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面向電力抽水蓄能行業(yè)的智慧物聯(lián)體系技術(shù)研究

2023-03-06 02:56黃建德蔣池劍李雪強
科技創(chuàng)新與應用 2023年5期
關(guān)鍵詞:物聯(lián)電站終端

閻 峻,黃建德,蔣池劍,朱 佳,李雪強

(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年遠景目標綱要進一步加強了對數(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。

當前,抽水蓄能行業(yè)相關(guān)公司已建設生產(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)運行階段的業(yè)務需求,但各系統(tǒng)各自獨立部署,系統(tǒng)間缺少信息交互和應用融合;同時還存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)重復錄入等問題,導致數(shù)據(jù)貫通、數(shù)據(jù)共享、狀態(tài)評價、業(yè)務協(xié)同及分析決策較為困難,不能滿足抽水蓄能公司業(yè)務集約化管理與電力物聯(lián)網(wǎng)建設支撐的需求。

整體而言,抽水蓄能行業(yè)當前的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務建設缺乏頂層規(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,存在重復投入研究、重復建設的情況。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)務需求進行梳理分析,對物聯(lián)網(wǎng)應用場景進行統(tǒng)一規(guī)劃,以便更好地指導基建期、運行期各抽水蓄能電站的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務系統(tǒng)建設,統(tǒng)籌各抽水蓄能電站的試點建設工作,以減少重復投資,降低后期運維難度,提升項目建設效益,為基建期和運行期基層員工減負。

1 抽水蓄能物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)設計

1.1 總體架構(gòu)分析

國家電網(wǎng)公司在各專業(yè)現(xiàn)有采集感知基礎設施的基礎上,滿足公司戰(zhàn)略目標落地和各專業(yè)業(yè)務發(fā)展需要,按照“精準感知、邊緣智能、統(tǒng)一物聯(lián)、開放共享”的設計思路,借鑒互聯(lián)網(wǎng)建設模式,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)務系統(tǒng)等提供標準化數(shù)據(jù),且不長期存儲業(yè)務數(shù)據(jù)。即所有終端設備需通過物聯(lián)管理平臺進行接入,各業(yè)務系統(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)務系統(tǒng)多已投入使用多年,從采集終端到業(yè)務應用一體化部署,若采用總部互聯(lián)網(wǎng)部的智慧物聯(lián)體系建設方案,會存在2方面主要問題。

1)現(xiàn)有運行的業(yè)務系統(tǒng)部分功能會被物聯(lián)管理平臺替代,各業(yè)務應用需基于物聯(lián)管理平臺進行開發(fā),會導致各業(yè)務系統(tǒng)建設商建設的積極性降低。

除夕這一天,達斡爾民族還有擺靈位 (Aor-Jugebe)的習俗。當年若哪家長輩逝世了,從當年算起連續(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,本村和遠方親朋來家中拜年,首先要給靈位嗑頭、敬酒、獻煙。

2)物聯(lián)管理平臺需承擔現(xiàn)有多個專業(yè)系統(tǒng)的軟件功能,包括設備配置、參數(shù)設置、通信設置等,各業(yè)務系統(tǒng)已穩(wěn)定運行多年,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)定運行檢驗,投資和時間成本較大。

基于以上原因,設計并開發(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)務系統(tǒng)建設和運行模式,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,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)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)2種方式,以達到不改變現(xiàn)有業(yè)務系統(tǒng)運行方式,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)一設備運行管理數(shù)據(jù)匯聚中心,實現(xiàn)設備狀態(tài)信息集中存儲管理,以及構(gòu)建跨業(yè)務系統(tǒng)的智能業(yè)務應用。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)務系統(tǒng)。

針對新建及改造業(yè)務系統(tǒng),引入邊緣物聯(lián)代理和安全接入網(wǎng)關(guān),進行終端設備接入,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)租用運營商的電力專用APN通道,通過APN網(wǎng)絡接入邊緣物聯(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)絡層、平臺層、應用層,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)務終端、邊緣物聯(lián)代理等的部署應用,能夠?qū)崿F(xiàn)在多種場合滿足基建、運行、經(jīng)營管理等環(huán)節(jié)信息獲取的實時性、準確性、全面性等要求,為各項電站生產(chǎn)運營的規(guī)范化管理能力提供有效支撐。

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

1)測控類智能業(yè)務終端。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、振擺保護裝置等,完成對抽蓄電廠機組、開關(guān)站、公用和閘門等監(jiān)控對象的運行工況信息的測量與控制,將相應的工況信息發(fā)送給計算機監(jiān)控系統(tǒng),并接受監(jiān)控系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)指令,控制相應的執(zhí)行元件調(diào)節(jié)水輪機組的運行情況,保證電站按照調(diào)控安全穩(wěn)定運行。

2)監(jiān)測類智能業(yè)務終端。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組設備狀態(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)送給相應的機組在線監(jiān)測、水情測報、大壩安全監(jiān)測等軟件業(yè)務系統(tǒng)。

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

在基建期、運行期的電站,都存在室外環(huán)境復雜等問題,通過無人機開展室外環(huán)境的巡查工作,具有機動靈活、自主飛行、環(huán)境適應能力強等優(yōu)勢。通過無人機的應用,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)。適合在復雜環(huán)境執(zhí)行任務,通過機載高清拍攝設備,可定期對電站各室外環(huán)境進行重點排查。同時,通過配置定制的掛載裝置,拓展無人機的使用場景。降低巡檢工作人員的巡檢工作強度,提高巡檢效率,提升工作體驗。

4)智能巡檢機器人。抽水蓄能電站全廠設備分布在上下庫、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,平常主要通過運行人員進行日常及精細巡檢,巡檢任務重,人力成本高,易存在巡視盲點,利用智能巡檢機器人極強的復雜環(huán)境適應能力、人工智能算法,可以大幅降低巡檢的人力成本,提高對設備健康狀態(tài)的持續(xù)、科學的大數(shù)據(jù)分析,提升設備狀態(tài)評估及預測的精度。

1.2.2 網(wǎng)絡層

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

在抽蓄電站物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務中,部署在現(xiàn)場的各類業(yè)務終端應因地制宜,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)等遠程通信網(wǎng)絡,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,導致各電站在建設時的網(wǎng)絡規(guī)劃情況各不相同。且電站建成后,由于廠區(qū)洞室環(huán)境的復雜性,很難進行有線網(wǎng)絡(工業(yè)以太網(wǎng))的新增鋪設。隨著機器人、移動終端、無線傳感等技術(shù)應用需求的激增,網(wǎng)絡通信成為了制約新型技術(shù)應用和發(fā)展的瓶頸。

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

遠程通信網(wǎng)絡在原有光纖傳輸網(wǎng)的基礎上,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)的應用,滿足邊緣物聯(lián)代理、機器人、無人機等終端的接入需求。

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、設備管理、消息處理、能力開放、應用管理)與一體化管控平臺融合,形成物聯(lián)數(shù)據(jù)中心,使其具備標準的物聯(lián)接入和業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入2種能力,以支撐已有業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入和新建(改造)業(yè)務場景數(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、共享共用的建設目標。

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、采集終端等設備的統(tǒng)一在線管理和遠程運維,應具備6大功能:模型管理、連接管理、設備管理、消息處理、能力開發(fā)和應用管理。

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

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)務應用管理等功能,實現(xiàn)數(shù)據(jù)從采集到應用的全流程管控,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、能力開放和人機交互等在內(nèi)的基礎支撐能力?;诨A支撐能力,圍繞建設需求,開展基建工程應用、運維檢修應用、水工管理應用、綜合安全管理應用和安全業(yè)務應用等。

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)分析與設計,構(gòu)建出數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、數(shù)據(jù)全面共享、設備統(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)務需求,實現(xiàn)“數(shù)據(jù)貫通、數(shù)據(jù)共享、業(yè)務協(xié)同”的目標。

針對當前抽蓄電站的業(yè)務現(xiàn)狀及未來業(yè)務發(fā)展的需求,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用,應以數(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,應分以下2個階段開展抽蓄電站物聯(lián)網(wǎng)各項應用的建設和發(fā)展。

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

第二階段擬以建設電站數(shù)據(jù)中心為目標,通過增量終端的建設,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)務系統(tǒng)接入,實現(xiàn)數(shù)據(jù)標準化接入?yún)R聚。從而實現(xiàn)電站主要業(yè)務系統(tǒng)(主機及輸變電設備狀態(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)務應用的開發(fā)。

目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應用建設,在抽水蓄能公司仍處于初期階段,具有較大的提升和應用空間,通過不斷加強終端接入、數(shù)據(jù)共享、應用創(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運行管理水平。

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