基于物聯(lián)網(wǎng)的施工輸變電安全系統(tǒng)設(shè)計

潘 峰

(無錫供電公司，江蘇 無錫 214000)

在國民經(jīng)濟高速發(fā)展的現(xiàn)代社會背景下，人們的生活和工作都高度依賴電力的發(fā)展。隨著輸變電工程的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)的覆蓋普及，讓輸變電設(shè)備的安全運行變得尤為重要。近年來電網(wǎng)事故頻發(fā)，輸變電設(shè)備自身故障發(fā)生率的增加，為電網(wǎng)的安全運行帶來弊端。因此，對輸變電設(shè)備的安全運行狀態(tài)進行設(shè)計，對于提高輸變電設(shè)備的運行可靠性與利用率具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。輸電和變電是智能電網(wǎng)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入可以提高輸變電設(shè)備在線監(jiān)測的可用率，降低設(shè)備運行風險，提高電網(wǎng)安全系數(shù)。物聯(lián)網(wǎng)是輸變電設(shè)備實現(xiàn)智能化的重要技術(shù)支撐，對于提升輸變電設(shè)備與電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有深遠影響。

1 施工輸變電安全系統(tǒng)設(shè)計

1.1 架構(gòu)設(shè)計

感知層主要負責基礎(chǔ)的作業(yè)信息采集，獲取人員的位置信息；結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 安全作業(yè)預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Safety operation early warning system architecture

1.1.1感知層設(shè)計

系統(tǒng)中的便攜終端設(shè)備，輕便小巧，方便攜帶，可以對外進行廣播信息的輸送，讓錨節(jié)點進行處理[2]。錨節(jié)點分布在監(jiān)控區(qū)域，可以接收來自便攜終端發(fā)出的信息并進行數(shù)據(jù)采集，還可以自建網(wǎng)絡(luò)，將采集到的信息傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點。前置機的主要功能是用來讀取來自網(wǎng)關(guān)節(jié)點的數(shù)據(jù)，通過定位算法得到工作人員的位置，并將信息及時傳輸?shù)絻?nèi)部局域網(wǎng)中。當作業(yè)進入輸變電后，其攜帶的便攜終端會發(fā)出信號，錨節(jié)點捕獲之后會建立通信，相關(guān)的數(shù)據(jù)根據(jù)前置機完成計算。如果作業(yè)人員的活動范圍超出預(yù)設(shè)的安全范圍，就會通過現(xiàn)場錨節(jié)點或者管理軟件界面發(fā)出報警信號，讓現(xiàn)場的作業(yè)人員及時糾正不安全的作業(yè)行為。管理人員也會對巡檢人員進行路線跟蹤，并及時提醒作業(yè)不規(guī)范的行為[3]。

1.1.2數(shù)據(jù)傳輸層設(shè)計

底層數(shù)據(jù)感知需要通過錨節(jié)點形成的自組織網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，并將數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯聚到前置機中，前置機根據(jù)得到的傳輸數(shù)據(jù)進行處理，然后利用電力線載波將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂品?wù)器中，完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程。

1.1.3應(yīng)用層設(shè)計

應(yīng)用層根據(jù)輸變電的安全作業(yè)情況，通過服務(wù)器部署監(jiān)控系統(tǒng)，讓監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)可視化操作，并對前置機和節(jié)點進行控制，隨后接收來自前置機回傳的數(shù)據(jù)。對于輸變電而言，錨節(jié)點和便攜終端組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過定位算法對工作人員的位置進行定位，主要流程如圖2所示[4]。

圖2 數(shù)據(jù)管理流程Fig.2 Data management process

1.2 軟件功能設(shè)計

根據(jù)功能定位和系統(tǒng)需求，對軟件的功能進行設(shè)計，如圖3所示[6]。

圖3 安全作業(yè)系統(tǒng)軟件功能框架設(shè)計Fig.3 The software functional framework design of the safe operating system

1.2.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊

作業(yè)模式管理是通過管理人員，在輸變電的平面圖上進行可視化操作，如檢修、巡檢以及試驗等作業(yè)，對默認的安全區(qū)域和警示區(qū)域進行管理維護。通過作業(yè)模式管理功能，為各種作業(yè)提供默認授權(quán)區(qū)域，可以大大簡化工作內(nèi)容，提升管理效率；有源標簽管理可以對便攜終端進行添加、停用等管理，根據(jù)實際作業(yè)情況調(diào)整便攜終端的運行情況，以保證便攜終端的有效運行；輸變電的概要信息主要對輸變電的地理位置以及種類進行修改[7]。

1.2.2前置端管理模塊

該模塊用于前置機和服務(wù)器之間進行數(shù)據(jù)傳輸，并對現(xiàn)場的錨節(jié)點進行監(jiān)測管理。其中，節(jié)點監(jiān)測主要功能是對系統(tǒng)進行定位和跟蹤，主要依靠錨節(jié)點進行功能實現(xiàn)。影響錨節(jié)點工作的主要因素是電源，當電源電量下降到一定范圍后，節(jié)點將無法采集信息，其無法正常傳輸便攜終端的位置信息[8]。因此，通過設(shè)置節(jié)點檢測功能對各個節(jié)點的電量情況進行監(jiān)視，一旦發(fā)現(xiàn)電量低于正常水平立即發(fā)出警報，提供管理人員及時采取措施；數(shù)據(jù)上下行管理是指當工作人員攜帶便攜終端進入到現(xiàn)場后，錨節(jié)點會首先獲取便攜終端的信號，并傳輸?shù)角爸脵C中。前置機將便攜終端的信息匯聚完成后統(tǒng)一發(fā)送到服務(wù)器端，當服務(wù)器端的數(shù)據(jù)接口接收到數(shù)據(jù)之后，會根據(jù)實現(xiàn)確定對解析方式對數(shù)據(jù)進行存儲。

1.2.3作業(yè)任務(wù)管理模塊

任務(wù)啟動與終結(jié)是當開始作業(yè)時，需要進行注冊操作，注冊完成后，進入到工作現(xiàn)場開展巡視和檢修作業(yè)，相關(guān)管理人員對作業(yè)任務(wù)進行登記，根據(jù)工作內(nèi)容制定作業(yè)區(qū)域，獲取巡檢路線作業(yè)信息，然后向作業(yè)人員發(fā)送作業(yè)任務(wù)，發(fā)送完成后，作業(yè)現(xiàn)場的錨節(jié)點會被喚醒，進入到工作狀態(tài)中；當作業(yè)人員開始監(jiān)測，便攜終端會將相關(guān)信息傳送到服務(wù)器中，完成作業(yè)后，便攜終端上交，錨節(jié)點恢復(fù)到休眠工作；人員定位及軌跡是指對進入現(xiàn)場的工作人員進行實時的定位跟蹤，掌握工作人員當前所處位置，對于隨意走動的工作人員進行行為監(jiān)測；如果作業(yè)人員進入到未授權(quán)區(qū)域，軟件系統(tǒng)會發(fā)出警報，管理人員要及時進行處理。圖4為報警錨節(jié)點[9]。

圖4 報警中的錨節(jié)點Fig.4 Anchor node in alarm

巡視管理的主要功能就是針對巡視任務(wù)的主要情況進行統(tǒng)計，根據(jù)巡視人員的反饋，對巡視人員的移動軌跡進行統(tǒng)計，分析作業(yè)人員是否按照巡視路線進行巡視，停留時間是否合格，從而判斷巡視作業(yè)的有效性[10]。

1.2.4綜合數(shù)據(jù)查詢模塊

主要功能就是針對巡視查詢、報警信息以及作業(yè)任務(wù)查詢等進行各類作業(yè)任務(wù)的處理與報警信息的查詢分析。

1.2.5系統(tǒng)管理模塊

備份管理是為了保證數(shù)據(jù)的安全會在服務(wù)器進行定期備份，當系統(tǒng)出現(xiàn)異常或者數(shù)據(jù)受損時，可以通過數(shù)據(jù)備份進行數(shù)據(jù)恢復(fù)；權(quán)限管理的主要功能是對每一個用戶進行系統(tǒng)權(quán)限分配；用戶管理是對用戶的身份進行修改。

2 輸變電設(shè)備現(xiàn)場監(jiān)控平臺設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的輸變電設(shè)備系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)控平臺設(shè)計時在監(jiān)控軟件Nagios下進行2次開發(fā)，通過服務(wù)器端獲取監(jiān)控數(shù)據(jù)，對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行建模，形成展示平面圖，整個系統(tǒng)的設(shè)計如圖5所示[11]。

圖5 現(xiàn)場監(jiān)控平臺總體架構(gòu)Fig.5 Overall architecture of the on-site monitoring platform

由圖5可知：

(1)顯示主要對監(jiān)控的數(shù)據(jù)進行實時展現(xiàn)，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的監(jiān)控信息進行實時展現(xiàn)；

(2)監(jiān)控端主要將采集到的監(jiān)控數(shù)據(jù)通過插件的方式進行遠程數(shù)據(jù)收集，并將主機中的監(jiān)控數(shù)據(jù)進行解析放入到數(shù)據(jù)庫中。當核心驅(qū)動設(shè)備獲得監(jiān)控結(jié)果后，根據(jù)監(jiān)控結(jié)果的格式進行數(shù)據(jù)解析，然后存儲到數(shù)據(jù)庫中[12]；

(3)網(wǎng)絡(luò)主要功能是實現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備與被監(jiān)控設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)通信；

(4)被監(jiān)控端主要對本地設(shè)備進行監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集和整理，通過插件進行設(shè)備的監(jiān)控數(shù)據(jù)采集。

2.2 監(jiān)控平臺實現(xiàn)

2.2.1監(jiān)測模塊的實現(xiàn)

(1)CPU監(jiān)測功能的實現(xiàn)：CPU監(jiān)測功能主要對CPU的使用率、空閑率進行監(jiān)測，具體流程圖6所示[13]；

圖6 CPU監(jiān)測流程Fig.6 CPU monitoring process

(2)無線路由器參數(shù)檢測功能的實現(xiàn)：該模塊的主要功能就是對無線路由器的接入量進行監(jiān)控。在無線路由器運行過程中，參數(shù)較為隱蔽，無法直接獲得參數(shù)。因此，為了解決這種隱蔽性[14]，需要通過Linux內(nèi)核添加驅(qū)動程序得到參數(shù)信息。利用驅(qū)動程序創(chuàng)建虛擬文件后，獲取路由器的參數(shù)信息，調(diào)用驅(qū)動程序即可獲得；然后再利用無線路由器將路由的參數(shù)返回到NRPE中。

2.2.2監(jiān)控平臺界面實現(xiàn)

(1)用戶登陸界面實現(xiàn)：為了保證用戶使用的安全性，監(jiān)控平臺為每一位用戶設(shè)置了用戶名和密碼；

(2)主界面：可以查看路由監(jiān)控、路由管理、密碼修改，也可以查看路由器的運行狀態(tài)；

(3)添加/刪除功能：該模塊可以對設(shè)備進行添加和刪除操作，添加設(shè)備名稱或者IP地址；

(4)監(jiān)測功能：實現(xiàn)對無線路由器的監(jiān)測，對IP地址、使用時間、占用率以及連接數(shù)量進行監(jiān)控[15]；

(5)控制功能：可以對無線路由器進行控制，遠程重啟路由器，以實現(xiàn)對設(shè)備的控制功能。

3 輸變電設(shè)備全景信息建模

輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)在進行體系結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要將信息流與業(yè)務(wù)需求進行結(jié)合，讓每一層的數(shù)據(jù)都能夠獲得完全的獨立。根據(jù)國際標準和物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的標準，讓物聯(lián)網(wǎng)輸變電設(shè)備在進行體系設(shè)計時變得更加開放化，讓該體系可以滿足輸變電設(shè)備的信息系統(tǒng)運行[16]。

3.1 全景信息

通過引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以讓信息化管理更加完善，保證數(shù)據(jù)可以得到新的數(shù)據(jù)格式進行保存。隨著數(shù)據(jù)流量的增加，信息模型也在不斷更新。輸變電設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流，需要通過全景信息模型建立統(tǒng)一的標準和技術(shù)，從物理空間、信息空間等不同的維度進行設(shè)備信息的管理與描述。根據(jù)生命周期的運行需求完善輸變電設(shè)備的全景信息設(shè)置。

輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)全壽命周期管理核心如圖7所示[17]。

圖7 輸變電設(shè)備周期管理核心業(yè)務(wù)Fig.7 Core business of cycle management of power transmission and transformation equipment

由圖7可知，在系統(tǒng)中包含了多個運行流程，在各個業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)都有所體現(xiàn)，通過對事故風險進行預(yù)防后可以提高輸變電設(shè)備的維護效率，完善設(shè)備的壽命周期管理[18]。因此，系統(tǒng)在設(shè)備信息方面的功能要加強，讓設(shè)備的狀態(tài)診斷功能不斷完善，才可以滿足系統(tǒng)目前的運行需求。全景信息模型在建立的過程中，要保證對物聯(lián)網(wǎng)輸變電設(shè)備的生命周期管理的完善，從而讓系統(tǒng)可以得到安全穩(wěn)定的運行。

3.2 基于CIM智能變電站設(shè)備全景信息建模

CIM作為UML文檔中的一種重要類型圖，主要功能就是對發(fā)電和輸電的狀態(tài)進行描述。CIM模型在全壽命周期管理的全景信息平臺基礎(chǔ)上完成對智能變電站的設(shè)備信息屬性劃分的功能，整個系統(tǒng)分為電力系統(tǒng)資產(chǎn)模型和資源模型，根據(jù)設(shè)備的壽命周期管理需要，建立全景信息模型的主要目的就是分析來自系統(tǒng)中的各類信息，并對子類的應(yīng)用場景進行描述，從而完成對各個類的屬性研究。在全景信息模型的基礎(chǔ)之上所建立的平臺，要應(yīng)用到實際中，并完成模型驗證[19]。

3.3 仿真分析

3.3.1監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)

以220 V的變電站為例，根據(jù)變電站的實際情況，進行傳感器的參數(shù)配置，結(jié)果如表1所示。

表1 監(jiān)測傳感器配置Tab.1 Monitoring sensor configuration

3.3.2監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)仿真分析

在OPNET中就設(shè)定了星型結(jié)構(gòu)、樹型結(jié)構(gòu)以及Mesh結(jié)構(gòu)，除此之外，還增加了簇狀拓撲結(jié)構(gòu)。在星型結(jié)構(gòu)中，所有的傳感器節(jié)點都需要通過協(xié)調(diào)節(jié)點的方式進行通信，不適用于本試驗[20]。簇狀拓撲結(jié)構(gòu)與最小的網(wǎng)絡(luò)流量相比，分組丟失率并不會影響實際的通信效果，因為簇狀拓撲結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)從一開始網(wǎng)絡(luò)就處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，雖然應(yīng)用層存在延遲，但是相比樹型結(jié)構(gòu)以及Mesh結(jié)構(gòu)而言，延遲效果和穩(wěn)定性明顯優(yōu)于這2種結(jié)構(gòu)。通過對變壓器監(jiān)測部分中的節(jié)點進行監(jiān)測后可知，當網(wǎng)絡(luò)較為穩(wěn)定時，簇狀的路由器和傳感器節(jié)點在各個方面都要優(yōu)于其他2種結(jié)構(gòu)，但是信噪比的指標相對而言較為欠缺。

在實際應(yīng)用中，如果不能對節(jié)點的大小進行正確設(shè)置，會增加網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的延時，增加數(shù)據(jù)包的丟失率。通過仿真得到網(wǎng)絡(luò)在實際運行中的變化，在設(shè)備監(jiān)視間隔中添加一個傳感器節(jié)點，根據(jù)節(jié)點的屬性對比與原始模型的屬性是否相同。

4 結(jié)語

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模的擴大，國家電網(wǎng)公司的壓力也飆升。為了進一步提升電網(wǎng)效益，國家電網(wǎng)越來越重視輸變電的安全管理工作，對輸變電的巡視和檢修等作業(yè)提出了更高的要求。本研究完成了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的輸變電設(shè)備安全系統(tǒng)的設(shè)計，并引申了監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，證明了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電網(wǎng)智能化建設(shè)中的支撐作用，將其推廣應(yīng)用可以得到良好的社會效益和經(jīng)濟效益。