基于電力物聯網的電網施工全維度監測

李慶軍,尚福瑞,路萬朋,陳 喆,穆瑞芳,陳思遠

（1.國網青海省電力公司,青海 西寧 810008；2.北京洛斯達科技發展有限公司,北京 100120）

電力物聯網是物聯網在智能電網中的應用,將有效整合通信基礎設施資源和電力系統基礎設施資源,提高電力系統信息化水平,改善電力系統現有基礎設施利用效率,為電網發、輸、變、配、用電等環節提供重要技術支撐[1]。

歐美等發達國家在電力物聯網領域起步較早,并制定了一系列發展規劃。2006年3月8日,歐盟理事會的能源綠皮書《歐洲可持續的、競爭的和安全的能源策略》明確強調智能電網技術是保證歐盟電網電能質量的一個關鍵技術和發展方向[2]。2007年12月,美國國會頒布《能源獨立與安全法案》,其中的第13號法案名為智能電網,具有里程碑的意義。2009年2月,美國國會頒布《美國恢復和再投資法》,確定投資45億美元用于發展智能電網。日本政府于2009年4月公布了“日本發展戰略與經濟增長計劃”,其中包括太陽能發電并網、新能源汽車快速充電裝置等與智能電網密切相關的內容[3]。

我國在該領域相對來說起步較晚。2011年3月舉行的第十一屆全國人民代表大會第四次會議上,我國“十二五”規劃綱要獲得通過,智能電網及物聯網均被列為我國下一個五年戰略性新興產業[4]。2012年,溫家寶同志在《政府工作報告》中指出,國家將繼續大力培育戰略性新興產業,三網融合、云計算、物聯網試點示范工作步伐加快[5]。近幾年國內的一些機構和學者在電力物聯網領域開展了一系列的研究,并取得了一些研究成果。馬旭明從通信、量測、設備、控制、支持五個方面對電力物聯網的構建進行了詳細闡述[6]。劉功俊提出泛在電力物聯網基于電力系統為關鍵核心,應用現代信息技術以及網絡通信技術,實現電力系統的人機交互以及萬物互聯,具備泛在連接以及全息感知的智慧服務系統[7]。陳家璘等從網絡拓撲結構和路由層面兩個角度出發,制定優化策略,從網絡拓撲角度出發,提出了基于節點權重的加邊優化策略[8]。葛世偉等研究分析了泛在電力物聯網的感知層、網絡層、平臺層和應用層4層架構,通過無線LoRa調制技術基于泛在電力物聯網的網絡層實現感知層的要求,將數據接入網絡層后上傳到平臺層[9]。

電力物聯網在智慧電網領域研究成果較多,但在電網施工和工程基建全維度監測領域鮮有研究成果。肖振鋒等研究了電力物聯網下的電網規劃技術,從主動配電網中負荷預測與發電預測、選址定容、規劃方案多維度闡述了配電網規劃技術可能遇見的難點與挑戰[10]。舒東躍等針對電網工程施工裝備管理和應用展開了探索研究,提出了搭建電網工程建設領域施工裝備共享服務平臺的方案[11]。陸炳錚基于物聯網的特高壓大件運輸物流監控系統研究[12]。以上文獻均從某一個方面進行研究,在基于物聯網的電力施工全維度監測方面具有一定的片面性,并且沒有達到實用的階段。

本文深入應用“大、云、物、移、智、鏈”技術,建設狀態全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活、數據開放共享的青海電網基建全過程“智慧”監控平臺,實現工程智慧化管控,打造項目管理“智慧大腦”。“智慧工地”包括“1+3+5”的智慧化監控管理體系,即1個監控平臺、3級管理體系、5大功能模塊,在全國電力基建領域首個實現了對工程集設計、進度、安全、質量、技術、檔案、物資、環水保為一體的全過程多方位智慧化管控平臺。結合青海-河南±800千伏特高壓直流輸電線路工程建設實際情況,驗證了本文設計系統的實用性和前瞻性。

1 系統構成

系統集項目設計、進度、安全、質量、技術、物資、檔案、環水保等管理內容為一體,實現全過程可視化、遠程化、智慧化管理,系統融合度高、建設信息廣,為實現“智慧工程”建設奠定了基礎,系統總體設計架構圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計架構圖

1.1 智慧工地“大數據”系統

以項目基建管控系統、三維設計系統、工程檔案管理系統等各系統業務數據為基礎,構建項目大數據庫,全面反映工程基礎信息,為智能分析和全域應用提供數據依據和支撐。深入挖掘數據價值,開展工程建設安全動態風險分析、人員投入及高危分析、進度質量分析、物資供應分析等,為基建管理智能化分析決策提供服務與支持。包括：風險智能預警,業務管理與建設過程有效銜接,借助大數據、人工智能進行風險自動識別并預警；內容精準推送,提升用戶體驗,按照角色和業務進行精準內容推送,方便工程管理人員及時準確掌握工程動態信息；數據統計分析,借助三維可視化、大數據技術,實現多維度數據分析和展現,為各級管理人員提供多維度、可視化的統計和分析結果；決策智慧支撐,基于海量數據,應用大數據技術,開展工程建設過程管理業務智能分析,輔助管理決策。

1.2 智慧工地檔案“云平臺”管控

通過搭建檔案云平臺,完成現場項目部工程檔案與實體同步移交。跟隨工程進度,同步匯集填寫準確、手續完整的檔案資料,業主、施工、監理均能掌握歸檔進度及檔案的具體內容,在正確性、完整性、及時性等方面,全程加強跟蹤監督與指導,能夠增進建設管理單位對參建單位的歸檔工作的掌握程度,及時發現檔案資料的不規范、進度滯后、文件不全等問題,確保工程建設檔案資料的依法合規及竣工順利移交。“云平臺”技術架構如圖2所示。

全過程推行檔案“電子化+紙質版”雙軌制管理模式,通過預組卷目錄、現場實測紙質版填報、APP實時電子版上報等手段,建立了國網基建系統內首個檔案云平臺,實現了檔案全過程管控,檔案管理“四性”要求得到保障,徹底解決了工程技術資料數據不真實、工程檔案“回憶錄”的管理頑疾。一方面,杜絕檔案技術數據造假、檔案工作“回憶錄”的情況；另一方面實時掌握項目建設全過程中文件形成的情況。“雙軌制”工程檔案管理方式,可最終達成“工程竣工和工程檔案移交”同步的目標。

依托“青海-河南±800千伏特高壓直流輸電工程”,試點在項目管理中推行“電子化+紙質版”的雙軌制應用下的檔案云平臺管理體系,通過預組卷目錄建立、過程技術資料同步形成、同步收集歸檔等功能管控,徹底解決工程技術資料內容不真實、歸檔不及時、資料不完整、數據不準確等檔案管理頑疾。

1.3 智慧工地“物聯網”多維應用

強化基建全過程數字化管理中業主、建管、施工、監理、設計等單位的責任落實,基于互聯網+全域視頻+人工智能,打造出安全質量可視化監管新模式。利用布控球等基建現場監控設備,人員單兵系統、無人機、監測及測量傳感設備、以及移動端設備構建智能感知設備層,實現“人、機、物、法、環”的泛在聚合,實現物-物、人-物互聯互通。

基于互聯網+北斗+無人機遙感,建立了空地一體化環水保監控系統,實現了環水保措施的事前事中事后監管,落實了環保水保“三同時”要求,達到了環水保工作全程化、智慧化監測的目的。利用卷積神經網絡（FCN）+地理信息系統（GIS）進行水保土地擾動監測預警,減少人工巡查與判讀工作量。智慧工地“物聯網”多維應用設計架構如圖3所示。

圖3 智慧工地“物聯網”多維應用設計架構

建立工程環水保數碼照片采集體系,通過施工、監理人員用移動設備對施工過程環水保進行照片采集上傳,做到過程環保水保全面監督。此外,利用北斗+無人機遙感采集桿塔周邊影像,采用機器學習算法實現土地擾動面積監測預警,并與設計階段影像、過程照片進行對比分析,監督環保水保專項設計落實情況,實現過程環水保空中、地面可視化監測,形成空地一體化環水保監管體系,真正做到了環水保事中事后監管。

1.4 智慧工地“移動管控”系統

利用APP、球機、單兵等多種移動智能感知設備,實時傳達工程建設全過程管控信息（項目進度、安全、質量、技術、造價等視頻、影像、狀態信息）。通過工程移動管控系統,為管理側提供信息匯總、預警分析等技術支撐,確保現場管理與監控平臺一致,實現實時監控要求。以高精度地理信息、多源電網通道信息為基礎,基于互聯網+三維設計,構建省級典型模型庫,形成協同工作體系,提高設計質量和效率；加強設計過程進度、質量可視化管控,促進工作精益化管理水平提升；打通數據應用鏈條,形成數據積累至更新復用的良性循環。借助北斗衛星定位實現物資運輸位置監控,基于互聯網+自動融合基建管控系統和建設過程APP中的業務數據,構建數據倉庫,結合人工智能分析技術,深度挖掘關鍵節點信息,輔助工程進度和物資風險智能預警。

嚴控每日作業風險,完成風險日預控的填報、逐級審批、到崗簽到,實現每日風險作業的計劃性以及各層級人員共同參與履職,讓各級人員對現場管理情況做到“心中有數”；利用人臉識別技術核實作業人員身份,規范電子作業票編制、審核及簽發,自動生成電子簽名,強化落實現場風險控制措施；健全安全質量檢查分類體系,在移動端植入電子檢查表單,發現問題實時發布、整改、復查閉環管理,通過形成的安全檢查通知單和問題整改回復單,督促相關人員逐級整改閉環,完成對關鍵環節安全質量的有效管控；實現對現場作業、施工質量、人員配備等情況的實時遠程巡查；利用手機、4G球機、移動單兵、無人機等開展全域移動智能視頻監控,構建現場感知信息網,全方位、立體化獲取現場影像,結合人工智能實現違章自動識別,有效加強管理人員對現場情況的及時掌控。

2 應用情況

本平臺已在新時代樣板工程青海-河南±800千伏特高壓直流輸電線路工程建設并應用,后期將逐步打造成全省35千伏以上電壓等級的監控平臺,為基建全過程數字化應用提供了新的思路和解決方案。產品應用“大云物移智”技術,打造國內第一個基于泛在電力物聯網全過程基建管理“智慧工地”,支撐世界一流能源互聯網企業建設。

3 結束語

存在的問題：施工現場海拔高,氣候多變,對于施工過程有較大的影響。在這樣的特殊環境下施工,施工工藝復雜,施工過程中的危險性加大。在高原環境下施工,對于施工人員身體素質要求高。普通人員高反嚴重,不能完成安排的工作任務。設備的可靠性大大降低,設備的維修和更換的運維工作開展困難,同時由于路程的原因也很難及時提供支持。高原地區網絡信號差,不穩定,設備要求網絡信號帶寬較高,有時不能滿足設備的正常需求。偏遠地區的運營商支持力較弱,不能提供良好的網絡服務和及時的運維服務。同時在某些地州的網絡信號質量較差,會導致系統運行的不穩定,系統的應用也會受到較大的影響。

展望：在現有基礎上,針對工程實際應用,深挖項目管控潛力,完善監控體系,逐步實現對內融合、對外共享、上下銜接、數據共享、分析研判、智慧管控管理功能。為工程精準動態分析、智能綜合預測、全面準確監測奠定基礎,真正打造基建管理體系全業務鏈的智慧化“一張網”,全面優化基建管理生態圈。