基于實物“ID”的電力物聯網信息采集管控技術研究

李 斌，馮延明，劉 偉，侯秀梅，陸 杭

（國網黑龍江省電力有限公司，黑龍江哈爾濱 150090）

在電網企業的總資產中，設備等固定資產所占的比例可達到80%以上，且電網企業的資產數量龐大、分布廣泛、變動頻繁。隨著現代社會科技的發展，電力用戶用電需求增加。電網設備如變壓器、電壓互感器等在運維方面的要求逐漸提高，設備運行狀態的獲取效率直接關系到電力系統的安全、穩定。在設備狀態運檢方面，目前的工作主要集中在日常的運維巡視和一次二次維護。通常運維人員不易直接獲取設備的出場信息及歷史故障記錄，這對故障類型和設備未來運行狀態的判斷造成了阻礙[1]。在經濟評估方面，對電力設備只關注其初期的購入成本，較少考慮設備全壽命周期內的成本管理費用，比如其后期的運行、維護成本等，這不利于全面的電網公司資產評估[2-3]。

為了加強電網公司各環節的有效信息流通、提質增效，國家電網創建了“實物ID+”的概念[4-5]。以實物“ID”為紐帶，建設電網資產統一的實物“ID”身份編碼系統[6]。基于資產全生命周期管理數據貫通的信息化建設與改造，結合虛擬現實技術解決電網企業項目資產編碼信息難共享、難追溯、臺賬與實物難以完全對應等問題，提升電網精益化管理控制水平[7-8]。

1 實物“ID”信息采集內容

針對電網的數據管理治理工作，首先要確保實物設備“賬、碼、物”的一致性，實現設備實物“ID”編碼與項目、采購、出廠、資產卡片等相關信息的準確關聯[9]。基于實物“ID”進行采集信息的分類和收集，電網企業項目資產統一身份編碼實物“ID”的建設內容，如圖1 所示。

圖1 實物“ID”統一身份編碼建設內容

設計實物“ID”的編碼，統一包含的信息內容包括電網資產設備出場資料、驗收信息、竣工資料、工程轉資、運行維護、退役報廢等環節[10]。信息管理系統的整體結構如圖2 所示。

圖2 信息采集管理系統整體結構

1.1 設備出廠資產采購信息

目前大多數的物資供應階段，供應商未在穩定的信息系統進行物資技術參數的控制和維護，導致部分物資缺少出廠信息[11]。因此構建的實物“ID”信息采集管理系統需要包含前期設備供應商的信息注入端，從設備出場開始，實現對全部信息的監控。設備安裝的投資統計涉及發策、基建、物資等3 個部門[12-16]，如圖3 所示。

圖3 設備安裝環節各部分職責

1.2 現有信息流通平臺的優化

為保證流通信息的通用性，電網資產設備建設時需要根據不同類型設備的交接試驗，結合現場梳理出符合新國標的通用性模板。驗收時要結合目前電網信息基礎流通的PMS 系統信息，統一數據標準及核心字段，重建數據庫、底層數據表及數據模型。

優化工程建設數據錄入的試驗報告顯示界面，提供部分字段選擇錄入功能；優化PMS 系統接口及字段信息；優化信息采集與PMS 系統的同步性。

1.3 運維檢修信息

針對設備運維檢修階段，信息采集平臺需要建立與PMS 系統貫通的移動應用，實現在移動終端許可、終結工作，實時獲取工作票信息以及回傳PMS 系統的功能；增加掃描識別作業設備進行匹配的功能，查詢設備歷史運行維修信息。

1.4 其他信息

實物“ID”信息采集內容還包括廢舊物資退役處置信息，如設備材料價格、維修價格、巡視成本等經濟性信息。建設與PMS 與ERP 系統的信息交互功能，有利于系統平臺的信息管控。基于實物“ID”的電力物聯網信息采集管控平臺的構架如圖4 所示。

圖4 信息采集管控平臺架構

2 信息管控的實現

2.1 電網設備信息大數據平臺

為了進一步減少信息冗余，也減少信息收集過程中的工作量，基于實物“ID”的電力物聯網信息采集數據庫平臺建立時，應設計互相關聯的統一輸入表格，提高收集信息的適用性、兼容性和通用性。

根據信息采集管控平臺的構架，建設總數據庫平臺需要涉及的設計項目和優化改進項目比例，如圖5 所示。

圖5 信息化功能改造示意圖

大數據平臺實現采用的手段是在現有的PMS 和ERP系統的基礎上，聯通設備制造廠商、發策部門、基建單位、物資部門、生產運維和設備檢修等各部門的信息，按照標準的要求制定實物“ID”對應數據庫在不同的環節，需要補充的信息內容和調用的數據信息。

2.2 信息傳導技術

實物“ID”的主要形式是二維碼（Quick Response，QR），作為唯一標識與設備精確對應。大數據平臺的前期信息采集和后期信息查看均通過二維碼傳遞數據，掃描二維碼的應用終端由國家電網的內網移動APP 門戶作前端，以無線網為網絡通道，以移動應用平臺為后端，實現設備信息自動采集。

信息的傳輸通過無線網絡進行，信息傳遞時前端與后端可分別看作有能量發射能力的源端S和有能量收集能力的終端D。前端發射能量后，終端節點的全部能量來源于源端S發射的RF信號，終端將接到的信號解碼通過回收信號的能量向源端反饋一定的信息。

如圖6 所示，信號源S 經由OFDM 子載波集N將信息傳達到信號接收終端D，子載波集N由互不交叉的C1和C2子集構成。子集C1上傳輸信息數據，其子載波上傳送功率為。子集C2上傳輸給終端的能量，其子載波上傳送功率為。因此通信子集C1上的數據傳輸速率為：

圖6 雙向攜能通信系統模型

信號源發送信號和能量傳遞到接收終端的能量損耗為：

接收終端D 收到的能量為：

其中，fNL是非線性能量轉換模型，,j∈C2。

由此得出信號采集傳輸的過程中，能量轉換效率模型近似為：

接收終端到信號發射源的鏈路上，OFDM 子載波傳輸信息的速率為：

能量傳遞回發射源端期間的損耗為：

由此得出，在信號采集傳輸的過程中，能量轉換效率模型近似為：

在發射接收雙向信息能量傳遞網絡中，源端S發射能量維持信號網絡的傳遞。以最小化源端S 發射能耗為目標，采用非線性的能量傳遞模型。將源端S 與終端D 的信號傳遞速率需求和能量衰減門檻納入約束，優化子載波和傳輸功率的算法步驟如下：

1）設置迭代次數k=0，初始化RS、RD等各參量；

2）計算最優乘子γ，并由式（6）計算WD；

3）計算功率分配最優解*和*；

4）計算子載波分配最優解C1*和C2*；

5）更新k=k+1，更新對偶變量{β1(k),β2(k)}；

6）若|β1(k)-β1(k-1) |＜ε，|β2(k)-β2(k-1) |＜ε，則結束循環。否則，返回步驟3）繼續循環。

在正交頻分復用和雙向通信的條件下，攜帶能量的通信網絡中資源的分配比例會干擾能量信號傳遞的可靠性和穩定性，為此采用一種面向信號子載波的聯合能量分配計算方法。子載波分別傳輸信息和能量，簡化攜能原則，由此優化信號采集傳輸系統，且保證足夠的能量維持信息傳遞。

2.3 實物“ID”設備信息關聯流程

在實物“ID”系統功能貫通的基礎上，利用實物ID 實現變電站設備購置費的自動統計。檢查及時發現異常點，追溯異常源頭，開展管控工作。實物設備信息關聯流程結構如圖7 所示。

圖7 實物設備信息關聯流程結構

由實物“ID”鏈接上述流程，完成對設備壽命周期內各時期狀態監視、跟蹤與管控。

2.4 計劃完成偏差率

項目儲備及綜合計劃執行偏差率是發策部門管控的指標，也是唯一涉及投資金額的指標。項目投入后要及時管理，降低綜合項目儲備和計劃執行的偏差率。計劃完成偏差率Φ的計算公式為：

其中，α是工程現場完成量；β是工程計劃完成量；ci是第i項指標的權重指標數值，且：

3 實物“ID”標簽設計

設計實物“ID”編碼規則時，應考慮識別便捷、適用范圍、信息保密。采用二維碼標簽的形式，便于掃描和分辨，且具備內部移動設備獲取信息鏈接的保密性。

3.1 二維碼的結構

二維碼是矩陣式編碼的一種。如圖8 所示，通過方形平面上，不同位置的方塊圖案顏色和大小代表不同的信息數據。

圖8 QR二維碼結構圖

第一個版本的QR 二維碼長寬模塊數均為21，而第40 版本是長寬有177 個模塊的矩陣。

3.2 圖像畸變校正及二維碼解碼

電網設備的使用環境復雜多樣，在變電站中，陰天下雨或夜晚時現場光線條件惡劣，實物“ID”掃碼系統需要具備不利環境下的優化圖像處理功能。

設(x，y)為良好環境條件下的正向拍攝圖像，(u，v)是惡劣環境下的斜拍圖像，M是變換矩陣，通用的變換算法如下：

對上式求解并進行歸一化可得：

通過優化變換公式中的各項參數可達到改善掃描結果的效果，準確識別出設備的實物“ID”，并調取相關信息。

3.3 實物“ID”的編碼識別

實物“ID”的核心識別技術是數字編碼的區域定位，根據二維碼的特點，將平面圖形區域進行分割識別解碼。

為了對比圖像識別矯正算法前后的識別效果，對1 000 組RFID 標簽上的設備二維碼進行識別實驗，結果如圖9 所示。矯正算法后的識別效果顯著提高，尤其是在惡劣的環境條件下識別結果最大能提升6%，且惡劣環境下正確識別率達到97.5%以上。

圖9 圖像識別矯正算法前后實驗結果

4 結束語

實物“ID”相當于給電力設備貼上唯一且永久的“身份編碼”，用普通的掃碼器只能讀取編碼信息；而使用通過國網認證的移動終端進行掃描，可以調取設備全壽命周期的各項信息。設計理念為用唯一的身份編碼對應設備整個生命周期內的信息，從而實現全面的設備狀態評估，有助于提升運行維修、資產清理等各方面的工作效率。

基于實物“ID”的電力物聯網信息采集管控技術打通各階段專業信息的壁壘，同步PMS 系統實現資產、設備、實物信息資源的大集中和大共享，不僅簡化了維護臺賬信息的工作流程，而且準確率也隨之提高。該文所提技術方案可以實現固定資產從物資采購、工程建設、運維檢修到退役處置的全過程信息集成管控，具備良好的應用價值。