鄧小剛，谷亞飛，張宏艷，李雪強，袁 宏，李 萌

（北京中水科水電科技開發(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 開關柜、6 kV 開關柜及0.4 kV 低壓成套配電裝置等中低壓配電系統(tǒng)，在系統(tǒng)長期運行中，由于各種客觀原因易造成中低壓配電設備在安裝和投運后的過程中出現(xiàn)電纜搭接處故障、母線故障、操作機構故障、避雷器故障、變壓器故障、柜內(nèi)凝露問題引發(fā)的絕緣閃絡故障、防火問題、防盜等問題，從而對設備本身的安全及電網(wǎng)的可靠運行帶來了隱患，直接影響設備的安全穩(wěn)定運行[1]。該配電系統(tǒng)存在設備數(shù)量多、設備分布位置分散等特點，對水電行業(yè)傳統(tǒng)的人工巡檢運維管理模式造成較大困難。 采用電力設備大數(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樞紐工程遇到的上述問題[2-5]。

1 總體架構

智能物聯(lián)管控系統(tǒng)總體構架采用“能源互聯(lián)網(wǎng)”理念構筑端云融合、邊緣計算、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，采用硬件平臺化、功能模塊化方式以及人工智能技術，主要對中低壓配電系統(tǒng)設備信息進行全采集，可以通過邊緣計算及內(nèi)置專家系統(tǒng)對中低壓配電系統(tǒng)信息優(yōu)先進行本地化分析與決策，實現(xiàn)端邊云協(xié)同配合。設計系統(tǒng)總體架構如圖1。

圖1 總體架構圖

1.1 “智”層

“智”是“云”、“網(wǎng)”、“邊”、“端“的綜合判斷平臺，是整個系統(tǒng)“家長”，負責通過下層的全部數(shù)據(jù)及分析結(jié)果判斷整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，提供系統(tǒng)運行的決策結(jié)果，整系統(tǒng)狀態(tài)預測功能等。同時提供大數(shù)據(jù)可視化平臺，實現(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)中心配置的云服務平臺，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)架構下的配電系統(tǒng)全面信息化、智能化和微服務化，滿足需求快速響應、應用彈性擴展、資源動態(tài)分配、系統(tǒng)集約化運維等要求。

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?，采用混合MESH 通信網(wǎng)的技術架構，完成電網(wǎng)海量信息的高效傳輸及存儲，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)“智云邊端＂的整體架構，配電物聯(lián)網(wǎng)通信整體架構主要包括：“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”即邊緣計算節(jié)點，采用“硬件平臺＋內(nèi)置專家系統(tǒng)＋邊緣計算框架＋ 多功能數(shù)據(jù)篩選”的技術架構，融合網(wǎng)絡、計算、存儲、分析、應用核心能力，通過邊緣計算技術提高業(yè)務處理的實時性及便捷性、降低主站通信和計算的壓力。

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構中，邊緣計算節(jié)點是“終端數(shù)據(jù)自組織，端云業(yè)務自協(xié)同” 的載體和關鍵環(huán)節(jié)，實現(xiàn)終端硬件和軟件功能的解耦。對下，邊緣計算節(jié)點與智能感知設備通過數(shù)據(jù)交換完成邊端協(xié)同，實現(xiàn)數(shù)據(jù)全采集、全感知、全掌控、全分析、全預測；對上，邊緣計算節(jié)點與物聯(lián)管控平臺實時全雙工交互關鍵運行數(shù)據(jù)完成邊云協(xié)同，發(fā)揮云計算和邊緣計算的專長，實現(xiàn)合理分工。

1.5 “端”層

“端＂層是物聯(lián)網(wǎng)架構中的感知層和執(zhí)行層，實現(xiàn)配電網(wǎng)的運行狀態(tài)、設備狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)以及其它輔助信息等基礎數(shù)據(jù)的采集分析、設備狀態(tài)的分析、邊緣計算、設備未來故障概率，并執(zhí)行決策命令或就地控制，同時完成與電力客戶的友好互動，有效滿足電網(wǎng)生產(chǎn)活動和電力客戶服務需求。

2 設計方案

本項目的電力設備大數(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)的架構安排，按照“一個框架，兩個網(wǎng)絡，三個云服”的思路設計，組成如下：

2.1 一個框架

框架，是一個系統(tǒng)的組成靈魂，是連接各個不同系統(tǒng)的基礎，我公司采用先進的機器交互框架設計物聯(lián)系統(tǒng)。即M2M 框架結(jié)構。M2M 是Machine-to-Machine/Man 的簡稱，是一種以機器終端智能交互為核心的、網(wǎng)絡化的應用與服務。它將使對象實現(xiàn)智能化的控制。M2M 技術涉及5 個重要的技術部分：機器、M2M 硬件、通信網(wǎng)絡、中間件、應用?；谠朴嬎闫脚_和智能網(wǎng)絡，可以依據(jù)傳感器網(wǎng)絡獲取的數(shù)據(jù)進行決策，改變對象的行為進行控制和反饋。

2.2 兩個網(wǎng)絡

網(wǎng)絡，由如人類的血管系統(tǒng)，其負擔數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾δ?。就像人類有靜脈和動脈一樣，本項目的物聯(lián)管控系統(tǒng)也有兩個網(wǎng)絡系統(tǒng)：傳感器網(wǎng)絡及通信網(wǎng)絡。

通信網(wǎng)絡：負擔設備的數(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)絡采用有線和無線冗余設計方案，包含一種或多種通信功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定通信。

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

2.3 三個云服

（1）私有數(shù)據(jù)云

系統(tǒng)具備全部設備的全息數(shù)據(jù)存儲功能，按照秒級存儲單元（物聯(lián)網(wǎng)存儲的約定存儲步進）計算，數(shù)據(jù)云可存儲 5～10 年，并提供快速檢索服務系統(tǒng)，方便進行數(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)果直接作用于設備，其所有控制邏輯及控制判別均在云控中心實現(xiàn)，組成單獨的云控制系統(tǒng)。例如，按照整體判斷邏輯實現(xiàn)控制風機，水泵，保護等功能。同時系統(tǒng)具備分布式錄波裝置，可將故障波形存儲至控制云中以供專家系統(tǒng)決策機使用。

（3）私有巡檢云

電力設備物聯(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，項目設計時根據(jù)用戶需求，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)單獨增加了巡檢云服務系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備巡檢指導、巡檢簽到、巡檢記錄、巡檢分析功能。

3 關鍵技術

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景感知歷史數(shù)據(jù)組成縱向數(shù)據(jù)鏈進行終端在線分析。實現(xiàn)重要饋線回路的數(shù)據(jù)分析，具備單點歷史大數(shù)據(jù)的分析判別能力。實現(xiàn)重要饋線回路運行狀態(tài)動態(tài)評級（優(yōu)、良、及格、差）及自適應巡檢計算，并自動生成狀態(tài)評估報告及存儲。評價時間精度不小于1 個月。 電力設備大數(shù)據(jù)智能物聯(lián)管控系統(tǒng)通過傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析及結(jié)果上傳，可將變壓器及開關柜等被檢測器件的歷史數(shù)據(jù)進行分析并給出判別指導意見。

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，并輸出報告。

3.3 未來狀態(tài)預測

智能物聯(lián)終端具備通過以往的數(shù)據(jù)進行規(guī)律分析得出重要饋線回路的未來運行狀態(tài)的功能，可計算得出未來設備出現(xiàn)故障的計算概率。智能物聯(lián)管控系統(tǒng)（MEMS）具備雙層未來預測功能，即MEMS預測功能及控制云預測功能。其中，MEMS 預測功能負責將設備的單場景數(shù)據(jù)預測結(jié)果上傳至云服務平臺中，控制云預測功能則負責將全體設備的判斷結(jié)果進行綜合分析并得出系統(tǒng)結(jié)論。

3.4 預警功能

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

3.5 多渠道互聯(lián)

智能物聯(lián)終端具備WIFI、LORA、4G（可擴展5G）等多種通信手段，可執(zhí)行數(shù)據(jù)點對數(shù)據(jù)總站、數(shù)據(jù)點對數(shù)據(jù)子站、數(shù)據(jù)點對手機、數(shù)據(jù)點對點的通信功能， 可實現(xiàn)終端間的智能設備組網(wǎng)。一般情況，通信網(wǎng)絡采用有線和無線冗余設計方案，包含一種或多種通信功能，實現(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別

智能物聯(lián)終端能實現(xiàn)重要饋線回路故障錄波功能（如短路、接地、過電壓、過電流、負荷不平衡、分布式波形拾取、故障波形自識別等），可以實現(xiàn)故障點擴散同步觸發(fā)功能，記錄系統(tǒng)故障前、后過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。具備故障點波形自動識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)及人機交互

智能物聯(lián)終端具備有線或局域無線通信功能，可通過有線或局域無線通信方式組建電力設備管控局域網(wǎng)絡系統(tǒng)。電力設備大數(shù)據(jù)智能物聯(lián)管控系統(tǒng)所有采集數(shù)據(jù)可通過手機APP、觸摸屏、PC 機三種方式顯示，并通過這三方式對智能物聯(lián)終端進行參數(shù)設置、聯(lián)動控制，系統(tǒng)具備接入電站集控一體化平臺系統(tǒng)的能力， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互共享，考慮到網(wǎng)絡安全，數(shù)據(jù)檢測及智能運算在智能物聯(lián)終端內(nèi)進行，人機交互界面無需具備數(shù)據(jù)檢測及智能運算能力。

云服務的設計方案為在數(shù)據(jù)服務器中架設三個單獨的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并在矩陣服務器中分割相應的數(shù)據(jù)存儲空間。每個數(shù)據(jù)庫對應不同的云服務平臺，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的云服務平臺功能。為使得海量數(shù)據(jù)可以迅速被找出，系統(tǒng)配備單獨的索引服務器。

4 結(jié)語

江西信江八字嘴航電樞紐工程成功采用了電力設備大數(shù)據(jù)智能物聯(lián)管控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對電力設備的運行參數(shù)、設備參數(shù)、環(huán)境參數(shù)以及其他輔助信息等基礎數(shù)據(jù)的采集，結(jié)合縱向大數(shù)據(jù)分析處理及運行狀態(tài)評估，對設備未來運行狀況進行評估、預測，避免運維過程中受人為因素的影響造成誤判，保證電力設備安全穩(wěn)定運行，確保電站乃至整個樞紐的維護穩(wěn)定安全運行，同時實現(xiàn)電力設備的智能巡檢及電力設備全場景分析功能。