基于物聯網技術的安全風險可視化系統設計

王明生

國能寧夏鴛鴦湖第一發電有限公司，寧夏 銀川 751400

0 引言

電力企業是國家經濟建設、社會發展的支柱型產業，隨著我國經濟的快速發展，電能的需求量不斷增加，電網規模不斷擴大，電廠管理方面迎來巨大挑戰。傳統的電廠管理模式主要依靠人工，安全管理存在較多弊端，面對復雜繁瑣的業務，管理模式陳舊、靈活性差，在安全生產方面存在較多問題，電網在線監測需要處理海量的數據信息。因此，迫切需要通過可視化管理技術解決電網發展過程中出現的瓶頸。隨著網絡技術和計算機技術的發展，以物聯網技術為代表的可視化系統在電廠管理中得到了廣泛應用，通過傳感器可以采集電廠工作環境中的數據信息，借助無線通信技術實現數據的實時傳輸，利用計算機可以對海量數據信息進行快速評估和處理。由此可見，智能化管理是電廠未來發展的主要方向。

1 可視化技術發展現狀評價

可視化技術融合了計算機技術、網絡通信技術、人機交互技術等先進的技術手段，通過更加直觀的方式讓管理者更加清晰的了解數據產生和變換的過程。現階段，我國電網可視化管理技術的應用包括數據的可視化管理、故障分析計算結果可視化、重要設備運行狀態可視化管理，并且取得了一些成果。國家電網電力科學研究院研發的可視化管理系統不僅可以實現對電網系統的分析和監控，而且還可以為電力企業制定個性化的服務，電網系統數據參數信息，包括設備電壓、電流、設備荷載等。使用不同顏色區分電力設備運行過程中產生的電壓數值，并且在地理接線圖上進行色塊管理，讓管理者可以更加清晰的了解設備的運行狀態，提升電網系統的故障預警能力。尤其是針對發電機和變壓器等重要設備，需要掌握設備運行狀態、負荷能力以及過載等信息，并且確保信息的時效性，能夠客觀反映電網系統中發電機和變壓器的運行狀態[1]。我國電網系統可視化管理尚處在發展階段，隨著電網規模的不斷擴大，可視化管理軟件應用越來越廣泛，在實際應用過程中存在一些問題待以解決。

1.1 可視化軟件結構設計不合理

軟件的整體框架針對性不強，受技術限制，軟件的功能擴展、開源以及維護性方面變現力不足。隨著電網規模的不斷擴大，軟件擴充方面存在的弊端將嚴重影響系統的升級，同時與第三方軟件進行交互時也會受到框架的限制。

1.2 數據結構不規范，通用性不強

現階段，我國關于電廠安全風險可視化管理的軟件雖然種類繁多，但是數據結構不規范，與其他軟件進行交互或者為第三方應用開放接口時會出現瓶頸，降低軟件的可移植性和擴展性能，影響軟件的適用范圍。

1.3 缺乏數據整體宏觀分布表達

目前，我國電廠安全風險可視化管理系統的應用仍處于發展階段，軟件設計和功能尚不完善，可視化管理系統攜帶信息數量有限、圖形表現單一、人機交互界面表現力不足，文字標注或者單一的列表無法生動形象的表達電網系統數據的物理意義和特性，并且針對單個數據點，調度人員難以對系統的整體狀態進行宏觀把握，無法快速比較不同位置的數據信息[2]。

2 電廠安全風險可視化系統設計

傳統的可視化管理已經難以滿足電廠安全管理的需求，隨著可視化技術的不斷發展，系統結構日趨成熟，功能也會越來越強大。可視化技術與電力系統仿真模型相互結合，可以讓海量的數據信息更加具體的呈現出來，幫助電廠調度人員了解電廠設備的運行狀態，最大限度地降低管理成本。基于物聯網技術的電廠安全風險可視化系統設計采用四層架構：數據層、服務層、應用層、展現層。通過數據中心實現集中式的數據存儲，把經過清洗后的結構化和非結構化數據，通過大數據技術進行存儲和管理。在此基礎上，通過大數據服務組件，對業務數據進行在線分析、歸類、整理、統計、展示。采用Spring Cloud微服務框架，建立抽象、松散耦合和粗粒度的軟件服務組件，每個組件獨立部署，擁有自己的運行空間，組件之間通過RESTAPI方式進行調用，可以最大程度保證平臺的靈活性和擴展性。在應用層面，與任務終端系統、掌上辦公系統鏈接，實現信息交互，從而使平臺具有即插即用、靈活擴展的特性。在展現層，以平臺作為系統的統一門戶，所有與系統相關的信息都可以在平臺上信息交互。安全監管人員通過監控中心對作業現場和企業安全管理總體狀況進行實時監控[3]。

電廠安全風險可視化系統開發應遵循實用性原則，需要滿足長期運行時無故障發生，穩定性和可靠性是確保電網系統的安全運行的前提。可視化系統的設計與應用是為了降低人工勞動強度，提高電廠管理效率。因此，系統設計過程中需要考慮實用性原則，操作簡單，降低學習成本。系統中的應用模塊采用獨立結構設計，確保可視化系統中的每一個應用功能可以獨立運行，如果遇到故障，不會影響其他功能的使用。此外，可視化系統的所有硬件、軟件在設計過程中需要具有足夠的容量和擴展功能，能夠滿足系統的升級需求，在長期使用過程中確保軟件和硬件的持續更新。下面就對基于物聯網技術的電廠可視化系統功能進行詳細分析。

2.1 數據管理功能

電力系統的數據種類繁多，需要對產生的海量數據信息進行分類匯總，基于物聯網技術的電廠安全風險可視化系統可以通過傳感器可以采集包括電廠設備溫度、周圍環境濕度、工作人員操作等重要的參數信息。安全監控預警平臺周期性的與各個監測點網關機箱內通信，采集網關所在區域內的各項參數指標，數據采集完成后，預警系統對參數信息和歷史數據進行比對分析，計算出不同區域內的安全等級，并建立安全檔案，對存在異常的狀態及時發出相應的預警信息[4]。

2.2 圖形繪制功能

電力安全風險可視化系統的圖形繪制功能是將傳感器采集到的數據信息以圖形和表格的形式呈現出來。將電廠設備的靜態信息、圖形信息、運行狀態信息融合在一起，形成完備的，面向對象的可視化信息模型，為電廠自動化和智能化管理提供支撐。電廠安全風險可視化系統的圖形繪制功能包括圖形文件的新建和保存，圖形操作實現同時打開多張圖形，可對當前圖形文件進行修改，保存以及打印，視圖操作可以實現對圖形尺寸的放大或者縮小，對圖元進行復制、剪切、刪除等編輯，區域操作實現對選定的區域進行移動、復制、保存和刪除。

2.3 圖形顯示功能

圖形顯示功能可以靜態或者動態顯示設備運行的各種狀態信息，通過多種多樣的圖元表示電力系統實際設備和輔助顯示信息，增強顯示效果。通過現場傳感器可以采集外部環境、設備狀態等數據信息，并通過無線網絡上傳，幫助電廠工作人員及時掌握現場情況，規避監督盲區。電廠安全監控預警平臺對作業人員身心健康、安全技能同樣具有顯著的監督效果，對每項作業現場安全措施，包括開工許可、安全交底、預控措施執行狀況進行有效控制，一旦發現現場出現風險、或出現操作錯誤等，安全監控預警平臺可以進行預警，并且對工作結束后現場人員撤回、遺留工器具等其他安全隱患進行有效監督。基于物聯網技術的安全風險可視化系統網絡拓撲如圖1所示。

圖1 可視化系統網絡拓撲架構圖

與傳統的電廠安全風險管理模式相比，可視化系統在結構設計方面更加迎合了用戶的實際需求，擁有更加豐富的應用功能。按照找系統功能劃分為不同的子系統，每一個子系統包含眾多獨立的模塊。

3 基于物聯網技術電廠安全風險可視化系統應用

基于物聯網技術的電廠安全風險可視化系統通過正在電廠設備安裝傳感器的方式，監測設備的工作狀態，并將發電設備的相關工作參數傳輸到控制中心，實現電廠設備狀態在線監測管理并進行故障預警。電廠可視化管理的實施可以幫助管理者實時查看電廠工作環境的信息，設備的分布，可視化管理對于提升電廠智能化管理水平有很大的促進作用。電網系統安全管理主要是指電力系統預防和抵御自然和人類活動的干擾破壞而維持向用戶供電的能力，影響因素涉及用電負荷、發電、輸電、一次設備、二次設備和系統結構等[5]。電網系統結構復雜，包含多個不同的子系統，每個子系統還包含多個下級子系統，這些下級子系統又含有多個不同的分支。可視化系統管理系統是全方位的采集電廠運行狀態信息，提升管理水平和管理效率。

基于物聯網技術的安全風險可視化系統，通過風險管理和可視化技術將電力企業的風險等級降到最低。系統依托先進的通信技術和計算機技術，在電網系統的基礎上建立在線監測預警系統，把采集到的數據信息和視頻信息傳輸到管理部門的自動化監控系統中，自動生成報警信息，更好的防控自然災害。利用信息化網絡加大生產現場安全監督的覆蓋范圍，在現有安全管理模式的基礎上，安裝現場信息采集系統，實時采集工作現場的數據信息并傳輸至電力綜合數據庫中，實現工作現場可視化、實時管理，賦予權限的管理人員可以隨時進行遠程監控，發現問題及時進行糾正。設計保人身、保電網、保設備的安全措施要求做好后，傳回主管部門審核，主管部門在對視頻信息核對后進行工作推送，安全監督部門及技術主管部門有效結合，擴大技術資源共享[6]。

通過作業現場可視化管理監控系統，利用強大的這種綜合數據網整合各個過程的信息數據，利用先進的數據統計就分析方法，分門別類深入分析電廠生產過程中存在的安全隱患并找出解決方法，提高現場作業風險監管力度，為各級監察人員延伸監察范圍，檢查點提供可能，也為后續的流程評價、個體評價、改進提高和指導組織構架和規章制度建設提供直觀的、可靠的數據支持。電力作業具有現場點多、面廣、分散，無法實時監控多場景和施工進度等特點，并且習慣性違章屢禁不止，無法及時發現違章作業和現場安全隱患。在現場通信和定位基礎上，通過智能安全帽，帶高清攝像頭及移動網絡，可精準定位及錄像[7]。按照安全類型和安全級別對現場位置進行劃分和定位，將每一位置所對應的安全注意事項和危險預防措施與該位置設備所對應的安全等級、注意事項、運行標準等信息關聯起來，進行安全內容分解，建立主動安全數據庫。當人員在現場進行檢修工作時，到達相應位置時，主動安全數據庫自動定位人員位置，并將附近正在進行的運行操作、檢修工作、當前位置安全信息、風險預控措施及歷史事故記錄等信息主動推送到人員攜帶的移動設備上，對現場工作人員進行主動安全綜合信息提示，避免不必要的事故。

此外，系統通過傳感器可以采集包括電廠設備溫度、周圍環境濕度、工作人員操作等重要的參數信息。安全監控預警平臺周期性的與各個監測點網關機箱內通信，采集網關所在區域內的各項參數指標，數據采集完成后，預警系統對參數信息和歷史數據進行比對分析，計算出不同區域內的安全等級，并建立安全檔案，對存在異常的狀態及時發出相應的預警信息。通過本項目的實施，使電廠工作環境內設備檢修以及安全管控水平大幅提升，可以提高監督效率，解決電廠作業面分布廣、監督檢查人員現場監督檢查難度大的問題[8]。實現風險的時空在線，讓多個工作任務與人員、地點以及現場場景聯動，多個任務風險在線功能；實現作業人員軌跡回放、查詢、考核等功能；解決了工作兩交清、開工、收工的過程管控；實現對作業人員進行范圍管控，對跨越電子圍欄的人員實時報警，可以通過視頻、語音等方式干預人員行為。實現對人員開工前的身心健康、技能及培訓“自我確認”；對作業中人員違章、環境風險等進行視頻流直播，實現精準管理、風險提前干預、跟蹤、制止等功能。

4 結語

綜上所述，基于物聯網技術的電廠安全風險可視化系統設計有效提升了電網運行的安全性和可靠性，借助傳感器和無線網絡代替傳統人工巡檢，在降低工作強度的同時還能夠有效確保電廠能夠安全生產。可視化系統的實施，可以有效應對日益龐大的電網系統，解決傳統的檢修作業中存在的安全風險和隱患，借助軟件分析進行狀態評估和故障診斷，制定有效的維護措施，改善設備運行狀況，全面提升電力企業安全管理水平。