基于大數(shù)據(jù)的智能供電物聯(lián)云平臺研發(fā)

陜煤集團神木檸條塔礦業(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算機軟硬件技術(shù)的限制，這些平臺大都是在離散的海量數(shù)據(jù)中，艱難地進行簡單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析計算。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)云平臺成為可能。

煤礦智能供電物聯(lián)云平臺是利用人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等現(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裝置，對供電系統(tǒng)與電力設(shè)備進行特征建模、關(guān)聯(lián)分析、預(yù)測與控制，包括智能數(shù)據(jù)分析、智能負荷的變化感知、智能設(shè)備診斷與運行趨勢計算、設(shè)備故障預(yù)知與故障演變、運行環(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、實時互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動態(tài)預(yù)測、協(xié)同控制的智能管控系統(tǒng)，最終達到電網(wǎng)安全、高效、經(jīng)濟運行的目的。

1 總體方案設(shè)計

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/集團級/煤礦級的三級應(yīng)用架構(gòu)，不同的授權(quán)用戶進入不同的數(shù)據(jù)展示應(yīng)用層級；其中僅僅有煤礦級數(shù)據(jù)展示層的應(yīng)用系統(tǒng)，是系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺；智能業(yè)務(wù)層按功能劃分為平臺層和應(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)云平臺的核心，實現(xiàn)從電源端到用電設(shè)備的全面感知、智能監(jiān)控、安全運轉(zhuǎn)、動態(tài)優(yōu)化以及診斷預(yù)警、高效運維等功能。

智能采集層分為感知層和傳輸層，智能采集層通過智能保護裝置，采集電流電壓等電氣量及其突變量、開關(guān)動作時間等等；通過雙光譜攝像儀采集視頻和溫度信息；通過智能化數(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、振動等信息，并通過高效的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MQTT將相關(guān)信息同步上傳平臺，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單級的系統(tǒng)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺，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監(jiān)視和事項報警等，具備多種協(xié)議、海量設(shè)備的接入的能力。

2 基礎(chǔ)平臺設(shè)計及功能設(shè)計

系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺是系統(tǒng)最精簡的運行模式。系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺是一個基于B/S架構(gòu)的、具備高可用性的物聯(lián)網(wǎng)平臺。平臺依托現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)煤礦電網(wǎng)中從供電設(shè)備到用電設(shè)備的靈活接入；實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進行實時分析并為其他數(shù)據(jù)平臺提供數(shù)據(jù)共享融合接口；平臺通過規(guī)范化的數(shù)據(jù)接入和數(shù)據(jù)的自描述，實現(xiàn)了平臺設(shè)備與傳感設(shè)備的無關(guān)性；基礎(chǔ)平臺采用大數(shù)據(jù)架構(gòu)，支持實時數(shù)據(jù)庫、流計算、分布式存儲和高可用性。

基礎(chǔ)平臺采用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)建模和界面組態(tài)的思想，通過設(shè)備數(shù)據(jù)的自描述，實現(xiàn)了平臺設(shè)備與個性化的傳感設(shè)備的無關(guān)性，讓平臺應(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)。

平臺在實現(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)備的自動綁定的同時，也有基于規(guī)則的數(shù)據(jù)處理，事件驅(qū)動機制，具備實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，并可通過通訊協(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蟮耐負渥詣由傻慕M態(tài)工具集成到平臺中，為應(yīng)用層提供拓撲組態(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)平臺構(gòu)成框圖

平臺實現(xiàn)了設(shè)備故障特征建模，根據(jù)設(shè)備故障特征進行設(shè)備的健康狀況評價，并通過大數(shù)據(jù)進行設(shè)備運行趨勢計算和狀態(tài)預(yù)判，在實現(xiàn)過程中重點檢測的模型屬性信息包括：溫度及其在相同電流下的變化趨勢、開關(guān)動作時間及其變化趨勢、震動及其變化趨勢等；平臺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裝置，新一代智能保護裝置除滿足選擇性、速動性、靈敏性和可靠性四個基本要求外，還具有各種智能裝置的功能：就地聯(lián)動、電氣量突變檢測、開關(guān)動作速度檢測、智能設(shè)備接入與控制、視頻接入等。

功能設(shè)計上，平臺不僅包含了電力監(jiān)控系統(tǒng)的全部功能，還設(shè)計了電網(wǎng)運行方式自動跟蹤、通過大數(shù)據(jù)分析的設(shè)備健康診斷與能耗及節(jié)能分析、定值動態(tài)計算和自適應(yīng)等（圖2）。

圖2 功能配置圖

實時監(jiān)控方面，要能夠進行應(yīng)急聯(lián)動，以便滿足諸如瓦斯超限、異地斷電的要求；還要能進行一鍵式快速恢復(fù)送電，特別是對局扇的控制，更需要爭分奪秒地趕在瓦斯積聚前恢復(fù)送電。通過平臺規(guī)則的應(yīng)用，實現(xiàn)安全快捷操作。電網(wǎng)擾動及電能質(zhì)量的分析對電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行意義重大，也是智能平臺要解決的問題。系統(tǒng)在探測到電網(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，把一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)進行密采、形成曲線，并對曲線特征進行大數(shù)據(jù)分析，深挖原因、給出處理意見。對電壓電流畸變特征進行分析，及時發(fā)現(xiàn)電壓電流的畸變并進行各次諧波含量分析，并給出諧波治理方案。

開關(guān)設(shè)備、機電設(shè)備的健康診斷在少人化、無人化的今天也特別有意義。開關(guān)設(shè)備和機電設(shè)備都要進行定期檢修，檢修期間停電、停產(chǎn)，全員上陣、耗費了大量的人力物力，也影響了煤產(chǎn)量。通過對設(shè)備運行大數(shù)據(jù)的分析進行實時設(shè)備健康診斷，包括運行趨勢計算、設(shè)備故障預(yù)知與故障演變等，找出設(shè)備演化趨勢，進行閥值報警和趨勢報警，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，保護定值也是影響電網(wǎng)安全的重要因素。采用在線式定值計算和校驗，實現(xiàn)定值隨電網(wǎng)運行方式的變化而動態(tài)調(diào)優(yōu)，讓保護在最佳的參數(shù)下運行，是電網(wǎng)安全運行的有力保障。

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

能耗管理是實現(xiàn)礦井綠色節(jié)能運行的重要舉措。能耗管理分為能耗分類統(tǒng)計與分析、大型機電設(shè)備的能效計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)直接來自于綜合保護器，充分利用保護器同步采集電流、電壓的采樣數(shù)據(jù)進行積分計算得到電能數(shù)據(jù)。電能數(shù)據(jù)可按管理單位或負荷類型進行分類統(tǒng)計，以報表、餅圖、曲線等可視化形式加以展示，對大型機電設(shè)備的電能消耗與實際出力進行能耗和能效的大數(shù)據(jù)計算，并對能效進行評估，形成評估報告。大數(shù)據(jù)分析評估包括兩個維度：一是該設(shè)備運行以來的能耗和能效分析對比；二是同類設(shè)備的能耗和能效分析對比[1-2]。據(jù)此并結(jié)合相關(guān)的功率因數(shù)、功率值等進行分析，查找能效低下的原因，給出改進建議。

總之，平臺充分利用新一代智能保護器、各類智能傳感器采集的數(shù)據(jù)進行挖掘分析，提高供電系統(tǒng)智能化程度，實現(xiàn)供電系統(tǒng)的安全、高效、節(jié)能運行。

3 工業(yè)性試驗

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

實時的全面感知。實現(xiàn)了對包括高性能智能化數(shù)字傳感器和新一代智能保護裝置在內(nèi)的各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接入，實現(xiàn)了對電網(wǎng)和電力設(shè)備運行的全面感知；智能高效的實時監(jiān)控。平臺實現(xiàn)了電力監(jiān)控的監(jiān)視和控制功能外，還實現(xiàn)了提交開關(guān)操作申請、自動流程審批、系統(tǒng)自動執(zhí)行操作指令，并自動進行電子掛牌；在線定值計算。平臺根據(jù)供電系統(tǒng)動態(tài)的拓撲關(guān)系和錄入的變壓器、線纜、負荷參數(shù)等自動進行定值計算，并將計算結(jié)果與檔案定值庫的運行定值進行校驗。

電網(wǎng)擾動分析。平臺依據(jù)規(guī)則自動抓取電網(wǎng)擾動數(shù)據(jù)，并以波形形式進行展示。本期尚未對擾動原因和預(yù)期結(jié)果進行分析；能效管理。充分利用綜合保護器上傳的電量大數(shù)據(jù)進行用電設(shè)備的橫向和縱向綜合分析，給出能效評估和節(jié)能評估與改進建議，為用戶進行節(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)備運行大數(shù)據(jù)，對開關(guān)設(shè)備、控制網(wǎng)絡(luò)、保護整定值等進行了診斷分析，并計算開關(guān)設(shè)備運行趨勢、故障預(yù)知與故障演變，給出了評估結(jié)果，診斷結(jié)果具有較高可信度，可逐步過渡到開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)檢修模式。

綜上，通過工業(yè)性試驗驗證，智能供電物聯(lián)云平臺充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(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，從而實現(xiàn)了對電網(wǎng)和電力設(shè)備運行的全面感知，以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)了電網(wǎng)和電力設(shè)備的實時監(jiān)測和監(jiān)控，并通過對運行大數(shù)據(jù)的分析計算，實現(xiàn)了機電設(shè)備的健康診斷和能耗分析，包括運行趨勢計算、設(shè)備故障預(yù)知與故障演變等。物聯(lián)網(wǎng)云平臺對供電智能化、提高工作效率、降低勞動強度、減少用工、提高礦井的節(jié)能運行水平有極大幫助，是一個值得進一步推廣和深化開發(fā)的系統(tǒng)。