面向電力抽水蓄能行業(yè)的智慧物聯(lián)體系技術(shù)研究

閻 峻，黃建德，蔣池劍，朱 佳，李雪強(qiáng)

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100032；2.華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 臺州 317200）

近年來，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)引起了全球廣泛關(guān)注，成為目前世界科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點。國內(nèi)“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要進(jìn)一步加強(qiáng)了對數(shù)字化發(fā)展、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字化轉(zhuǎn)型等的表述，規(guī)劃內(nèi)容也更明確集中。

當(dāng)前，抽水蓄能行業(yè)相關(guān)公司已建設(shè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)、生產(chǎn)實時系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)等，現(xiàn)有系統(tǒng)基本滿足抽水蓄能公司基建和生產(chǎn)運(yùn)行階段的業(yè)務(wù)需求，但各系統(tǒng)各自獨(dú)立部署，系統(tǒng)間缺少信息交互和應(yīng)用融合；同時還存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)重復(fù)錄入等問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)貫通、數(shù)據(jù)共享、狀態(tài)評價、業(yè)務(wù)協(xié)同及分析決策較為困難，不能滿足抽水蓄能公司業(yè)務(wù)集約化管理與電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)支撐的需求。

整體而言，抽水蓄能行業(yè)當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)建設(shè)缺乏頂層規(guī)劃，存在試點系統(tǒng)越來越多、系統(tǒng)孤島不斷增長的現(xiàn)象，存在重復(fù)投入研究、重復(fù)建設(shè)的情況。因此，有必要從抽水蓄能行業(yè)層面對各抽水蓄能電站的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行梳理分析，對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，以便更好地指導(dǎo)基建期、運(yùn)行期各抽水蓄能電站的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)，統(tǒng)籌各抽水蓄能電站的試點建設(shè)工作，以減少重復(fù)投資，降低后期運(yùn)維難度，提升項目建設(shè)效益，為基建期和運(yùn)行期基層員工減負(fù)。

1 抽水蓄能物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)設(shè)計

1.1 總體架構(gòu)分析

國家電網(wǎng)公司在各專業(yè)現(xiàn)有采集感知基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上，滿足公司戰(zhàn)略目標(biāo)落地和各專業(yè)業(yè)務(wù)發(fā)展需要，按照“精準(zhǔn)感知、邊緣智能、統(tǒng)一物聯(lián)、開放共享”的設(shè)計思路，借鑒互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)模式，提出智慧物聯(lián)體系“云管邊端”總體架構(gòu)[1]。

按照國網(wǎng)公司智慧物聯(lián)體系總體架構(gòu)，物聯(lián)管理平臺實現(xiàn)對各型邊緣物聯(lián)代理、采集終端等統(tǒng)一接入和數(shù)據(jù)采集，向企業(yè)中臺、業(yè)務(wù)系統(tǒng)等提供標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，且不長期存儲業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。即所有終端設(shè)備需通過物聯(lián)管理平臺進(jìn)行接入，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)需通過物聯(lián)管理平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和使用。目前電站中大量業(yè)務(wù)系統(tǒng)多已投入使用多年，從采集終端到業(yè)務(wù)應(yīng)用一體化部署，若采用總部互聯(lián)網(wǎng)部的智慧物聯(lián)體系建設(shè)方案，會存在2方面主要問題。

1）現(xiàn)有運(yùn)行的業(yè)務(wù)系統(tǒng)部分功能會被物聯(lián)管理平臺替代，各業(yè)務(wù)應(yīng)用需基于物聯(lián)管理平臺進(jìn)行開發(fā)，會導(dǎo)致各業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)商建設(shè)的積極性降低。

除夕這一天，達(dá)斡爾民族還有擺靈位 （Aor-Jugebe）的習(xí)俗。當(dāng)年若哪家長輩逝世了，從當(dāng)年算起連續(xù)三個春節(jié)從農(nóng)歷三十至正月初三，要擺放已故長輩的靈位。靈位擺放在南炕的炕頭，這個位置是長輩住的位置，在這個位置上要把干干凈凈的被褥枕頭鋪好，一旁擺著的小桌子上要放置煙袋、酒、糕點和水果等物品。從農(nóng)歷三十晚上到正月初三，本村和遠(yuǎn)方親朋來家中拜年，首先要給靈位嗑頭、敬酒、獻(xiàn)煙。

2）物聯(lián)管理平臺需承擔(dān)現(xiàn)有多個專業(yè)系統(tǒng)的軟件功能，包括設(shè)備配置、參數(shù)設(shè)置、通信設(shè)置等，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行多年，物聯(lián)管理平臺重新開發(fā)相關(guān)功能需投入大量人力，并需經(jīng)過穩(wěn)定運(yùn)行檢驗，投資和時間成本較大。

基于以上原因，設(shè)計并開發(fā)面向抽水蓄能物聯(lián)網(wǎng)平臺定位于電站級統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心，通過兼容現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯聚，為數(shù)據(jù)共享共用奠定基礎(chǔ)，可采用物聯(lián)網(wǎng)平臺直接接入采集數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)平臺集成業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)2種方式，以達(dá)到不改變現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行方式，逐步實現(xiàn)物聯(lián)接入的目的。在不改造已有業(yè)務(wù)系統(tǒng)的情況下，物聯(lián)網(wǎng)平臺采用通過數(shù)據(jù)交換接口的方式或直接讀取數(shù)據(jù)庫的方式[2-5]，實現(xiàn)已有業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯聚。基于物聯(lián)管理平臺和一體化管控平臺構(gòu)建電站統(tǒng)一設(shè)備運(yùn)行管理數(shù)據(jù)匯聚中心，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息集中存儲管理，以及構(gòu)建跨業(yè)務(wù)系統(tǒng)的智能業(yè)務(wù)應(yīng)用。針對配置加密芯片的無線采集節(jié)點（匯聚節(jié)點），通過安全接入網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

針對新建及改造業(yè)務(wù)系統(tǒng)，引入邊緣物聯(lián)代理和安全接入網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行終端設(shè)備接入，以滿足國網(wǎng)公司電力物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)安全接入要求，具體接入情況如下。

1）采集節(jié)點通過無線局域網(wǎng)方式通信，需通過邊緣物聯(lián)代理和安全接入網(wǎng)關(guān)，接入業(yè)務(wù)系統(tǒng)或物聯(lián)管理平臺。

2）集節(jié)點通過4G方式通信，需配置專用的接入點（APN）SIM卡，且需在電站側(cè)租用運(yùn)營商的電力專用APN通道，通過APN網(wǎng)絡(luò)接入邊緣物聯(lián)代理，并通過安全接入網(wǎng)關(guān)接入業(yè)務(wù)系統(tǒng)或物聯(lián)管理平臺。

3）對于全程有線方式，可直接接入業(yè)務(wù)系統(tǒng)或物聯(lián)管理平臺。

1.2 抽水蓄能物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計

抽水蓄能行業(yè)智慧物聯(lián)體系基本架構(gòu)[6]包括4個邏輯層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 總體框架

1.2.1 感知層

針對以上問題，需開展感知終端、智能業(yè)務(wù)終端、邊緣物聯(lián)代理等的部署應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)在多種場合滿足基建、運(yùn)行、經(jīng)營管理等環(huán)節(jié)信息獲取的實時性、準(zhǔn)確性、全面性等要求，為各項電站生產(chǎn)運(yùn)營的規(guī)范化管理能力提供有效支撐。

抽蓄電站業(yè)務(wù)終端包括測控類智能業(yè)務(wù)終端、監(jiān)測類智能業(yè)務(wù)終端，以及無人機(jī)、機(jī)器人、智能攝像頭等。

1）測控類智能業(yè)務(wù)終端。主要包括抽蓄電廠監(jiān)控裝置、自動發(fā)電控制/自動電壓控制裝置（AGC/AVC裝置）、調(diào)速裝置、勵磁裝置、測速裝置、振擺保護(hù)裝置等，完成對抽蓄電廠機(jī)組、開關(guān)站、公用和閘門等監(jiān)控對象的運(yùn)行工況信息的測量與控制，將相應(yīng)的工況信息發(fā)送給計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并接受監(jiān)控系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)指令，控制相應(yīng)的執(zhí)行元件調(diào)節(jié)水輪機(jī)組的運(yùn)行情況，保證電站按照調(diào)控安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2）監(jiān)測類智能業(yè)務(wù)終端。包括智能數(shù)據(jù)采集裝置、一體化無線傳感采集終端及低功耗無線采集終端。按專業(yè)又可分為發(fā)電設(shè)備監(jiān)測終端、水情測報終端、大壩安全監(jiān)測終端等，主要用于對抽蓄電站機(jī)組設(shè)備狀態(tài)、水情、雨情、氣象及大壩安全監(jiān)測類傳感器的自動化采集，將數(shù)據(jù)通過有線或無線的方式發(fā)送給相應(yīng)的機(jī)組在線監(jiān)測、水情測報、大壩安全監(jiān)測等軟件業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

3）無人機(jī)。隨著無人機(jī)技術(shù)的成熟及成本的降低，無人機(jī)已越來越多地在電力行業(yè)應(yīng)用到電力巡線、線路架設(shè)、異物除障、線路規(guī)劃和三維建模等各領(lǐng)域。

在基建期、運(yùn)行期的電站，都存在室外環(huán)境復(fù)雜等問題，通過無人機(jī)開展室外環(huán)境的巡查工作，具有機(jī)動靈活、自主飛行、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢。通過無人機(jī)的應(yīng)用，可不受惡劣天氣影響，隨時巡航，有利于增加重點區(qū)域的巡檢次數(shù)。適合在復(fù)雜環(huán)境執(zhí)行任務(wù)，通過機(jī)載高清拍攝設(shè)備，可定期對電站各室外環(huán)境進(jìn)行重點排查。同時，通過配置定制的掛載裝置，拓展無人機(jī)的使用場景。降低巡檢工作人員的巡檢工作強(qiáng)度，提高巡檢效率，提升工作體驗。

4）智能巡檢機(jī)器人。抽水蓄能電站全廠設(shè)備分布在上下庫、地下廠房、開關(guān)站等位置，分布區(qū)域廣，設(shè)備形式多樣，電氣環(huán)境、地理環(huán)境差別較大，平常主要通過運(yùn)行人員進(jìn)行日常及精細(xì)巡檢，巡檢任務(wù)重，人力成本高，易存在巡視盲點，利用智能巡檢機(jī)器人極強(qiáng)的復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力、人工智能算法，可以大幅降低巡檢的人力成本，提高對設(shè)備健康狀態(tài)的持續(xù)、科學(xué)的大數(shù)據(jù)分析，提升設(shè)備狀態(tài)評估及預(yù)測的精度。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的中間環(huán)節(jié)，是架設(shè)在感知層與平臺層之間的橋梁，主要負(fù)責(zé)信息接入、傳輸與承載。

在抽蓄電站物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中，部署在現(xiàn)場的各類業(yè)務(wù)終端應(yīng)因地制宜，選擇合適的（有線/無線）本地通信方式連接到邊緣物聯(lián)代理。邊緣物聯(lián)代理可經(jīng)有線、無線專網(wǎng)或經(jīng)無線公網(wǎng)等遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)，最終接入平臺層的物聯(lián)管理平臺。

因各電站建成時期不同，導(dǎo)致各電站在建設(shè)時的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃情況各不相同。且電站建成后，由于廠區(qū)洞室環(huán)境的復(fù)雜性，很難進(jìn)行有線網(wǎng)絡(luò)（工業(yè)以太網(wǎng)）的新增鋪設(shè)。隨著機(jī)器人、移動終端、無線傳感等技術(shù)應(yīng)用需求的激增，網(wǎng)絡(luò)通信成為了制約新型技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的瓶頸。

本地通信網(wǎng)絡(luò)在原有工業(yè)以太網(wǎng)、RS-485等有線接入網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，重點開展LoRa、ZigBee等無線通信技術(shù)的應(yīng)用，滿足各類無線傳感器的接入需求。

遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)在原有光纖傳輸網(wǎng)的基礎(chǔ)上，重點開展4G/5G公網(wǎng)、NB-IoT、電力無線專網(wǎng)等無線通信技術(shù)的應(yīng)用，滿足邊緣物聯(lián)代理、機(jī)器人、無人機(jī)等終端的接入需求。

1.2.3 平臺層

通過將物聯(lián)管理平臺（具備模型管理、連接管理、設(shè)備管理、消息處理、能力開放、應(yīng)用管理）與一體化管控平臺融合，形成物聯(lián)數(shù)據(jù)中心，使其具備標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)接入和業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入2種能力，以支撐已有業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入和新建（改造）業(yè)務(wù)場景數(shù)據(jù)接入，建成電站級數(shù)據(jù)中心滿足數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、共享共用的建設(shè)目標(biāo)。

根據(jù)國網(wǎng)公司智慧物聯(lián)體系的要求，物聯(lián)管理平臺實現(xiàn)對各型邊緣物聯(lián)代理、采集終端等設(shè)備的統(tǒng)一在線管理和遠(yuǎn)程運(yùn)維，應(yīng)具備6大功能：模型管理、連接管理、設(shè)備管理、消息處理、能力開發(fā)和應(yīng)用管理。

其中物聯(lián)管理平臺的“應(yīng)用管理”，包括應(yīng)用包及配置文件上傳、應(yīng)用上架發(fā)布、應(yīng)用狀態(tài)查詢及管理、應(yīng)用升級、容器和APP下發(fā)安裝、應(yīng)用業(yè)務(wù)配置等。具體而言，即對邊緣物理代理中APP的在線更新和遠(yuǎn)程運(yùn)維。

此外，物聯(lián)數(shù)據(jù)中心還具備數(shù)據(jù)清洗轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析計算、數(shù)據(jù)共享分發(fā)和數(shù)據(jù)可視化、門戶網(wǎng)站和業(yè)務(wù)應(yīng)用管理等功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)從采集到應(yīng)用的全流程管控，即具備數(shù)據(jù)中心的全部功能。

1.2.4 應(yīng)用架構(gòu)

構(gòu)建數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)模型、能力開放和人機(jī)交互等在內(nèi)的基礎(chǔ)支撐能力。基于基礎(chǔ)支撐能力，圍繞建設(shè)需求，開展基建工程應(yīng)用、運(yùn)維檢修應(yīng)用、水工管理應(yīng)用、綜合安全管理應(yīng)用和安全業(yè)務(wù)應(yīng)用等。

2 結(jié)束語

本文提出了電力抽水蓄能行業(yè)智慧物聯(lián)體系架構(gòu)，通過總體架構(gòu)分析與設(shè)計，構(gòu)建出數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、數(shù)據(jù)全面共享、設(shè)備統(tǒng)一控制的電力抽水蓄能物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)體系，滿足了多樣化的電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)貫通、數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)協(xié)同”的目標(biāo)。

針對當(dāng)前抽蓄電站的業(yè)務(wù)現(xiàn)狀及未來業(yè)務(wù)發(fā)展的需求，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)以數(shù)據(jù)接入和共享為出發(fā)點，以提高企業(yè)經(jīng)營效率、發(fā)揮數(shù)據(jù)價值為目標(biāo)，應(yīng)分以下2個階段開展抽蓄電站物聯(lián)網(wǎng)各項應(yīng)用的建設(shè)和發(fā)展。

第一階段通過選取需求比較迫切的建設(shè)場景，開展物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)建設(shè)試點，積累建設(shè)經(jīng)驗，再逐步向各業(yè)務(wù)需求拓展，避免大面積展開造成投資浪費(fèi)。

第二階段擬以建設(shè)電站數(shù)據(jù)中心為目標(biāo)，通過增量終端的建設(shè)，逐步實現(xiàn)新增終端通過邊緣物聯(lián)代理和物聯(lián)管理平臺，通過業(yè)務(wù)系統(tǒng)接入，實現(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化接入?yún)R聚。從而實現(xiàn)電站主要業(yè)務(wù)系統(tǒng)（主機(jī)及輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、大壩安全監(jiān)測、工器具、人員定位等）的數(shù)據(jù)匯聚和規(guī)范管理，并基于數(shù)據(jù)平臺開展智能業(yè)務(wù)應(yīng)用的開發(fā)。

目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用建設(shè)，在抽水蓄能公司仍處于初期階段，具有較大的提升和應(yīng)用空間，通過不斷加強(qiáng)終端接入、數(shù)據(jù)共享、應(yīng)用創(chuàng)新，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將極大提升電站數(shù)字化、智能化水平，提升抽水蓄能電站建設(shè)運(yùn)行管理水平。