面向智慧輸電線路的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究

張鵬宇，李曉春，李瑛，金邦華

（貴州電網(wǎng)有限責任公司輸電運行檢修分公司，貴州 貴陽 550002）

0 引言

無所不在物聯(lián)網(wǎng)的概念已經(jīng)提出多年，其目標是使各種終端設(shè)備在任何時間、任何地點、任何事物有效地互聯(lián)和互動。傳統(tǒng)的輸電線路運維管理工作都是由運維人員在現(xiàn)場實際開展。在電力系統(tǒng)中，大量用電的需求不斷增加，這些出現(xiàn)的問題要求輸電線路運維管理需通過采用先進的系統(tǒng)管理、控制和通信技術(shù)，提高輸電線路運維的可靠性和靈活性，提高輸電線路的安全運行。這帶來了新的輸電線路運維模式，如電壓升高效應(yīng)、故障級別增加、保護退化和瞬態(tài)穩(wěn)定改變[1]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使大量智能設(shè)備的集成能夠通過數(shù)據(jù)采集、處理和分析以及決策過程，共同完成現(xiàn)場監(jiān)控、分析和管理等功能。物聯(lián)網(wǎng)的概念及其相關(guān)技術(shù)已被廣泛接受并應(yīng)用于不同的工業(yè)領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以將需求視為輸電線路運維管理工作中建立多種監(jiān)測設(shè)備管理和協(xié)調(diào)控制平臺，以及不同形式的監(jiān)測設(shè)備類型之間的職能轉(zhuǎn)換的切入點。由于所部署的智能監(jiān)測終端最能反映現(xiàn)場需求的特征和行為，因此，隨處可見的電力物聯(lián)網(wǎng)配以在線監(jiān)測裝置被認為是一種重要的具體應(yīng)用。需求可以進一步聯(lián)系到運維一線人員，促進智能終端系統(tǒng)和多樣化需求服務(wù)的發(fā)展。從整體架構(gòu)的角度來看，無處不在的電力物聯(lián)網(wǎng)在需求方面進行統(tǒng)一的規(guī)劃和設(shè)計實現(xiàn)的系統(tǒng)和設(shè)備的互聯(lián)，實現(xiàn)全面的輸電線路運行狀態(tài)監(jiān)測，以及在監(jiān)測數(shù)據(jù)融合輸電線路分布水平。從而促進可靠安全的系統(tǒng)運行維護和多樣化的運維服務(wù)[2]。

1 電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和功能

人工智能技術(shù)和相關(guān)體系結(jié)構(gòu)是提高無處不在的電子物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量的重要組成部分。本節(jié)介紹泛在輸電線路運維物聯(lián)網(wǎng)的特點和要求。以物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為大腦，以智能監(jiān)測終端為邊緣計算管理者，以攝像頭為傳感器，以先進的通信技術(shù)為手段，構(gòu)建全息信息網(wǎng)，實現(xiàn)現(xiàn)場智能監(jiān)測終端設(shè)備互聯(lián)，實現(xiàn)綜合態(tài)勢感知和數(shù)據(jù)集成。需求無處不在的電力物聯(lián)網(wǎng)通過數(shù)據(jù)接口向輸電線路運維管理單位提供數(shù)據(jù)，實現(xiàn)現(xiàn)場信息全流，提高輸電線路的安全穩(wěn)定運行。具體而言，電力物聯(lián)網(wǎng)在需求的主要特點和功能可以概括如下。

1.1 綜合操作狀態(tài)感知

輸電線路桿塔節(jié)點數(shù)量多、分布廣、監(jiān)測設(shè)備數(shù)量多。將智能識別與傳感技術(shù)應(yīng)用于桿塔本體、通道等關(guān)鍵節(jié)點是必要的。部署大量的傳感設(shè)備可以進行分散的數(shù)據(jù)采集和局部分析，能夠?qū)崿F(xiàn)自診斷、邏輯判斷、統(tǒng)計處理等高級管理任務(wù)的集中運營分析與管理。綜合的運行狀態(tài)感知使得更智能的數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策，保障輸電線路安全穩(wěn)定運行。

1.2 系統(tǒng)互連標準化

為了不斷提高輸電線路運維現(xiàn)場的智能化、信息化、自動化、交互水平，確保每臺智能監(jiān)測終端設(shè)備都能支持點對點通信，不受制造商、操作系統(tǒng)、芯片、物理傳輸?shù)南拗疲⒈匾幕ゲ僮鳂藴剩С址植际降臄?shù)據(jù)自動接入、管理、運行和擴展，形成安全、標準、兼容、可靠的多數(shù)據(jù)融合生態(tài)系統(tǒng)。

1.3 信息傳輸安全可靠

安全可靠的信息傳輸是保證輸電線路安全、高效、穩(wěn)定運行的前提。輸電線路運維的通信網(wǎng)絡(luò)需要具有高速、高帶寬、高覆蓋，支持運維業(yè)務(wù)所需的實時、準實時和非實時通信。在某些網(wǎng)絡(luò)失效后，整個通信網(wǎng)絡(luò)仍可繼續(xù)運行；當通信設(shè)施和信息資源被企圖破壞和非法獲取時，具有較強的防御能力，能夠保證輸電線路的保密性、完整性和有效性。將云計算融入需求端無所不在的電力物聯(lián)網(wǎng)，可以通過模塊化終端管理海量互聯(lián)設(shè)備。通過協(xié)議轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)實現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，并實現(xiàn)了錯誤數(shù)據(jù)清除、數(shù)據(jù)緩存等高級功能。預(yù)處理和實時邊緣分析只是將復(fù)雜而重要的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)皆浦羞M行進一步處理。一方面，利用云計算提供無限的資源，緩解云計算資源有限的問題。提出的需求側(cè)管理物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)使用云計算邊緣信息處理能力，以緩解云計算帶來的高延遲、網(wǎng)絡(luò)擁塞和低可靠性問題。云計算的分布式存儲可以有效地保證數(shù)據(jù)的安全性和可用性。為了最大限度地減少對云霧資源的消耗，在合理分配服務(wù)資源，有效地實現(xiàn)云霧資源的合理高效利用。

1.4 移動開放智能運維服務(wù)

通過將輸電線路的運行條件、通信網(wǎng)絡(luò)、信息處理技術(shù)有機結(jié)合，打造開放、移動的運維服務(wù)生態(tài)系統(tǒng)，為輸電線路運維提供個性化、精準化、主動化的服務(wù)。運維服務(wù)要求，形成安全、共贏的生態(tài)環(huán)境，從而有效提升輸電線路的智能化運維服務(wù)水平[3]。在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序服務(wù)中，集群通常執(zhí)行多個應(yīng)用程序副本以滿足前端流量。例如前端服務(wù)集群、應(yīng)用服務(wù)集群、緩存服務(wù)集群。每個實例都可以處理服務(wù)請求，并且實例的數(shù)量通常是可調(diào)節(jié)的。彈性伸縮是指根據(jù)業(yè)務(wù)需求和策略自動調(diào)整服務(wù)和計算資源，以確保有適當數(shù)量的服務(wù)實例來處理應(yīng)用程序負載。提前設(shè)定擴減條件，當需求增加時自動增加服務(wù)器數(shù)量，以滿足條件，保持性能。在需求減少的情況下，需要減少服務(wù)器的數(shù)量，使成本最小化。通過采用微服務(wù)框架、分布式服務(wù)總線、即時消息總線、開發(fā)與運維集成等技術(shù)，提高應(yīng)用架構(gòu)的靈活性，確保應(yīng)用的快速啟動和版本更新的即時迭代。并提供服務(wù)和應(yīng)用程序生命周期管理。

2 智慧線路在電力物聯(lián)網(wǎng)體系整體架構(gòu)

在過去的十年里，許多國家已經(jīng)發(fā)展了智能電網(wǎng)，以應(yīng)對電力行業(yè)的挑戰(zhàn)。智能電網(wǎng)技術(shù)為傳統(tǒng)電力公司提供了一種經(jīng)濟、可靠的解決方案。通過采用不同形式的信息通信技術(shù)，可以從可靠性、安全性、穩(wěn)定性、效率和可擴展性等不同方面提高輸電線路運維管理性能[4]。此外，智能電網(wǎng)的部署，使輸電線路能夠進行實時的狀態(tài)監(jiān)測、運行分析和管理。因此，通過這些智能監(jiān)測設(shè)備的互聯(lián)，通過高速、無處不在、雙向的數(shù)字通信技術(shù)實現(xiàn)分布式傳感、分析和控制功能，成為智能電網(wǎng)發(fā)展中需要解決的問題。

2.1 電力物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)概述

在電力物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中，輕量級云計算可以分別安排在邊緣側(cè)，而重量級云計算則分別安排在云“側(cè)”。采用低延遲、高可靠性的遠程通信技術(shù)（管道）實現(xiàn)邊緣。“云協(xié)同”為延遲敏感服務(wù)提供了強有力的支持。“邊緣”和“終端”利用高效、安全的本地通信技術(shù)“領(lǐng)域”，實現(xiàn)設(shè)備安全、相互信任、即插即用，解決用戶端設(shè)備無處不在的接入問題。物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的整體架構(gòu)包括三個不同的層（即終端層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層）。終端層包括多核模塊化儀表（邊）、本地通信（場）、模塊化終端（邊）、網(wǎng)絡(luò)層對應(yīng)遠程通信（管道）、平臺層對應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)主站（“云”）中的需求方。需求側(cè)在電力領(lǐng)域無處不在，物聯(lián)網(wǎng)形成了云管道終端架構(gòu)，實現(xiàn)終端和網(wǎng)絡(luò)層的云霧協(xié)作。平臺層的能力是開放的，以支持電力互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展[5]。

首先，在電力傳輸過程中需要滿足間歇可持續(xù)對電力可靠性的嚴格要求。其次，電力公司迫切需要部署更先進的管理平臺，以應(yīng)對輸電線路不同類型環(huán)境運維的多樣化需求。為此，作為應(yīng)對和解決上述挑戰(zhàn)的對策，提出了在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念。物聯(lián)網(wǎng)被認為是實現(xiàn)該框架的最佳范式，通過結(jié)合不同類型的智能傳感終端，包括圖像、信號和定位。

2.2 電力物聯(lián)網(wǎng)體系應(yīng)用領(lǐng)域

基于傳統(tǒng)輸電線路運維管理業(yè)務(wù)，結(jié)合業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢和跨專業(yè)支撐需求，在電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)涵蓋了不同類型的服務(wù)，包括終端管理、數(shù)據(jù)采集、在線監(jiān)測、智能運維、負荷監(jiān)測與預(yù)測、線損分析、數(shù)據(jù)分析。電力物聯(lián)網(wǎng)是以多核數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，利用數(shù)據(jù)處理方法完成新功能的拓展。巡視策略自動生成、線路在線綜合評估、損耗管理等功能，可有效提升輸電運維服務(wù)能力。通過線路彈性負載的比例，得到運維管理需求響應(yīng)的能力。將提高電網(wǎng)的個性化服務(wù)水平以及有效提高電網(wǎng)運行效率[6]。

整個網(wǎng)絡(luò)可以通過站點區(qū)域的數(shù)據(jù)感知負載。對于長期過載的輸電線路，明確了過載的原因和范圍，并針對輸電線路走向改造提出了有針對性的建議，以進一步提高電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。通過采用輸電線路狀態(tài)分析技術(shù)，準確定位線路運行風險，支持智能化運維操作，縮短風險排除時間。這些功能還可以提供以在線方式評估的能力。提高電網(wǎng)資產(chǎn)評估的可靠性和效率。

3 結(jié)論

本文詳細分析和討論了面向智慧輸電線路的體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。目前，需求方仍有大量的智能設(shè)備尚未互聯(lián)，以及進行全面的傳感和功能實現(xiàn)。在未來的研究中，還需要在實際測試網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)和驗證該體系結(jié)構(gòu)和功能。進一步開發(fā)需要結(jié)合不同的先進通信和計算技術(shù)，使需求的智能功能用于輸電線路日常管理，提高輸電線路安全穩(wěn)定地運行。