面向電力抽水蓄能行業的智慧物聯體系技術研究

閻 峻，黃建德，蔣池劍，朱 佳，李雪強

（1.國網新源控股有限公司，北京 100032；2.華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江 臺州 317200）

近年來，物聯網相關技術引起了全球廣泛關注，成為目前世界科技發展的戰略制高點。國內“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要進一步加強了對數字化發展、工業互聯網和數字化轉型等的表述，規劃內容也更明確集中。

當前，抽水蓄能行業相關公司已建設生產管理系統、生產實時系統、大壩安全監測信息管理系統等，現有系統基本滿足抽水蓄能公司基建和生產運行階段的業務需求，但各系統各自獨立部署，系統間缺少信息交互和應用融合；同時還存在系統數據格式不統一、數據重復錄入等問題，導致數據貫通、數據共享、狀態評價、業務協同及分析決策較為困難，不能滿足抽水蓄能公司業務集約化管理與電力物聯網建設支撐的需求。

整體而言，抽水蓄能行業當前的物聯網業務建設缺乏頂層規劃，存在試點系統越來越多、系統孤島不斷增長的現象，存在重復投入研究、重復建設的情況。因此，有必要從抽水蓄能行業層面對各抽水蓄能電站的物聯網業務需求進行梳理分析，對物聯網應用場景進行統一規劃，以便更好地指導基建期、運行期各抽水蓄能電站的物聯網業務系統建設，統籌各抽水蓄能電站的試點建設工作，以減少重復投資，降低后期運維難度，提升項目建設效益，為基建期和運行期基層員工減負。

1 抽水蓄能物聯網體系架構設計

1.1 總體架構分析

國家電網公司在各專業現有采集感知基礎設施的基礎上，滿足公司戰略目標落地和各專業業務發展需要，按照“精準感知、邊緣智能、統一物聯、開放共享”的設計思路，借鑒互聯網建設模式，提出智慧物聯體系“云管邊端”總體架構[1]。

按照國網公司智慧物聯體系總體架構，物聯管理平臺實現對各型邊緣物聯代理、采集終端等統一接入和數據采集，向企業中臺、業務系統等提供標準化數據，且不長期存儲業務數據。即所有終端設備需通過物聯管理平臺進行接入，各業務系統需通過物聯管理平臺實現數據采集和使用。目前電站中大量業務系統多已投入使用多年，從采集終端到業務應用一體化部署，若采用總部互聯網部的智慧物聯體系建設方案，會存在2方面主要問題。

1）現有運行的業務系統部分功能會被物聯管理平臺替代，各業務應用需基于物聯管理平臺進行開發，會導致各業務系統建設商建設的積極性降低。

除夕這一天，達斡爾民族還有擺靈位 （Aor-Jugebe）的習俗。當年若哪家長輩逝世了，從當年算起連續三個春節從農歷三十至正月初三，要擺放已故長輩的靈位。靈位擺放在南炕的炕頭，這個位置是長輩住的位置，在這個位置上要把干干凈凈的被褥枕頭鋪好，一旁擺著的小桌子上要放置煙袋、酒、糕點和水果等物品。從農歷三十晚上到正月初三，本村和遠方親朋來家中拜年，首先要給靈位嗑頭、敬酒、獻煙。

2）物聯管理平臺需承擔現有多個專業系統的軟件功能，包括設備配置、參數設置、通信設置等，各業務系統已穩定運行多年，物聯管理平臺重新開發相關功能需投入大量人力，并需經過穩定運行檢驗，投資和時間成本較大。

基于以上原因，設計并開發面向抽水蓄能物聯網平臺定位于電站級統一數據中心，通過兼容現有業務系統建設和運行模式，實現數據統一匯聚，為數據共享共用奠定基礎，可采用物聯網平臺直接接入采集數據、物聯網平臺集成業務系統數據2種方式，以達到不改變現有業務系統運行方式，逐步實現物聯接入的目的。在不改造已有業務系統的情況下，物聯網平臺采用通過數據交換接口的方式或直接讀取數據庫的方式[2-5]，實現已有業務系統的數據匯聚。基于物聯管理平臺和一體化管控平臺構建電站統一設備運行管理數據匯聚中心，實現設備狀態信息集中存儲管理，以及構建跨業務系統的智能業務應用。針對配置加密芯片的無線采集節點（匯聚節點），通過安全接入網關，實現數據接入業務系統。

針對新建及改造業務系統，引入邊緣物聯代理和安全接入網關，進行終端設備接入，以滿足國網公司電力物聯網相關安全接入要求，具體接入情況如下。

1）采集節點通過無線局域網方式通信，需通過邊緣物聯代理和安全接入網關，接入業務系統或物聯管理平臺。

2）集節點通過4G方式通信，需配置專用的接入點（APN）SIM卡，且需在電站側租用運營商的電力專用APN通道，通過APN網絡接入邊緣物聯代理，并通過安全接入網關接入業務系統或物聯管理平臺。

3）對于全程有線方式，可直接接入業務系統或物聯管理平臺。

1.2 抽水蓄能物聯網架構設計

抽水蓄能行業智慧物聯體系基本架構[6]包括4個邏輯層：感知層、網絡層、平臺層、應用層，如圖1所示。

圖1 總體框架

1.2.1 感知層

針對以上問題，需開展感知終端、智能業務終端、邊緣物聯代理等的部署應用，能夠實現在多種場合滿足基建、運行、經營管理等環節信息獲取的實時性、準確性、全面性等要求，為各項電站生產運營的規范化管理能力提供有效支撐。

抽蓄電站業務終端包括測控類智能業務終端、監測類智能業務終端，以及無人機、機器人、智能攝像頭等。

1）測控類智能業務終端。主要包括抽蓄電廠監控裝置、自動發電控制/自動電壓控制裝置（AGC/AVC裝置）、調速裝置、勵磁裝置、測速裝置、振擺保護裝置等，完成對抽蓄電廠機組、開關站、公用和閘門等監控對象的運行工況信息的測量與控制，將相應的工況信息發送給計算機監控系統，并接受監控系統的控制調節指令，控制相應的執行元件調節水輪機組的運行情況，保證電站按照調控安全穩定運行。

2）監測類智能業務終端。包括智能數據采集裝置、一體化無線傳感采集終端及低功耗無線采集終端。按專業又可分為發電設備監測終端、水情測報終端、大壩安全監測終端等，主要用于對抽蓄電站機組設備狀態、水情、雨情、氣象及大壩安全監測類傳感器的自動化采集，將數據通過有線或無線的方式發送給相應的機組在線監測、水情測報、大壩安全監測等軟件業務系統。

3）無人機。隨著無人機技術的成熟及成本的降低，無人機已越來越多地在電力行業應用到電力巡線、線路架設、異物除障、線路規劃和三維建模等各領域。

在基建期、運行期的電站，都存在室外環境復雜等問題，通過無人機開展室外環境的巡查工作，具有機動靈活、自主飛行、環境適應能力強等優勢。通過無人機的應用，可不受惡劣天氣影響，隨時巡航，有利于增加重點區域的巡檢次數。適合在復雜環境執行任務，通過機載高清拍攝設備，可定期對電站各室外環境進行重點排查。同時，通過配置定制的掛載裝置，拓展無人機的使用場景。降低巡檢工作人員的巡檢工作強度，提高巡檢效率，提升工作體驗。

4）智能巡檢機器人。抽水蓄能電站全廠設備分布在上下庫、地下廠房、開關站等位置，分布區域廣，設備形式多樣，電氣環境、地理環境差別較大，平常主要通過運行人員進行日常及精細巡檢，巡檢任務重，人力成本高，易存在巡視盲點，利用智能巡檢機器人極強的復雜環境適應能力、人工智能算法，可以大幅降低巡檢的人力成本，提高對設備健康狀態的持續、科學的大數據分析，提升設備狀態評估及預測的精度。

1.2.2 網絡層

網絡層是物聯網架構的中間環節，是架設在感知層與平臺層之間的橋梁，主要負責信息接入、傳輸與承載。

在抽蓄電站物聯網業務中，部署在現場的各類業務終端應因地制宜，選擇合適的（有線/無線）本地通信方式連接到邊緣物聯代理。邊緣物聯代理可經有線、無線專網或經無線公網等遠程通信網絡，最終接入平臺層的物聯管理平臺。

因各電站建成時期不同，導致各電站在建設時的網絡規劃情況各不相同。且電站建成后，由于廠區洞室環境的復雜性，很難進行有線網絡（工業以太網）的新增鋪設。隨著機器人、移動終端、無線傳感等技術應用需求的激增，網絡通信成為了制約新型技術應用和發展的瓶頸。

本地通信網絡在原有工業以太網、RS-485等有線接入網絡的基礎上，重點開展LoRa、ZigBee等無線通信技術的應用，滿足各類無線傳感器的接入需求。

遠程通信網絡在原有光纖傳輸網的基礎上，重點開展4G/5G公網、NB-IoT、電力無線專網等無線通信技術的應用，滿足邊緣物聯代理、機器人、無人機等終端的接入需求。

1.2.3 平臺層

通過將物聯管理平臺（具備模型管理、連接管理、設備管理、消息處理、能力開放、應用管理）與一體化管控平臺融合，形成物聯數據中心，使其具備標準的物聯接入和業務系統數據接入2種能力，以支撐已有業務系統數據接入和新建（改造）業務場景數據接入，建成電站級數據中心滿足數據統一采集、共享共用的建設目標。

根據國網公司智慧物聯體系的要求，物聯管理平臺實現對各型邊緣物聯代理、采集終端等設備的統一在線管理和遠程運維，應具備6大功能：模型管理、連接管理、設備管理、消息處理、能力開發和應用管理。

其中物聯管理平臺的“應用管理”，包括應用包及配置文件上傳、應用上架發布、應用狀態查詢及管理、應用升級、容器和APP下發安裝、應用業務配置等。具體而言，即對邊緣物理代理中APP的在線更新和遠程運維。

此外，物聯數據中心還具備數據清洗轉換、數據存儲、數據分析計算、數據共享分發和數據可視化、門戶網站和業務應用管理等功能，實現數據從采集到應用的全流程管控，即具備數據中心的全部功能。

1.2.4 應用架構

構建數據中心、數據處理、數據模型、能力開放和人機交互等在內的基礎支撐能力。基于基礎支撐能力，圍繞建設需求，開展基建工程應用、運維檢修應用、水工管理應用、綜合安全管理應用和安全業務應用等。

2 結束語

本文提出了電力抽水蓄能行業智慧物聯體系架構，通過總體架構分析與設計，構建出數據統一采集、數據全面共享、設備統一控制的電力抽水蓄能物聯網物聯體系，滿足了多樣化的電力物聯網業務需求，實現“數據貫通、數據共享、業務協同”的目標。

針對當前抽蓄電站的業務現狀及未來業務發展的需求，物聯網技術的應用，應以數據接入和共享為出發點，以提高企業經營效率、發揮數據價值為目標，應分以下2個階段開展抽蓄電站物聯網各項應用的建設和發展。

第一階段通過選取需求比較迫切的建設場景，開展物聯網業務建設試點，積累建設經驗，再逐步向各業務需求拓展，避免大面積展開造成投資浪費。

第二階段擬以建設電站數據中心為目標，通過增量終端的建設，逐步實現新增終端通過邊緣物聯代理和物聯管理平臺，通過業務系統接入，實現數據標準化接入匯聚。從而實現電站主要業務系統（主機及輸變電設備狀態監測、大壩安全監測、工器具、人員定位等）的數據匯聚和規范管理，并基于數據平臺開展智能業務應用的開發。

目前物聯網技術和應用建設，在抽水蓄能公司仍處于初期階段，具有較大的提升和應用空間，通過不斷加強終端接入、數據共享、應用創新，物聯網技術將極大提升電站數字化、智能化水平，提升抽水蓄能電站建設運行管理水平。