八字嘴航運(yùn)樞紐智能物聯(lián)管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

鄧小剛，谷亞飛，張宏艷，李雪強(qiáng)，袁 宏，李 萌

（北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100038）

江西信江八字嘴航電樞紐工程包含主變壓器、廠用變壓器、35 kV 開(kāi)關(guān)柜、6 kV 開(kāi)關(guān)柜及0.4 kV 低壓成套配電裝置等中低壓配電系統(tǒng)，在系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行中，由于各種客觀原因易造成中低壓配電設(shè)備在安裝和投運(yùn)后的過(guò)程中出現(xiàn)電纜搭接處故障、母線故障、操作機(jī)構(gòu)故障、避雷器故障、變壓器故障、柜內(nèi)凝露問(wèn)題引發(fā)的絕緣閃絡(luò)故障、防火問(wèn)題、防盜等問(wèn)題，從而對(duì)設(shè)備本身的安全及電網(wǎng)的可靠運(yùn)行帶來(lái)了隱患，直接影響設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。該配電系統(tǒng)存在設(shè)備數(shù)量多、設(shè)備分布位置分散等特點(diǎn)，對(duì)水電行業(yè)傳統(tǒng)的人工巡檢運(yùn)維管理模式造成較大困難。 采用電力設(shè)備大數(shù)據(jù)智能物聯(lián)管控系統(tǒng)可以有效解決江西信江航運(yùn)樞紐工程遇到的上述問(wèn)題[2-5]。

1 總體架構(gòu)

智能物聯(lián)管控系統(tǒng)總體構(gòu)架采用“能源互聯(lián)網(wǎng)”理念構(gòu)筑端云融合、邊緣計(jì)算、端自治相結(jié)合的智能中低壓配電系統(tǒng)體系，基于智能物聯(lián)終端，采用硬件平臺(tái)化、功能模塊化方式以及人工智能技術(shù)，主要對(duì)中低壓配電系統(tǒng)設(shè)備信息進(jìn)行全采集，可以通過(guò)邊緣計(jì)算及內(nèi)置專家系統(tǒng)對(duì)中低壓配電系統(tǒng)信息優(yōu)先進(jìn)行本地化分析與決策，實(shí)現(xiàn)端邊云協(xié)同配合。設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1。

圖1 總體架構(gòu)圖

1.1 “智”層

“智”是“云”、“網(wǎng)”、“邊”、“端“的綜合判斷平臺(tái)，是整個(gè)系統(tǒng)“家長(zhǎng)”，負(fù)責(zé)通過(guò)下層的全部數(shù)據(jù)及分析結(jié)果判斷整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，提供系統(tǒng)運(yùn)行的決策結(jié)果，整系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測(cè)功能等。同時(shí)提供大數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)大數(shù)據(jù)急速查詢。

1.2 “云”層

基于系統(tǒng)私有大容量數(shù)據(jù)中心配置的云服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的配電系統(tǒng)全面信息化、智能化和微服務(wù)化，滿足需求快速響應(yīng)、應(yīng)用彈性擴(kuò)展、資源動(dòng)態(tài)分配、系統(tǒng)集約化運(yùn)維等要求。

1.3 “網(wǎng)”層

“網(wǎng)”是為“智”、“云”、“邊”、“端”數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃捎没旌螹ESH 通信網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)，完成電網(wǎng)海量信息的高效傳輸及存儲(chǔ)，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)“智云邊端＂的整體架構(gòu)，配電物聯(lián)網(wǎng)通信整體架構(gòu)主要包括：“邊”與“云”之間的通信；“端”與“邊”之間的通信；“端”與“云”之間的通信、“云”與“智”之間的通信、“云”與“云”之間的通信，“端”與“端”之間的通信六大類。

1.4 “邊”層

“邊”即邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，采用“硬件平臺(tái)＋內(nèi)置專家系統(tǒng)＋邊緣計(jì)算框架＋ 多功能數(shù)據(jù)篩選”的技術(shù)架構(gòu)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、分析、應(yīng)用核心能力，通過(guò)邊緣計(jì)算技術(shù)提高業(yè)務(wù)處理的實(shí)時(shí)性及便捷性、降低主站通信和計(jì)算的壓力。

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)中，邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)是“終端數(shù)據(jù)自組織，端云業(yè)務(wù)自協(xié)同” 的載體和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)終端硬件和軟件功能的解耦。對(duì)下，邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)與智能感知設(shè)備通過(guò)數(shù)據(jù)交換完成邊端協(xié)同，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全采集、全感知、全掌控、全分析、全預(yù)測(cè)；對(duì)上，邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)與物聯(lián)管控平臺(tái)實(shí)時(shí)全雙工交互關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)完成邊云協(xié)同，發(fā)揮云計(jì)算和邊緣計(jì)算的專長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)合理分工。

1.5 “端”層

“端＂層是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的感知層和執(zhí)行層，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)以及其它輔助信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集分析、設(shè)備狀態(tài)的分析、邊緣計(jì)算、設(shè)備未來(lái)故障概率，并執(zhí)行決策命令或就地控制，同時(shí)完成與電力客戶的友好互動(dòng)，有效滿足電網(wǎng)生產(chǎn)活動(dòng)和電力客戶服務(wù)需求。

2 設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目的電力設(shè)備大數(shù)據(jù)智能物聯(lián)管控系統(tǒng)借鑒了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)安排，按照“一個(gè)框架，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，三個(gè)云服”的思路設(shè)計(jì)，組成如下：

2.1 一個(gè)框架

框架，是一個(gè)系統(tǒng)的組成靈魂，是連接各個(gè)不同系統(tǒng)的基礎(chǔ)，我公司采用先進(jìn)的機(jī)器交互框架設(shè)計(jì)物聯(lián)系統(tǒng)。即M2M 框架結(jié)構(gòu)。M2M 是Machine-to-Machine/Man 的簡(jiǎn)稱，是一種以機(jī)器終端智能交互為核心的、網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用與服務(wù)。它將使對(duì)象實(shí)現(xiàn)智能化的控制。M2M 技術(shù)涉及5 個(gè)重要的技術(shù)部分：機(jī)器、M2M 硬件、通信網(wǎng)絡(luò)、中間件、應(yīng)用。基于云計(jì)算平臺(tái)和智能網(wǎng)絡(luò)，可以依據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行決策，改變對(duì)象的行為進(jìn)行控制和反饋。

2.2 兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)，由如人類的血管系統(tǒng)，其負(fù)擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾δ堋＞拖袢祟愑徐o脈和動(dòng)脈一樣，本項(xiàng)目的物聯(lián)管控系統(tǒng)也有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：傳感器網(wǎng)絡(luò)及通信網(wǎng)絡(luò)。

通信網(wǎng)絡(luò)：負(fù)擔(dān)設(shè)備的數(shù)據(jù)流傳輸，其采用多種通信方式組成混合的信息通信系統(tǒng)，一般情況，通信網(wǎng)絡(luò)采用有線和無(wú)線冗余設(shè)計(jì)方案，包含一種或多種通信功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定通信。

傳感器網(wǎng)絡(luò)：系統(tǒng)中傳感器是采集設(shè)備信息的的重要環(huán)節(jié)，也是物聯(lián)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，其以對(duì)象為目標(biāo)（面向?qū)ο螅?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析功能。

2.3 三個(gè)云服

（1）私有數(shù)據(jù)云

系統(tǒng)具備全部設(shè)備的全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，按照秒級(jí)存儲(chǔ)單元（物聯(lián)網(wǎng)存儲(chǔ)的約定存儲(chǔ)步進(jìn)）計(jì)算，數(shù)據(jù)云可存儲(chǔ) 5～10 年，并提供快速檢索服務(wù)系統(tǒng)，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。

（2）私有控制云

系統(tǒng)具備控制功能，可將判斷結(jié)果直接作用于設(shè)備，其所有控制邏輯及控制判別均在云控中心實(shí)現(xiàn)，組成單獨(dú)的云控制系統(tǒng)。例如，按照整體判斷邏輯實(shí)現(xiàn)控制風(fēng)機(jī)，水泵，保護(hù)等功能。同時(shí)系統(tǒng)具備分布式錄波裝置，可將故障波形存儲(chǔ)至控制云中以供專家系統(tǒng)決策機(jī)使用。

（3）私有巡檢云

電力設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)一般只重視數(shù)據(jù)的傳輸及數(shù)據(jù)的分析功能，項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)用戶需求，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)單獨(dú)增加了巡檢云服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備巡檢指導(dǎo)、巡檢簽到、巡檢記錄、巡檢分析功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 縱向大數(shù)據(jù)分析處理

智能物聯(lián)終端本體需具備縱向大數(shù)據(jù)終端分析功能，可將重要饋線回路的全部場(chǎng)景感知?dú)v史數(shù)據(jù)組成縱向數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行終端在線分析。實(shí)現(xiàn)重要饋線回路的數(shù)據(jù)分析，具備單點(diǎn)歷史大數(shù)據(jù)的分析判別能力。實(shí)現(xiàn)重要饋線回路運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)評(píng)級(jí)（優(yōu)、良、及格、差）及自適應(yīng)巡檢計(jì)算，并自動(dòng)生成狀態(tài)評(píng)估報(bào)告及存儲(chǔ)。評(píng)價(jià)時(shí)間精度不小于1 個(gè)月。 電力設(shè)備大數(shù)據(jù)智能物聯(lián)管控系統(tǒng)通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析及結(jié)果上傳，可將變壓器及開(kāi)關(guān)柜等被檢測(cè)器件的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并給出判別指導(dǎo)意見(jiàn)。

3.2 人工智能在線分析

智能物聯(lián)終端具備重要饋線回路判別專家智能模型，具備人工分析理論模型，可進(jìn)行類人分析，具備重要饋線回路在線狀態(tài)分析及判別功能，并輸出報(bào)告。

3.3 未來(lái)狀態(tài)預(yù)測(cè)

智能物聯(lián)終端具備通過(guò)以往的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律分析得出重要饋線回路的未來(lái)運(yùn)行狀態(tài)的功能，可計(jì)算得出未來(lái)設(shè)備出現(xiàn)故障的計(jì)算概率。智能物聯(lián)管控系統(tǒng)（MEMS）具備雙層未來(lái)預(yù)測(cè)功能，即MEMS預(yù)測(cè)功能及控制云預(yù)測(cè)功能。其中，MEMS 預(yù)測(cè)功能負(fù)責(zé)將設(shè)備的單場(chǎng)景數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果上傳至云服務(wù)平臺(tái)中，控制云預(yù)測(cè)功能則負(fù)責(zé)將全體設(shè)備的判斷結(jié)果進(jìn)行綜合分析并得出系統(tǒng)結(jié)論。

3.4 預(yù)警功能

電力設(shè)備大數(shù)據(jù)智能物聯(lián)管控系統(tǒng)及智能物聯(lián)終端具備多種預(yù)警功能：聲音超常規(guī)預(yù)警、行程超常規(guī)預(yù)警、環(huán)境超常規(guī)預(yù)警、狀態(tài)超常規(guī)預(yù)警等功能。

3.5 多渠道互聯(lián)

智能物聯(lián)終端具備WIFI、LORA、4G（可擴(kuò)展5G）等多種通信手段，可執(zhí)行數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)總站、數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)子站、數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)手機(jī)、數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信功能， 可實(shí)現(xiàn)終端間的智能設(shè)備組網(wǎng)。一般情況，通信網(wǎng)絡(luò)采用有線和無(wú)線冗余設(shè)計(jì)方案，包含一種或多種通信功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定通信。

3.6 分布式故障錄波及波形故障自識(shí)別

智能物聯(lián)終端能實(shí)現(xiàn)重要饋線回路故障錄波功能（如短路、接地、過(guò)電壓、過(guò)電流、負(fù)荷不平衡、分布式波形拾取、故障波形自識(shí)別等），可以實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)擴(kuò)散同步觸發(fā)功能，記錄系統(tǒng)故障前、后過(guò)程的各種電氣量的變化情況。具備采樣掉線及電源電線波形錄制功能。具備故障點(diǎn)波形自動(dòng)識(shí)別分析及故障判別功能。波形錄制圖（示意）如圖2。

3.7 組網(wǎng)及人機(jī)交互

智能物聯(lián)終端具備有線或局域無(wú)線通信功能，可通過(guò)有線或局域無(wú)線通信方式組建電力設(shè)備管控局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。電力設(shè)備大數(shù)據(jù)智能物聯(lián)管控系統(tǒng)所有采集數(shù)據(jù)可通過(guò)手機(jī)APP、觸摸屏、PC 機(jī)三種方式顯示，并通過(guò)這三方式對(duì)智能物聯(lián)終端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、聯(lián)動(dòng)控制，系統(tǒng)具備接入電站集控一體化平臺(tái)系統(tǒng)的能力， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互共享，考慮到網(wǎng)絡(luò)安全，數(shù)據(jù)檢測(cè)及智能運(yùn)算在智能物聯(lián)終端內(nèi)進(jìn)行，人機(jī)交互界面無(wú)需具備數(shù)據(jù)檢測(cè)及智能運(yùn)算能力。

云服務(wù)的設(shè)計(jì)方案為在數(shù)據(jù)服務(wù)器中架設(shè)三個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，并在矩陣服務(wù)器中分割相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)不同的云服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的云服務(wù)平臺(tái)功能。為使得海量數(shù)據(jù)可以迅速被找出，系統(tǒng)配備單獨(dú)的索引服務(wù)器。

4 結(jié)語(yǔ)

江西信江八字嘴航電樞紐工程成功采用了電力設(shè)備大數(shù)據(jù)智能物聯(lián)管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、環(huán)境參數(shù)以及其他輔助信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集，結(jié)合縱向大數(shù)據(jù)分析處理及運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估，對(duì)設(shè)備未來(lái)運(yùn)行狀況進(jìn)行評(píng)估、預(yù)測(cè)，避免運(yùn)維過(guò)程中受人為因素的影響造成誤判，保證電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，確保電站乃至整個(gè)樞紐的維護(hù)穩(wěn)定安全運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的智能巡檢及電力設(shè)備全場(chǎng)景分析功能。