八字嘴航運樞紐智能物聯管控系統設計與應用

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，在系統長期運行中，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、柜內凝露問題引發的絕緣閃絡故障、防火問題、防盜等問題，從而對設備本身的安全及電網的可靠運行帶來了隱患，直接影響設備的安全穩定運行[1]。該配電系統存在設備數量多、設備分布位置分散等特點，對水電行業傳統的人工巡檢運維管理模式造成較大困難。 采用電力設備大數據智能物聯管控系統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

智能物聯管控系統總體構架采用“能源互聯網”理念構筑端云融合、邊緣計算、端自治相結合的智能中低壓配電系統體系，基于智能物聯終端，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設備信息進行全采集，可以通過邊緣計算及內置專家系統對中低壓配電系統信息優先進行本地化分析與決策，實現端邊云協同配合。設計系統總體架構如圖1。

圖1 總體架構圖

1.1 “智”層

“智”是“云”、“網”、“邊”、“端“的綜合判斷平臺，是整個系統“家長”，負責通過下層的全部數據及分析結果判斷整個系統的運行狀態，提供系統運行的決策結果，整系統狀態預測功能等。同時提供大數據可視化平臺，實現全系統大數據急速查詢。

1.2 “云”層

基于系統私有大容量數據中心配置的云服務平臺，實現能源互聯網架構下的配電系統全面信息化、智能化和微服務化，滿足需求快速響應、應用彈性擴展、資源動態分配、系統集約化運維等要求。

1.3 “網”層

“網”是為“智”、“云”、“邊”、“端”數據提供數據傳輸的通道，采用混合MESH 通信網的技術架構，完成電網海量信息的高效傳輸及存儲，根據物聯網“智云邊端＂的整體架構，配電物聯網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”即邊緣計算節點，采用“硬件平臺＋內置專家系統＋邊緣計算框架＋ 多功能數據篩選”的技術架構，融合網絡、計算、存儲、分析、應用核心能力，通過邊緣計算技術提高業務處理的實時性及便捷性、降低主站通信和計算的壓力。

在物聯網系統架構中，邊緣計算節點是“終端數據自組織，端云業務自協同” 的載體和關鍵環節，實現終端硬件和軟件功能的解耦。對下，邊緣計算節點與智能感知設備通過數據交換完成邊端協同，實現數據全采集、全感知、全掌控、全分析、全預測；對上，邊緣計算節點與物聯管控平臺實時全雙工交互關鍵運行數據完成邊云協同，發揮云計算和邊緣計算的專長，實現合理分工。

1.5 “端”層

“端＂層是物聯網架構中的感知層和執行層，實現配電網的運行狀態、設備狀態、環境狀態以及其它輔助信息等基礎數據的采集分析、設備狀態的分析、邊緣計算、設備未來故障概率，并執行決策命令或就地控制，同時完成與電力客戶的友好互動，有效滿足電網生產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據智能物聯管控系統借鑒了泛在電力物聯網的架構安排，按照“一個框架，兩個網絡，三個云服”的思路設計，組成如下：

2.1 一個框架

框架，是一個系統的組成靈魂，是連接各個不同系統的基礎，我公司采用先進的機器交互框架設計物聯系統。即M2M 框架結構。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、網絡化的應用與服務。它將使對象實現智能化的控制。M2M 技術涉及5 個重要的技術部分：機器、M2M 硬件、通信網絡、中間件、應用。基于云計算平臺和智能網絡，可以依據傳感器網絡獲取的數據進行決策，改變對象的行為進行控制和反饋。

2.2 兩個網絡

網絡，由如人類的血管系統，其負擔數據傳輸的重要功能。就像人類有靜脈和動脈一樣，本項目的物聯管控系統也有兩個網絡系統：傳感器網絡及通信網絡。

通信網絡：負擔設備的數據流傳輸，其采用多種通信方式組成混合的信息通信系統，一般情況，通信網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，實現數據的穩定通信。

傳感器網絡：系統中傳感器是采集設備信息的的重要環節，也是物聯系統的子系統，其以對象為目標（面向對象）實現數據采集與分析功能。

2.3 三個云服

（1）私有數據云

系統具備全部設備的全息數據存儲功能，按照秒級存儲單元（物聯網存儲的約定存儲步進）計算，數據云可存儲 5～10 年，并提供快速檢索服務系統，方便進行數據查詢。

（2）私有控制云

系統具備控制功能，可將判斷結果直接作用于設備，其所有控制邏輯及控制判別均在云控中心實現，組成單獨的云控制系統。例如，按照整體判斷邏輯實現控制風機，水泵，保護等功能。同時系統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決策機使用。

（3）私有巡檢云

電力設備物聯網一般只重視數據的傳輸及數據的分析功能，項目設計時根據用戶需求，在物聯網系統單獨增加了巡檢云服務系統，該系統具備巡檢指導、巡檢簽到、巡檢記錄、巡檢分析功能。

3 關鍵技術

3.1 縱向大數據分析處理

智能物聯終端本體需具備縱向大數據終端分析功能，可將重要饋線回路的全部場景感知歷史數據組成縱向數據鏈進行終端在線分析。實現重要饋線回路的數據分析，具備單點歷史大數據的分析判別能力。實現重要饋線回路運行狀態動態評級（優、良、及格、差）及自適應巡檢計算，并自動生成狀態評估報告及存儲。評價時間精度不小于1 個月。 電力設備大數據智能物聯管控系統通過傳感器網絡實現數據的分析及結果上傳，可將變壓器及開關柜等被檢測器件的歷史數據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分析及判別功能，并輸出報告。

3.3 未來狀態預測

智能物聯終端具備通過以往的數據進行規律分析得出重要饋線回路的未來運行狀態的功能，可計算得出未來設備出現故障的計算概率。智能物聯管控系統（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據預測結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果進行綜合分析并得出系統結論。

3.4 預警功能

電力設備大數據智能物聯管控系統及智能物聯終端具備多種預警功能：聲音超常規預警、行程超常規預警、環境超常規預警、狀態超常規預警等功能。

3.5 多渠道互聯

智能物聯終端具備WIFI、LORA、4G（可擴展5G）等多種通信手段，可執行數據點對數據總站、數據點對數據子站、數據點對手機、數據點對點的通信功能， 可實現終端間的智能設備組網。一般情況，通信網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，實現數據的穩定通信。

3.6 分布式故障錄波及波形故障自識別

智能物聯終端能實現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），可以實現故障點擴散同步觸發功能，記錄系統故障前、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 組網及人機交互

智能物聯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絡系統。電力設備大數據智能物聯管控系統所有采集數據可通過手機APP、觸摸屏、PC 機三種方式顯示，并通過這三方式對智能物聯終端進行參數設置、聯動控制，系統具備接入電站集控一體化平臺系統的能力， 實現數據交互共享，考慮到網絡安全，數據檢測及智能運算在智能物聯終端內進行，人機交互界面無需具備數據檢測及智能運算能力。

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

4 結語

江西信江八字嘴航電樞紐工程成功采用了電力設備大數據智能物聯管控系統，實現了對電力設備的運行參數、設備參數、環境參數以及其他輔助信息等基礎數據的采集，結合縱向大數據分析處理及運行狀態評估，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定運行，確保電站乃至整個樞紐的維護穩定安全運行，同時實現電力設備的智能巡檢及電力設備全場景分析功能。