基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安全風(fēng)險可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王明生

國能寧夏鴛鴦湖第一發(fā)電有限公司，寧夏 銀川 751400

0 引言

電力企業(yè)是國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電能的需求量不斷增加，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電廠管理方面迎來巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的電廠管理模式主要依靠人工，安全管理存在較多弊端，面對復(fù)雜繁瑣的業(yè)務(wù)，管理模式陳舊、靈活性差，在安全生產(chǎn)方面存在較多問題，電網(wǎng)在線監(jiān)測需要處理海量的數(shù)據(jù)信息。因此，迫切需要通過可視化管理技術(shù)解決電網(wǎng)發(fā)展過程中出現(xiàn)的瓶頸。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為代表的可視化系統(tǒng)在電廠管理中得到了廣泛應(yīng)用，通過傳感器可以采集電廠工作環(huán)境中的數(shù)據(jù)信息，借助無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸，利用計(jì)算機(jī)可以對海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行快速評估和處理。由此可見，智能化管理是電廠未來發(fā)展的主要方向。

1 可視化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀評價

可視化技術(shù)融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)等先進(jìn)的技術(shù)手段，通過更加直觀的方式讓管理者更加清晰的了解數(shù)據(jù)產(chǎn)生和變換的過程?，F(xiàn)階段，我國電網(wǎng)可視化管理技術(shù)的應(yīng)用包括數(shù)據(jù)的可視化管理、故障分析計(jì)算結(jié)果可視化、重要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)可視化管理，并且取得了一些成果。國家電網(wǎng)電力科學(xué)研究院研發(fā)的可視化管理系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)系統(tǒng)的分析和監(jiān)控，而且還可以為電力企業(yè)制定個性化的服務(wù)，電網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)信息，包括設(shè)備電壓、電流、設(shè)備荷載等。使用不同顏色區(qū)分電力設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的電壓數(shù)值，并且在地理接線圖上進(jìn)行色塊管理，讓管理者可以更加清晰的了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提升電網(wǎng)系統(tǒng)的故障預(yù)警能力。尤其是針對發(fā)電機(jī)和變壓器等重要設(shè)備，需要掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、負(fù)荷能力以及過載等信息，并且確保信息的時效性，能夠客觀反映電網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)和變壓器的運(yùn)行狀態(tài)[1]。我國電網(wǎng)系統(tǒng)可視化管理尚處在發(fā)展階段，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，可視化管理軟件應(yīng)用越來越廣泛，在實(shí)際應(yīng)用過程中存在一些問題待以解決。

1.1 可視化軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

軟件的整體框架針對性不強(qiáng)，受技術(shù)限制，軟件的功能擴(kuò)展、開源以及維護(hù)性方面變現(xiàn)力不足。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，軟件擴(kuò)充方面存在的弊端將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的升級，同時與第三方軟件進(jìn)行交互時也會受到框架的限制。

1.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不規(guī)范，通用性不強(qiáng)

現(xiàn)階段，我國關(guān)于電廠安全風(fēng)險可視化管理的軟件雖然種類繁多，但是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不規(guī)范，與其他軟件進(jìn)行交互或者為第三方應(yīng)用開放接口時會出現(xiàn)瓶頸，降低軟件的可移植性和擴(kuò)展性能，影響軟件的適用范圍。

1.3 缺乏數(shù)據(jù)整體宏觀分布表達(dá)

目前，我國電廠安全風(fēng)險可視化管理系統(tǒng)的應(yīng)用仍處于發(fā)展階段，軟件設(shè)計(jì)和功能尚不完善，可視化管理系統(tǒng)攜帶信息數(shù)量有限、圖形表現(xiàn)單一、人機(jī)交互界面表現(xiàn)力不足，文字標(biāo)注或者單一的列表無法生動形象的表達(dá)電網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的物理意義和特性，并且針對單個數(shù)據(jù)點(diǎn)，調(diào)度人員難以對系統(tǒng)的整體狀態(tài)進(jìn)行宏觀把握，無法快速比較不同位置的數(shù)據(jù)信息[2]。

2 電廠安全風(fēng)險可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的可視化管理已經(jīng)難以滿足電廠安全管理的需求，隨著可視化技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日趨成熟，功能也會越來越強(qiáng)大?？梢暬夹g(shù)與電力系統(tǒng)仿真模型相互結(jié)合，可以讓海量的數(shù)據(jù)信息更加具體的呈現(xiàn)出來，幫助電廠調(diào)度人員了解電廠設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，最大限度地降低管理成本。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電廠安全風(fēng)險可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用四層架構(gòu)：數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層、展現(xiàn)層。通過數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)集中式的數(shù)據(jù)存儲，把經(jīng)過清洗后的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行存儲和管理。在此基礎(chǔ)上，通過大數(shù)據(jù)服務(wù)組件，對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分析、歸類、整理、統(tǒng)計(jì)、展示。采用Spring Cloud微服務(wù)框架，建立抽象、松散耦合和粗粒度的軟件服務(wù)組件，每個組件獨(dú)立部署，擁有自己的運(yùn)行空間，組件之間通過RESTAPI方式進(jìn)行調(diào)用，可以最大程度保證平臺的靈活性和擴(kuò)展性。在應(yīng)用層面，與任務(wù)終端系統(tǒng)、掌上辦公系統(tǒng)鏈接，實(shí)現(xiàn)信息交互，從而使平臺具有即插即用、靈活擴(kuò)展的特性。在展現(xiàn)層，以平臺作為系統(tǒng)的統(tǒng)一門戶，所有與系統(tǒng)相關(guān)的信息都可以在平臺上信息交互。安全監(jiān)管人員通過監(jiān)控中心對作業(yè)現(xiàn)場和企業(yè)安全管理總體狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控[3]。

電廠安全風(fēng)險可視化系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)遵循實(shí)用性原則，需要滿足長期運(yùn)行時無故障發(fā)生，穩(wěn)定性和可靠性是確保電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行的前提?？梢暬到y(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用是為了降低人工勞動強(qiáng)度，提高電廠管理效率。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要考慮實(shí)用性原則，操作簡單，降低學(xué)習(xí)成本。系統(tǒng)中的應(yīng)用模塊采用獨(dú)立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確?？梢暬到y(tǒng)中的每一個應(yīng)用功能可以獨(dú)立運(yùn)行，如果遇到故障，不會影響其他功能的使用。此外，可視化系統(tǒng)的所有硬件、軟件在設(shè)計(jì)過程中需要具有足夠的容量和擴(kuò)展功能，能夠滿足系統(tǒng)的升級需求，在長期使用過程中確保軟件和硬件的持續(xù)更新。下面就對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電廠可視化系統(tǒng)功能進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 數(shù)據(jù)管理功能

電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)種類繁多，需要對產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類匯總，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電廠安全風(fēng)險可視化系統(tǒng)可以通過傳感器可以采集包括電廠設(shè)備溫度、周圍環(huán)境濕度、工作人員操作等重要的參數(shù)信息。安全監(jiān)控預(yù)警平臺周期性的與各個監(jiān)測點(diǎn)網(wǎng)關(guān)機(jī)箱內(nèi)通信，采集網(wǎng)關(guān)所在區(qū)域內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，數(shù)據(jù)采集完成后，預(yù)警系統(tǒng)對參數(shù)信息和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，計(jì)算出不同區(qū)域內(nèi)的安全等級，并建立安全檔案，對存在異常的狀態(tài)及時發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警信息[4]。

2.2 圖形繪制功能

電力安全風(fēng)險可視化系統(tǒng)的圖形繪制功能是將傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息以圖形和表格的形式呈現(xiàn)出來。將電廠設(shè)備的靜態(tài)信息、圖形信息、運(yùn)行狀態(tài)信息融合在一起，形成完備的，面向?qū)ο蟮目梢暬畔⒛Ｐ停瑸殡姀S自動化和智能化管理提供支撐。電廠安全風(fēng)險可視化系統(tǒng)的圖形繪制功能包括圖形文件的新建和保存，圖形操作實(shí)現(xiàn)同時打開多張圖形，可對當(dāng)前圖形文件進(jìn)行修改，保存以及打印，視圖操作可以實(shí)現(xiàn)對圖形尺寸的放大或者縮小，對圖元進(jìn)行復(fù)制、剪切、刪除等編輯，區(qū)域操作實(shí)現(xiàn)對選定的區(qū)域進(jìn)行移動、復(fù)制、保存和刪除。

2.3 圖形顯示功能

圖形顯示功能可以靜態(tài)或者動態(tài)顯示設(shè)備運(yùn)行的各種狀態(tài)信息，通過多種多樣的圖元表示電力系統(tǒng)實(shí)際設(shè)備和輔助顯示信息，增強(qiáng)顯示效果。通過現(xiàn)場傳感器可以采集外部環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息，并通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳，幫助電廠工作人員及時掌握現(xiàn)場情況，規(guī)避監(jiān)督盲區(qū)。電廠安全監(jiān)控預(yù)警平臺對作業(yè)人員身心健康、安全技能同樣具有顯著的監(jiān)督效果，對每項(xiàng)作業(yè)現(xiàn)場安全措施，包括開工許可、安全交底、預(yù)控措施執(zhí)行狀況進(jìn)行有效控制，一旦發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場出現(xiàn)風(fēng)險、或出現(xiàn)操作錯誤等，安全監(jiān)控預(yù)警平臺可以進(jìn)行預(yù)警，并且對工作結(jié)束后現(xiàn)場人員撤回、遺留工器具等其他安全隱患進(jìn)行有效監(jiān)督?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的安全風(fēng)險可視化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 可視化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)圖

與傳統(tǒng)的電廠安全風(fēng)險管理模式相比，可視化系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面更加迎合了用戶的實(shí)際需求，擁有更加豐富的應(yīng)用功能。按照找系統(tǒng)功能劃分為不同的子系統(tǒng)，每一個子系統(tǒng)包含眾多獨(dú)立的模塊。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)電廠安全風(fēng)險可視化系統(tǒng)應(yīng)用

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電廠安全風(fēng)險可視化系統(tǒng)通過正在電廠設(shè)備安裝傳感器的方式，監(jiān)測設(shè)備的工作狀態(tài)，并將發(fā)電設(shè)備的相關(guān)工作參數(shù)傳輸?shù)娇刂浦行模瑢?shí)現(xiàn)電廠設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測管理并進(jìn)行故障預(yù)警。電廠可視化管理的實(shí)施可以幫助管理者實(shí)時查看電廠工作環(huán)境的信息，設(shè)備的分布，可視化管理對于提升電廠智能化管理水平有很大的促進(jìn)作用。電網(wǎng)系統(tǒng)安全管理主要是指電力系統(tǒng)預(yù)防和抵御自然和人類活動的干擾破壞而維持向用戶供電的能力，影響因素涉及用電負(fù)荷、發(fā)電、輸電、一次設(shè)備、二次設(shè)備和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等[5]。電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含多個不同的子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)還包含多個下級子系統(tǒng)，這些下級子系統(tǒng)又含有多個不同的分支?？梢暬到y(tǒng)管理系統(tǒng)是全方位的采集電廠運(yùn)行狀態(tài)信息，提升管理水平和管理效率。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安全風(fēng)險可視化系統(tǒng)，通過風(fēng)險管理和可視化技術(shù)將電力企業(yè)的風(fēng)險等級降到最低。系統(tǒng)依托先進(jìn)的通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，在電網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，把采集到的數(shù)據(jù)信息和視頻信息傳輸?shù)焦芾聿块T的自動化監(jiān)控系統(tǒng)中，自動生成報警信息，更好的防控自然災(zāi)害。利用信息化網(wǎng)絡(luò)加大生產(chǎn)現(xiàn)場安全監(jiān)督的覆蓋范圍，在現(xiàn)有安全管理模式的基礎(chǔ)上，安裝現(xiàn)場信息采集系統(tǒng)，實(shí)時采集工作現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息并傳輸至電力綜合數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)工作現(xiàn)場可視化、實(shí)時管理，賦予權(quán)限的管理人員可以隨時進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題及時進(jìn)行糾正。設(shè)計(jì)保人身、保電網(wǎng)、保設(shè)備的安全措施要求做好后，傳回主管部門審核，主管部門在對視頻信息核對后進(jìn)行工作推送，安全監(jiān)督部門及技術(shù)主管部門有效結(jié)合，擴(kuò)大技術(shù)資源共享[6]。

通過作業(yè)現(xiàn)場可視化管理監(jiān)控系統(tǒng)，利用強(qiáng)大的這種綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)整合各個過程的信息數(shù)據(jù)，利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)就分析方法，分門別類深入分析電廠生產(chǎn)過程中存在的安全隱患并找出解決方法，提高現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險監(jiān)管力度，為各級監(jiān)察人員延伸監(jiān)察范圍，檢查點(diǎn)提供可能，也為后續(xù)的流程評價、個體評價、改進(jìn)提高和指導(dǎo)組織構(gòu)架和規(guī)章制度建設(shè)提供直觀的、可靠的數(shù)據(jù)支持。電力作業(yè)具有現(xiàn)場點(diǎn)多、面廣、分散，無法實(shí)時監(jiān)控多場景和施工進(jìn)度等特點(diǎn)，并且習(xí)慣性違章屢禁不止，無法及時發(fā)現(xiàn)違章作業(yè)和現(xiàn)場安全隱患。在現(xiàn)場通信和定位基礎(chǔ)上，通過智能安全帽，帶高清攝像頭及移動網(wǎng)絡(luò)，可精準(zhǔn)定位及錄像[7]。按照安全類型和安全級別對現(xiàn)場位置進(jìn)行劃分和定位，將每一位置所對應(yīng)的安全注意事項(xiàng)和危險預(yù)防措施與該位置設(shè)備所對應(yīng)的安全等級、注意事項(xiàng)、運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)等信息關(guān)聯(lián)起來，進(jìn)行安全內(nèi)容分解，建立主動安全數(shù)據(jù)庫。當(dāng)人員在現(xiàn)場進(jìn)行檢修工作時，到達(dá)相應(yīng)位置時，主動安全數(shù)據(jù)庫自動定位人員位置，并將附近正在進(jìn)行的運(yùn)行操作、檢修工作、當(dāng)前位置安全信息、風(fēng)險預(yù)控措施及歷史事故記錄等信息主動推送到人員攜帶的移動設(shè)備上，對現(xiàn)場工作人員進(jìn)行主動安全綜合信息提示，避免不必要的事故。

此外，系統(tǒng)通過傳感器可以采集包括電廠設(shè)備溫度、周圍環(huán)境濕度、工作人員操作等重要的參數(shù)信息。安全監(jiān)控預(yù)警平臺周期性的與各個監(jiān)測點(diǎn)網(wǎng)關(guān)機(jī)箱內(nèi)通信，采集網(wǎng)關(guān)所在區(qū)域內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，數(shù)據(jù)采集完成后，預(yù)警系統(tǒng)對參數(shù)信息和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，計(jì)算出不同區(qū)域內(nèi)的安全等級，并建立安全檔案，對存在異常的狀態(tài)及時發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警信息。通過本項(xiàng)目的實(shí)施，使電廠工作環(huán)境內(nèi)設(shè)備檢修以及安全管控水平大幅提升，可以提高監(jiān)督效率，解決電廠作業(yè)面分布廣、監(jiān)督檢查人員現(xiàn)場監(jiān)督檢查難度大的問題[8]。實(shí)現(xiàn)風(fēng)險的時空在線，讓多個工作任務(wù)與人員、地點(diǎn)以及現(xiàn)場場景聯(lián)動，多個任務(wù)風(fēng)險在線功能；實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員軌跡回放、查詢、考核等功能；解決了工作兩交清、開工、收工的過程管控；實(shí)現(xiàn)對作業(yè)人員進(jìn)行范圍管控，對跨越電子圍欄的人員實(shí)時報警，可以通過視頻、語音等方式干預(yù)人員行為。實(shí)現(xiàn)對人員開工前的身心健康、技能及培訓(xùn)“自我確認(rèn)”；對作業(yè)中人員違章、環(huán)境風(fēng)險等進(jìn)行視頻流直播，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)管理、風(fēng)險提前干預(yù)、跟蹤、制止等功能。

4 結(jié)語

綜上所述，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電廠安全風(fēng)險可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效提升了電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性，借助傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工巡檢，在降低工作強(qiáng)度的同時還能夠有效確保電廠能夠安全生產(chǎn)。可視化系統(tǒng)的實(shí)施，可以有效應(yīng)對日益龐大的電網(wǎng)系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)的檢修作業(yè)中存在的安全風(fēng)險和隱患，借助軟件分析進(jìn)行狀態(tài)評估和故障診斷，制定有效的維護(hù)措施，改善設(shè)備運(yùn)行狀況，全面提升電力企業(yè)安全管理水平。