基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的繼電保護設(shè)備智能運維技術(shù)

閔家新， 郎小毅*， 李 洋， 張 健， 程選吉， 林俊儒， 李一鳴

(1.遼陽供電公司， 遼陽 111000； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院, 哈爾濱 150030)

繼電保護是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要環(huán)節(jié)，當(dāng)前電網(wǎng)公司十分重視且以開展了繼電保護設(shè)備的運維工作，包括對該類設(shè)備的狀態(tài)評估、預(yù)警和檢修等方面的探索實踐[1-2]。但和智能電網(wǎng)發(fā)展下的二次設(shè)備運維高效目標(biāo)相比，當(dāng)前中國繼電保護設(shè)備運維仍存在很多問題[3-6]：①電力電子化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，繼電保護設(shè)備水平還難以完全滿足高比例新能源、大規(guī)模特高壓直流輸電的要求，對應(yīng)的設(shè)備運維工作也才剛剛起步；②仍缺乏智能化的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測手段，不同廠家的二次設(shè)備在線監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)不一致且通訊大多依賴于有線電聯(lián)方式，增大了變電站繼電保護設(shè)備運維的工作量；③設(shè)備管理大都以紙質(zhì)文檔方式為主，具有較低的效率，難以實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)信息的共享。

為提高當(dāng)前變電站運維檢修工作效率，國家電網(wǎng)公司近年來就提出了智能化的電網(wǎng)運維檢修工作目標(biāo)。以“技術(shù)先進、智能生產(chǎn)、智慧運營、業(yè)務(wù)創(chuàng)新”為具體目標(biāo)，核心部分是提高電網(wǎng)設(shè)備的感知能力和運維管控能力，將互聯(lián)網(wǎng)與電網(wǎng)運維進行高度融合。同時，近年來隨著信息技術(shù)和通信技術(shù)額不斷發(fā)展，在人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算以及物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的發(fā)展趨勢下[7-10]，給電力系統(tǒng)設(shè)備運維帶來了新的契機。

鑒于此，現(xiàn)基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點和優(yōu)勢，提出一種基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的繼電保護設(shè)備智能運維技術(shù)。介紹運維系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，在此基礎(chǔ)上給出了移動終端、數(shù)據(jù)中心平臺、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用管理等功能的具體實現(xiàn)方法，為運維工作的移動化、無紙化和高效性提供了技術(shù)支撐。

1 繼電保護運維與泛在物聯(lián)網(wǎng)

1.1 繼電保護運維現(xiàn)狀

繼電保護設(shè)備是保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要二次設(shè)備，其運維水平的好壞直接關(guān)系到設(shè)備正常運行的投資成本以及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進，繼電保護設(shè)備的分布越來越廣。目前中國繼電保護設(shè)備運維水平難以適應(yīng)電網(wǎng)的智能化發(fā)展需求，繼電保護運維現(xiàn)狀的弊端具體體現(xiàn)在：①采用人工管理方式的繼電保護設(shè)備運維存在工作量大、不易于管理；②難以有效的跟蹤和監(jiān)督，存在誤操作的概率和風(fēng)險；③缺乏自動化巡視和檢驗技術(shù)，過于依賴個人經(jīng)驗且是一種紙質(zhì)化辦公形式；④缺乏有效的問題解決手段，易浪費人力、物力。

為此，充分利用泛在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究繼電保護設(shè)備運維的無紙化、便攜式、高效率，打破了傳統(tǒng)基于管理流程和技術(shù)規(guī)定的繼電保護運維檢修體系，構(gòu)建了全新的移動互聯(lián)檢修框架。

1.2 繼電保護運維現(xiàn)狀

1.2.1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)基本概念

物聯(lián)網(wǎng)的概念最早于1999年提出，主要是將智能感知和識別技術(shù)、通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行結(jié)合，實現(xiàn)萬物的智能識別、定位、跟蹤以及監(jiān)控管理。隨后的幾年，世界各國的無線網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，深入到不同領(lǐng)域的各行各業(yè)。電力系統(tǒng)作為目前一個復(fù)雜系統(tǒng)，涉及人和物之間信息雙向感知、獲取、傳輸、融合以及利用，因此物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迎來了電力系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用的熱潮[11-13]。

國家電網(wǎng)公司2019年3月8日發(fā)文《泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)大綱》，明確定義了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的基本概念，泛在物聯(lián)是指任何時間、任何地點，實現(xiàn)任何人、物之間的信息連接與交互。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)即是以電力系統(tǒng)的各個應(yīng)用環(huán)節(jié)為基礎(chǔ)，充分利用先進的信息通信技術(shù)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用各個環(huán)節(jié)的互聯(lián)、交互，具備全面狀態(tài)感知、快速靈活組網(wǎng)、高效信息融合、通訊方式靈活、信息高速處理、應(yīng)用方便靈活以及智能化程度高等基本特征[14-16]。

1.2.2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)基本功能

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)以及電力系統(tǒng)優(yōu)化運行技術(shù)進行深度融合，能量流、信息流以及業(yè)務(wù)流集成于一體，對未來電網(wǎng)的生產(chǎn)運行模式帶來了巨大變革，其基本架構(gòu)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層以及應(yīng)用層等組成，如圖1所示。其中感知層是通過多類型傳感器設(shè)備對電力系統(tǒng)多源信息進行全面的感知，感知獲取的海量數(shù)據(jù)為控制決策單元提供依據(jù)，從而廣泛、深度地感知電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)的運行狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)層是以新一代通信技術(shù)來建立系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息交互通道，根據(jù)照網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)類型分為內(nèi)網(wǎng)和互聯(lián)外網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)層具有多樣化的通信方式，不同電力業(yè)務(wù)應(yīng)用場景根據(jù)需求來選取合適的通信方式；平臺層主要是存儲和管理電網(wǎng)不同業(yè)務(wù)的海量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)信息的互通和共享，平臺層不僅收集網(wǎng)絡(luò)層所傳輸?shù)亩嘣磾?shù)據(jù)而且為電網(wǎng)各種業(yè)務(wù)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)；應(yīng)用層是基于海量的不同環(huán)節(jié)運行數(shù)據(jù)，搭建不同類型的應(yīng)用平臺，實現(xiàn)電網(wǎng)與其他不同系統(tǒng)的感知互動。

圖1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)Fig.1 General architecture of ubiquitous power Internet of Things

2 繼電保護設(shè)備智能運維

2.1 總體方案

從變電站繼電保護設(shè)備運維的實際需求角度來看，將基于泛在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的繼電保護設(shè)備智能運維技術(shù)主要是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、新一代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和移動終端技術(shù)相結(jié)合，實時感知和交互運維信息。具體來講，泛在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用層通過對繼電保護設(shè)備各個維度數(shù)據(jù)的高效融合，從而實現(xiàn)對電網(wǎng)安全控制運行業(yè)務(wù)的支撐；平臺層是變電站繼電保護設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)管理應(yīng)用平臺，具備統(tǒng)一管理、高效處理的能力。網(wǎng)絡(luò)層是智能運維系統(tǒng)信息傳輸?shù)妮d體。感知層是由多種物聯(lián)網(wǎng)傳感器以及本地通信網(wǎng)所組成，用于實現(xiàn)繼電保護設(shè)備運維狀態(tài)信息采集以及數(shù)據(jù)就地處理。通過泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)繼電保護設(shè)備運維的革命性變化，實現(xiàn)繼電保護設(shè)備運維的無紙化、便攜式、高效率，打破了傳統(tǒng)基于管理流程和技術(shù)規(guī)定的繼電保護運維檢修體系，構(gòu)建了全新的移動互聯(lián)檢修框架。

基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的繼電保護設(shè)備智能運維系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，包括主站系統(tǒng)、移動終端以及身份識別標(biāo)簽等。其中主站系統(tǒng)主要是由管理工作站以及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器所組成，管理工作站負責(zé)應(yīng)用功能、用戶界面管理，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于存儲海量數(shù)據(jù)，主戰(zhàn)系統(tǒng)通常接入在Ⅲ區(qū)或者Ⅳ區(qū)，能夠與移動終端之間進行數(shù)據(jù)共享和交互，主要完成運維系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲、信息檢索統(tǒng)計等功能；移動終端是一種采用Android操作系統(tǒng)的工業(yè)硬件平臺，主要實現(xiàn)電子標(biāo)簽與繼電保護設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)、信息錄入以及執(zhí)行巡檢等，是實現(xiàn)繼電保護設(shè)備智能運維實現(xiàn)無紙化、移動化的關(guān)鍵；而電子標(biāo)簽則主要是記錄繼電保護設(shè)備唯一性的編碼，起到變電站二次設(shè)備唯一性標(biāo)記功能，通過電子標(biāo)簽建立繼電保護設(shè)備與移動終端的聯(lián)系，確保繼電保護設(shè)備運維的可靠性。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的繼電保護設(shè)備智能運維方案Fig.2 Intelligent operation and maintenance scheme of relay protection equipment based on Internet of things

2.2 智能運維功能實現(xiàn)

由上述運維方案可以看出，實現(xiàn)繼電保護設(shè)備智能運維的基本組成部分主要有移動終端、數(shù)據(jù)中心平臺、新一代無線通信技術(shù)及業(yè)務(wù)應(yīng)用管理等。繼電保護設(shè)備智能運維功能框圖如圖3所示。

圖3 繼電保護設(shè)備智能運維功能框圖Fig.3 Functional block diagram of intelligent operation and maintenance of relay protection equipment

2.2.1 移動終端

繼電保護設(shè)備智能運維的核心是移動終端技術(shù)，擺脫了作業(yè)人員在傳統(tǒng)運維工作中對時間和空間的限制，采用先進的工作理念和方式開展繼電保護運維工作，移動終端技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①在硬件體系上，移動終端具備多種輸入方式和輸出方式，并且具備藍牙、Wi-Fi、GPS等多種無線傳輸技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備進行通訊，有效增強了移動終端設(shè)備的感知和交互能力；②在軟件體系上，移動終端采用Android操作系統(tǒng)，能夠根據(jù)用戶的需求進行個性化設(shè)置；③在通信能力上，移動終端支持多種無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，可以根據(jù)用戶的需求選擇不用運營商的網(wǎng)絡(luò)制式，也可以根據(jù)用戶需求及業(yè)務(wù)環(huán)境進行定制化通信模塊的開發(fā)，以達到滿足用戶需求，方便用戶使用的目的；④在功能應(yīng)用上，移動終端更加注重人性化、個性化以及功能多樣化人機交互功能的開發(fā)。

移動終端的主要任務(wù)是電子標(biāo)簽識別、數(shù)據(jù)采集、運維任務(wù)執(zhí)行和上傳等，其主要功能特點如下：①繼電保護設(shè)備電子標(biāo)簽識別，利用射頻識別(radio frequency indentification, RFID)標(biāo)簽具備可讀可寫的用戶存儲區(qū)[10]，將繼電保護設(shè)備的最新狀態(tài)或參數(shù)寫入到RFID標(biāo)簽中，以便于運維人員掌握設(shè)備狀態(tài)的變化趨勢；②流程化運維業(yè)務(wù)，借鑒于移動協(xié)同辦公理念，實現(xiàn)運維任務(wù)制定、下發(fā)、執(zhí)行、上傳以及審核等運維業(yè)務(wù)全程數(shù)據(jù)信息流的智能化；③智能化分析功能，提供運維數(shù)據(jù)預(yù)警和基于多源信息融合的故障診斷功能，很大程度上提高了運維數(shù)據(jù)的價值；④跨平臺信息交互，通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)、管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享以及信息交互，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)思維下的電力、信息和業(yè)務(wù)之間的高度融合。

智能終端的核心技術(shù)包括智能信息采集和設(shè)備唯一性表述，其中智能信息采集主要是基于配備的RFID讀寫模塊，其基本組成包括控制模塊、射頻模塊、天線模塊、接口模塊以及電源模塊等。另外，移動終端根據(jù)繼電保護設(shè)備電子標(biāo)簽建立設(shè)備和電子標(biāo)簽之間的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)繼電保護設(shè)備的身份唯一識別。

2.2.2 數(shù)據(jù)中心平臺

繼電保護設(shè)備智能運維通過多種技術(shù)手段完成了多源數(shù)據(jù)的采集工作后，采用基于云計算的數(shù)據(jù)中心平臺能夠自動識別所接入的設(shè)備，對所采集的設(shè)備臺賬數(shù)據(jù)、專業(yè)巡檢記錄、設(shè)備檢驗記錄、運行缺陷數(shù)據(jù)等寫入數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)整合起來進行綜合分析和管理。

數(shù)據(jù)中心平臺的建設(shè)將有效地增強繼電保護運維系統(tǒng)的運行和管理，在智能電網(wǎng)環(huán)境下對變電站二次系統(tǒng)運維和管理提供了有效保障。除此之外，數(shù)據(jù)中心平臺的構(gòu)建提高了多源海量數(shù)據(jù)的綜合利用效率以及信息共享水平，有利于繼電保護設(shè)備運維系統(tǒng)深度分析及處理該類數(shù)據(jù)。進一步將繼電保護運維相關(guān)數(shù)據(jù)遷移到云計算平臺，云計算數(shù)據(jù)中心平臺主要包括虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施層、云計算基礎(chǔ)平臺層和云計算信息服務(wù)層[11]。結(jié)合云平臺存儲、計算和網(wǎng)絡(luò)資源等優(yōu)勢，搭建繼電保護設(shè)備運維系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心平臺可實現(xiàn)平臺數(shù)據(jù)的動態(tài)調(diào)用以及自動分配。

2.2.3 新一代無線通信技術(shù)

通信網(wǎng)絡(luò)無線傳輸技術(shù)作為變電站繼電保護設(shè)備智能運維的信息傳輸載體，對其傳輸速率、帶寬、時延、安全等提出了更高的要求，為此本文采用主流的第五代無線通信專網(wǎng)技術(shù)作為智能運維系統(tǒng)的信息傳輸載體，該通信技術(shù)相較于第四代無線通信技術(shù)而言，分別從用戶體驗、信息安全、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等方面進行了優(yōu)化，將人與人之間的通信轉(zhuǎn)向了萬物互聯(lián)，為二次設(shè)備智能運維提出了一種更為靈活、高效的新模式，可以將更多的運維業(yè)務(wù)向移動終端轉(zhuǎn)化。

第五代無線通信專網(wǎng)技術(shù)具有更高速率、更大規(guī)模、更短時延以及更低功耗，其安全性、速度性、靈活性以及覆蓋性都得到了大幅提高[17]。為此第五代無線通訊技術(shù)是一種全新的高效能無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，其在泛在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用將極大地拓展繼電保護設(shè)備運維的空間，為繼電保護設(shè)備運維體系中的不同運維業(yè)務(wù)提供統(tǒng)一的連接架構(gòu)，實現(xiàn)所有設(shè)備的互聯(lián)互通，借助于大數(shù)據(jù)自動分析功能，能夠?qū)崿F(xiàn)運維工作的更便捷、更高效、更智能。

2.2.4 業(yè)務(wù)應(yīng)用管理

繼電保護設(shè)備智能運維技術(shù)采用泛在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用模式有效實現(xiàn)了現(xiàn)場運維數(shù)據(jù)的多維度采集與流程化傳遞，輔助分析和優(yōu)化管理；通過建立設(shè)備完備信息庫，實現(xiàn)繼電保護設(shè)備的精細化管理，精確跟蹤設(shè)備全壽命周期內(nèi)詳細情況，滿足運維全程可追溯，實現(xiàn)運維工作進展和采集數(shù)據(jù)的遠程管理，提高繼電保護設(shè)備運維管理水平。

繼電保護設(shè)備智能運維系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用管理主要包括設(shè)備臺賬管理、設(shè)備巡檢管理、設(shè)備檢驗管理、設(shè)備驗收管理、設(shè)備缺陷管理以及電網(wǎng)事件管理等。其中設(shè)備臺賬管理主要是錄入改造設(shè)備的臺賬信息，建立繼電保護設(shè)備相關(guān)信息與設(shè)備識別代碼之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；設(shè)備巡檢管理主要是管控繼電保護設(shè)備巡檢任務(wù)和工作過程；設(shè)備檢驗管理是對設(shè)備任務(wù)管理和工作過程管控的檢驗；設(shè)備驗收管理是對任務(wù)管理和工作過程的驗收；設(shè)備缺陷管理是對任務(wù)管理的消缺以及采集缺陷信息；電網(wǎng)事件管理是對電網(wǎng)故障任務(wù)進行管理且采集對應(yīng)的事件信息。

2.3 智能運維實現(xiàn)流程

根據(jù)上述分析，基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的繼電保護設(shè)備智能運維流程如圖4所示。在執(zhí)行繼電保護設(shè)備運維時，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的運維方案進行運維工作，登錄智能運維系統(tǒng)讀取繼電保護設(shè)備的電子標(biāo)簽，并多運維任務(wù)結(jié)果進行提取并記錄。運維任務(wù)完成后，運維結(jié)果的數(shù)據(jù)通過無線傳輸網(wǎng)上傳至數(shù)據(jù)中心平臺并進行分析，提供風(fēng)險評估和故障診斷等高級應(yīng)用。另外，在下載運維任務(wù)時，移動終端將自動同步繼電保護設(shè)備運維最新結(jié)果，并存入RFID標(biāo)簽的用戶存儲空間，以便于運維人員能夠直觀查找設(shè)備最新狀態(tài)。

圖4 繼電保護設(shè)備智能運維流程Fig.4 Intelligent operation and maintenance process of relay protection equipment

3 實際工程測試分析

基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的繼電保護設(shè)備智能運維系統(tǒng)于2019年6月底在某省級變電站試點試運行，將所提智能運維和傳統(tǒng)運維方案進行了對比分析，對比結(jié)果如表1所示。根據(jù)實際工程的測試效果以及現(xiàn)場運維人員反饋可知，移動終端能夠正常連至主站和繼電保護設(shè)備，運維系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)運行正常，具有較好的穩(wěn)定性；除此之外，無線網(wǎng)絡(luò)通信正常，數(shù)據(jù)采集、分析和存儲正常，并能最終獲得運維結(jié)果。因此，該系統(tǒng)實現(xiàn)了繼電保護設(shè)備運維的無紙化、便攜式和高效率，為變電站繼電保護設(shè)備的運維提供了有效解決手段。

表1 常規(guī)運維方案和智能運維方案效益對比

為進一步驗證本文所設(shè)計的智能運維技術(shù)的有效性，針對電網(wǎng)故障處置效率方面進行了測試，并與傳統(tǒng)運維技術(shù)進行了對比。圖5是故障處置時間對比結(jié)果，通過泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的運維技術(shù)后，運維人員的查找、分析故障時間均大幅縮減，故障查找時間縮短了37 min，而故障處置時間縮短了 31 min，能夠有效節(jié)約變電站故障下的運維效率和成本。在無需達到故障現(xiàn)場的情況下，智能運維體系能夠?qū)收线M行及時有效的分析和處理，并掌握故障設(shè)備的實時信息和故障診斷結(jié)果，為變電站設(shè)備運維提供了有效信息支撐。

圖5 故障處置時間對比Fig.5 Comparison of fault handling time

4 結(jié)論

針對新一代電力系統(tǒng)繼電保護設(shè)備的運維需求，提出了一種基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的繼電保護設(shè)備智能運維技術(shù)。首先闡述了目前變電站繼電保護設(shè)備運維存在的不足，并指出泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在繼電保護設(shè)備運維應(yīng)用中契機。然后介紹了智能運維的方案和具體功能實現(xiàn)，該系統(tǒng)主要包括移動終端、數(shù)據(jù)中心平臺、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用管理，其中采用RFID身份識別技術(shù)作為移動巡檢終端的核心，并將云平臺技術(shù)來構(gòu)建數(shù)據(jù)中心平臺。實際應(yīng)用表明繼電保護設(shè)備運智能運維實現(xiàn)了無紙化、便攜式和高效率，打破了傳統(tǒng)基于管理流程和技術(shù)規(guī)定的繼電保護運維檢修體系，構(gòu)建了全新的移動互聯(lián)檢修框架。