成框圖

平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備故障特征建模，根據(jù)設(shè)備故障特征進(jìn)行設(shè)備的健康狀況評(píng)價(jià)，并通過(guò)大數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行趨勢(shì)計(jì)算和狀態(tài)預(yù)判，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中重點(diǎn)檢測(cè)的模型屬性信息包括：溫度及其在相同電流下的變化趨勢(shì)、開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間及其變化趨勢(shì)、震動(dòng)及其變化趨勢(shì)等；平臺(tái)的感知層采用了高性能智能化數(shù)字傳感器和新一代智能保護(hù)裝置，新一代智能保護(hù)裝置除滿(mǎn)足選擇性、速動(dòng)性、靈敏性和可靠性四個(gè)基本要求外，還具有各種智能裝置的功能：就地聯(lián)動(dòng)、電氣量突變檢測(cè)、開(kāi)關(guān)動(dòng)作速度檢測(cè)、智能設(shè)備接入與控制、視頻接入等。

功能設(shè)計(jì)上，平臺(tái)不僅包含了電力監(jiān)控系統(tǒng)的全部功能，還設(shè)計(jì)了電網(wǎng)運(yùn)行方式自動(dòng)跟蹤、通過(guò)大數(shù)據(jù)分析的設(shè)備健康診斷與能耗及節(jié)能分析、定值動(dòng)態(tài)計(jì)算和自適應(yīng)等（圖2）。

圖2 功能配置圖

實(shí)時(shí)監(jiān)控方面，要能夠進(jìn)行應(yīng)急聯(lián)動(dòng)，以便滿(mǎn)足諸如瓦斯超限、異地?cái)嚯姷囊?；還要能進(jìn)行一鍵式快速恢復(fù)送電，特別是對(duì)局扇的控制，更需要爭(zhēng)分奪秒地趕在瓦斯積聚前恢復(fù)送電。通過(guò)平臺(tái)規(guī)則的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)安全快捷操作。電網(wǎng)擾動(dòng)及電能質(zhì)量的分析對(duì)電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行意義重大，也是智能平臺(tái)要解決的問(wèn)題。系統(tǒng)在探測(cè)到電網(wǎng)電壓電流發(fā)生突變或電壓包絡(luò)線發(fā)生周期性變化時(shí)，把一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行密采、形成曲線，并對(duì)曲線特征進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，深挖原因、給出處理意見(jiàn)。對(duì)電壓電流畸變特征進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電壓電流的畸變并進(jìn)行各次諧波含量分析，并給出諧波治理方案。

開(kāi)關(guān)設(shè)備、機(jī)電設(shè)備的健康診斷在少人化、無(wú)人化的今天也特別有意義。開(kāi)關(guān)設(shè)備和機(jī)電設(shè)備都要進(jìn)行定期檢修，檢修期間停電、停產(chǎn)，全員上陣、耗費(fèi)了大量的人力物力，也影響了煤產(chǎn)量。通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行大數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行實(shí)時(shí)設(shè)備健康診斷，包括運(yùn)行趨勢(shì)計(jì)算、設(shè)備故障預(yù)知與故障演變等，找出設(shè)備演化趨勢(shì)，進(jìn)行閥值報(bào)警和趨勢(shì)報(bào)警，并給出維修建議。這樣，變定期檢修為狀態(tài)檢修，解放生產(chǎn)力。另外，保護(hù)定值也是影響電網(wǎng)安全的重要因素。采用在線式定值計(jì)算和校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)定值隨電網(wǎng)運(yùn)行方式的變化而動(dòng)態(tài)調(diào)優(yōu)，讓保護(hù)在最佳的參數(shù)下運(yùn)行，是電網(wǎng)安全運(yùn)行的有力保障。

由于井下電網(wǎng)基本上是由短線路級(jí)聯(lián)的變電所構(gòu)成的配電網(wǎng)，計(jì)算出的理論定值很難實(shí)現(xiàn)上下級(jí)整定值配合，從整定計(jì)算上就會(huì)出現(xiàn)越級(jí)跳閘的可能。所以煤礦電網(wǎng)的定值計(jì)算需要理論與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，做出局部讓步犧牲，換來(lái)電網(wǎng)的整體安全。通過(guò)短路計(jì)算，自上而下計(jì)算出各母線處的短路電流，確定各級(jí)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的保護(hù)整定值，再由下而上進(jìn)行整定值校驗(yàn)，使電流整定值盡量有合理的級(jí)差。除了電流整定值外時(shí)間級(jí)差也特別關(guān)鍵。為了能讓有限的時(shí)間分出更多的級(jí)差來(lái)，時(shí)間級(jí)差盡量減小，一般情況下可以減小到150毫秒，當(dāng)級(jí)差仍不夠時(shí)可減小到120毫秒?？傮w原則是盡可能保證靠近電源的上下級(jí)開(kāi)關(guān)有可靠的時(shí)間級(jí)差，可以犧牲末端的時(shí)間級(jí)差以盡量減小故障跳閘的停電范圍。

能耗管理是實(shí)現(xiàn)礦井綠色節(jié)能運(yùn)行的重要舉措。能耗管理分為能耗分類(lèi)統(tǒng)計(jì)與分析、大型機(jī)電設(shè)備的能效計(jì)算與分析以及供電系統(tǒng)節(jié)能分析與輔助決策等：能耗數(shù)據(jù)直接來(lái)自于綜合保護(hù)器，充分利用保護(hù)器同步采集電流、電壓的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行積分計(jì)算得到電能數(shù)據(jù)。電能數(shù)據(jù)可按管理單位或負(fù)荷類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，以報(bào)表、餅圖、曲線等可視化形式加以展示，對(duì)大型機(jī)電設(shè)備的電能消耗與實(shí)際出力進(jìn)行能耗和能效的大數(shù)據(jù)計(jì)算，并對(duì)能效進(jìn)行評(píng)估，形成評(píng)估報(bào)告。大數(shù)據(jù)分析評(píng)估包括兩個(gè)維度：一是該設(shè)備運(yùn)行以來(lái)的能耗和能效分析對(duì)比；二是同類(lèi)設(shè)備的能耗和能效分析對(duì)比[1-2]。據(jù)此并結(jié)合相關(guān)的功率因數(shù)、功率值等進(jìn)行分析，查找能效低下的原因，給出改進(jìn)建議。

總之，平臺(tái)充分利用新一代智能保護(hù)器、各類(lèi)智能傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，提高供電系統(tǒng)智能化程度，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的安全、高效、節(jié)能運(yùn)行。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

本智能供電云平臺(tái)在檸條塔礦部署實(shí)施。主要部署了混合云，主要數(shù)據(jù)和功能部署在私有云上，通過(guò)隔離網(wǎng)閘和防火墻，單向連接到公有云，公有云主要是對(duì)預(yù)警與告警事件、事故信息的管理，用于遠(yuǎn)程運(yùn)維。在私有云上部署的平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)了以下特色功能：

實(shí)時(shí)的全面感知。實(shí)現(xiàn)了對(duì)包括高性能智能化數(shù)字傳感器和新一代智能保護(hù)裝置在內(nèi)的各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接入，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)和電力設(shè)備運(yùn)行的全面感知；智能高效的實(shí)時(shí)監(jiān)控。平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了電力監(jiān)控的監(jiān)視和控制功能外，還實(shí)現(xiàn)了提交開(kāi)關(guān)操作申請(qǐng)、自動(dòng)流程審批、系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行操作指令，并自動(dòng)進(jìn)行電子掛牌；在線定值計(jì)算。平臺(tái)根據(jù)供電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的拓?fù)潢P(guān)系和錄入的變壓器、線纜、負(fù)荷參數(shù)等自動(dòng)進(jìn)行定值計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與檔案定值庫(kù)的運(yùn)行定值進(jìn)行校驗(yàn)。

電網(wǎng)擾動(dòng)分析。平臺(tái)依據(jù)規(guī)則自動(dòng)抓取電網(wǎng)擾動(dòng)數(shù)據(jù)，并以波形形式進(jìn)行展示。本期尚未對(duì)擾動(dòng)原因和預(yù)期結(jié)果進(jìn)行分析；能效管理。充分利用綜合保護(hù)器上傳的電量大數(shù)據(jù)進(jìn)行用電設(shè)備的橫向和縱向綜合分析，給出能效評(píng)估和節(jié)能評(píng)估與改進(jìn)建議，為用戶(hù)進(jìn)行節(jié)能減排和提高能效提供決策支持；健康診斷。結(jié)合設(shè)備故障特征建模和設(shè)備運(yùn)行大數(shù)據(jù)，對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備、控制網(wǎng)絡(luò)、保護(hù)整定值等進(jìn)行了診斷分析，并計(jì)算開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行趨勢(shì)、故障預(yù)知與故障演變，給出了評(píng)估結(jié)果，診斷結(jié)果具有較高可信度，可逐步過(guò)渡到開(kāi)關(guān)設(shè)備的狀態(tài)檢修模式。

綜上，通過(guò)工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)證，智能供電物聯(lián)云平臺(tái)充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了包括高性能智能化數(shù)字傳感器和新一代智能保護(hù)裝置在內(nèi)的各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接入，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)和電力設(shè)備運(yùn)行的全面感知，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)和電力設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和監(jiān)控，并通過(guò)對(duì)運(yùn)行大數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電設(shè)備的健康診斷和能耗分析，包括運(yùn)行趨勢(shì)計(jì)算、設(shè)備故障預(yù)知與故障演變等。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)對(duì)供電智能化、提高工作效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減少用工、提高礦井的節(jié)能運(yùn)行水平有極大幫助，是一個(gè)值得進(jìn)一步推廣和深化開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)。