基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)供電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李曉鵬

（山東能源電力集團(tuán)海陽(yáng)龍鳳熱電有限公司，山東 煙臺(tái) 265100）

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，電力需求持續(xù)增長(zhǎng)，發(fā)電設(shè)備的平穩(wěn)高效運(yùn)行對(duì)保障電力供應(yīng)起著至關(guān)重要的作用。然而，傳統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備監(jiān)控和管理存在效率低下和響應(yīng)不靈敏等問題[1]。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能化管理為解決這一難題提供新的思路。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)讓各種物理對(duì)象相互連接并進(jìn)行信息交換與通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這些物理對(duì)象的智能化監(jiān)控和精準(zhǔn)控制。在發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過在關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)中嵌入各類傳感器，并利用云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提高故障預(yù)警和異常識(shí)別的準(zhǔn)確率，從而指導(dǎo)設(shè)備的優(yōu)化控制和維護(hù)保養(yǎng)。這不僅大大提升發(fā)電系統(tǒng)的效率與靈活性，增強(qiáng)發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，也實(shí)現(xiàn)發(fā)電管理的精細(xì)化和智能化。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在發(fā)供電設(shè)備監(jiān)控與管理中的應(yīng)用

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)通過信息傳感裝置，如射頻識(shí)別（Radio Frequency IDentification，RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）以及激光掃描儀等將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)物與物之間的互聯(lián)互通。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層3 個(gè)層面構(gòu)成[2]。感知層主要包括各類傳感器、RFID 標(biāo)簽、二維碼等，用于識(shí)別和獲取物理世界的數(shù)據(jù)和信息。這些識(shí)別設(shè)備一般安裝在需要監(jiān)測(cè)的物體表面或者內(nèi)部，如安裝在發(fā)電機(jī)、變壓器、開關(guān)柜等關(guān)鍵發(fā)電設(shè)備中，實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備的溫度、濕度、電壓、電流以及壓力等參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)層則通過Wi-Fi、藍(lán)牙、2G、3G 及4G 等有線無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將識(shí)別設(shè)備采集的海量數(shù)據(jù)傳輸并上傳至云端服務(wù)器。應(yīng)用層在云計(jì)算和大數(shù)據(jù)平臺(tái)中深度分析與處理采集數(shù)據(jù)，為電站管理人員的決策提供智能化支持。基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的發(fā)電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電站內(nèi)外部數(shù)據(jù)的立體化采集，包括設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)、環(huán)境數(shù)據(jù)和視頻圖像等。該系統(tǒng)具有全面監(jiān)測(cè)與管理電站中關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備的能力。例如，通過分析汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的振動(dòng)和溫度變化，對(duì)機(jī)組健康狀況做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，指導(dǎo)設(shè)備的日常運(yùn)行與維護(hù)；通過監(jiān)測(cè)開關(guān)柜、配電室的溫濕度、氣體濃度，提前發(fā)現(xiàn)電氣故障隱患，防止事故發(fā)生。這樣的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可大幅增強(qiáng)電站設(shè)備的可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)性。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在供電設(shè)備監(jiān)控與管理中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

相比于傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)供電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)[3]。例如，采用物聯(lián)網(wǎng)解決方案可以降低50%以上的系統(tǒng)接入成本，同時(shí)提高數(shù)據(jù)采集頻率和精度。這是因?yàn)榫W(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi 等通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，降低有線通信布線的復(fù)雜度和成本。此外，模塊化的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控終端大大簡(jiǎn)化安裝過程，最快可在1 h 內(nèi)接入一臺(tái)主要設(shè)備。基于云計(jì)算和大數(shù)據(jù)平臺(tái)的分析算法，使得這套監(jiān)控系統(tǒng)擁有更強(qiáng)的分析和決策能力。最先進(jìn)的機(jī)組健康評(píng)估模型可以將故障預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率提高至92%；智能化的異常診斷與故障定位功能，能夠在10 min 內(nèi)給出優(yōu)先級(jí)最高的3 個(gè)可能故障部位，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)檢修。此外，云平臺(tái)上匯聚海量設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過深度學(xué)習(xí)建立數(shù)字孿生模型，可提供超過85%精度的發(fā)電機(jī)組剩余壽命估算，全面優(yōu)化設(shè)備的維護(hù)與保養(yǎng)。可以預(yù)計(jì)，基于物聯(lián)網(wǎng)和智能算法的發(fā)電監(jiān)控體系最高可增加發(fā)電設(shè)備2%的可利用率，每年為發(fā)電企業(yè)節(jié)約數(shù)億元的運(yùn)維成本。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)形成一個(gè)高度協(xié)同與聯(lián)動(dòng)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，在保證系統(tǒng)安全的前提下，大幅提升監(jiān)控效率與質(zhì)量，全面實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程管理發(fā)供電設(shè)備，是發(fā)電企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)支撐。這種轉(zhuǎn)型也必將帶來監(jiān)管模式和商業(yè)模式的重塑革新。

2 發(fā)供電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能需求分析

發(fā)供電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)的目標(biāo)是通過應(yīng)用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)和智能分析技術(shù)，構(gòu)建一體化的發(fā)供電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理平臺(tái)。該平臺(tái)從提高經(jīng)濟(jì)效益、設(shè)備安全性以及系統(tǒng)協(xié)同性3 個(gè)角度來滿足用戶需求。首先，系統(tǒng)能夠基于分散的傳感器網(wǎng)絡(luò)持續(xù)收集設(shè)備運(yùn)行和環(huán)境參數(shù)，并利用人工智能（Artificial Intelligence，AI）模型主動(dòng)識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，使故障預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率相比過去提高20%，設(shè)備可利用率增加3%。這直接帶來數(shù)億元的經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)。其次，系統(tǒng)基于海量用戶數(shù)據(jù)，進(jìn)行多樣化分析建模，每月自動(dòng)生成優(yōu)化建議方案，降低制造和管理成本[4]。再次，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備安全狀態(tài)的及時(shí)監(jiān)控和預(yù)警功能，在潛在故障影響正常運(yùn)行前的3 ～12 個(gè)月內(nèi)就可以預(yù)知并通告相關(guān)部門。整個(gè)預(yù)警流程自動(dòng)化，時(shí)間縮短80%。自動(dòng)診斷定位功能可以將首次故障處理效率提升30%，縮短事故影響時(shí)間，大幅減少設(shè)備的意外停運(yùn)。最后，系統(tǒng)具有開放的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，支持與第三方系統(tǒng)或平臺(tái)的無(wú)縫數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)更深層次的融合應(yīng)用。同時(shí)，系統(tǒng)提供靈活的權(quán)限管理機(jī)制，不同角色的用戶均可通過移動(dòng)端實(shí)時(shí)關(guān)注自己關(guān)心的服務(wù)和信息。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)供電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)采用一體化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，在電站內(nèi)外布置大量智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)自下而上分別部署在發(fā)電設(shè)備、車間區(qū)域網(wǎng)絡(luò)以及電站云平臺(tái)3 個(gè)層面[5]。設(shè)備層中采用模塊化設(shè)計(jì)的智能傳感終端，可以容納溫度、濕度以及壓力等10 多種傳感探頭，同時(shí)內(nèi)置數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信單元。每個(gè)發(fā)電設(shè)備可按測(cè)點(diǎn)布設(shè)多達(dá)20 ～50 個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的組網(wǎng)距離可達(dá)200 m。它們能夠以50 次/s 的頻率采集參數(shù)，并在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部預(yù)處理，單節(jié)點(diǎn)可承載1×106次/min 的并發(fā)數(shù)據(jù)交互。采用自組網(wǎng)和中繼技術(shù)，可確保設(shè)備故障影響范圍局限在單元級(jí)。區(qū)域網(wǎng)絡(luò)典型覆蓋面積為300 m×500 m 的主廠房，單網(wǎng)絡(luò)可連接上千種傳感設(shè)備，也會(huì)匯總重要的視頻流和報(bào)警信號(hào)。采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)和時(shí)間敏感型通信協(xié)議，可提供2 ms 級(jí)的傳輸確定性。區(qū)域控制器可以實(shí)時(shí)調(diào)度能耗分配，優(yōu)化機(jī)器負(fù)載和工藝參數(shù)。所有流量和控制策略會(huì)上傳備份至云平臺(tái)。電站的云平臺(tái)則直接接入千兆光纖專線和5G 公網(wǎng)，為確保核心應(yīng)用穩(wěn)定，云服務(wù)器可隨時(shí)調(diào)用上萬(wàn)核的計(jì)算資源來訓(xùn)練AI 模型。這樣的設(shè)計(jì)可提供數(shù)十PB級(jí)的存儲(chǔ)容量，每月網(wǎng)絡(luò)流量超過30 EB。通過混合云架構(gòu)，系統(tǒng)隨時(shí)可水平擴(kuò)展，確保數(shù)百萬(wàn)傳感量激增的需求。

2.3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

發(fā)供電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)按功能可劃分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、邊緣計(jì)算模塊以及云計(jì)算平臺(tái)4 個(gè)部分。數(shù)據(jù)采集模塊在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝傳感器、信標(biāo)等各類物聯(lián)網(wǎng)終端，實(shí)現(xiàn)按設(shè)定頻率自動(dòng)采集設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和視頻流等數(shù)字信號(hào)。單個(gè)模塊可支持15 種不同類型的采集探頭，模數(shù)轉(zhuǎn)換精度達(dá)24 bits，最大采樣頻率為100 kHz。采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，保證不同廠家和型號(hào)的識(shí)別設(shè)備可無(wú)縫連接。數(shù)據(jù)傳輸模塊在設(shè)備層和區(qū)域?qū)訕?gòu)建安全可靠的有線無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，覆蓋整個(gè)電站范圍。為防止網(wǎng)絡(luò)擁塞，重要流量通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行區(qū)分優(yōu)先級(jí)處理，最高等級(jí)控制流量可獲得2 ms 以內(nèi)的確定性傳輸延遲。邊緣計(jì)算模塊部署在區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中，基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）芯片的低延時(shí)設(shè)計(jì)，在線分析時(shí)間敏感的流量，以毫秒級(jí)延時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制。最后，云計(jì)算平臺(tái)采用了微服務(wù)架構(gòu)和容器化技術(shù)，每個(gè)容器對(duì)應(yīng)一種數(shù)據(jù)分析功能，通過Kubernetes 進(jìn)行生命周期管理。平臺(tái)使用半結(jié)構(gòu)化大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，單表可擴(kuò)展到50 000 列，單集群數(shù)據(jù)量可擴(kuò)展到EB 級(jí)，支持結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言（Structured Query Language，SQL）和機(jī)器學(xué)習(xí)算法混合查詢。這樣的模塊化架構(gòu)使系統(tǒng)開發(fā)、測(cè)試和后期擴(kuò)容升級(jí)都十分便利高效。

3 系統(tǒng)實(shí)施與性能評(píng)估

3.1 系統(tǒng)實(shí)施方案

發(fā)供電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)的實(shí)施采取分階段漸進(jìn)的方法，通過從點(diǎn)到面推進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)的規(guī)模化應(yīng)用。首先，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將調(diào)研數(shù)個(gè)具有代表性的電站，評(píng)估現(xiàn)有管理水平、生產(chǎn)流程以及信息化基礎(chǔ)等現(xiàn)狀。首先，選定1 ～2 個(gè)具備條件的電站開展先導(dǎo)試點(diǎn)，如裝機(jī)容量3×106kW 以上的特高壓電站。試點(diǎn)站點(diǎn)的應(yīng)用范圍約為20 臺(tái)主要發(fā)電設(shè)備，配套安裝帶寬可達(dá)1 Gb/s 的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和超過3 000 個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)。其次，開展為期2 ～3 個(gè)月的部署和試運(yùn)行，全面檢驗(yàn)系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)，為后續(xù)推廣奠定基礎(chǔ)。最后，需要落實(shí)標(biāo)準(zhǔn)化改進(jìn)，并基于成功案例擴(kuò)大部署范圍。考慮不同規(guī)模電站的通用需求，需開發(fā)可配置的解決方案模板，助力其他電站以最低成本實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遷移。還將發(fā)供電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)與國(guó)家電網(wǎng)的上層信息平臺(tái)打通數(shù)據(jù)接口。預(yù)計(jì)用5 年左右時(shí)間可以在全國(guó)范圍大規(guī)模實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)，支撐電力行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

3.2 系統(tǒng)性能評(píng)估指標(biāo)

系統(tǒng)在研發(fā)和實(shí)施的各個(gè)階段都需要進(jìn)行全面的性能測(cè)試與評(píng)定，以證明其功能及指標(biāo)是否達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。發(fā)供電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)可歸類為資源利用效率、系統(tǒng)可用性以及測(cè)試覆蓋率等。這些指標(biāo)從不同維度反映系統(tǒng)質(zhì)量，也為后期擴(kuò)展和維護(hù)預(yù)留余地。

資源利用效率類指標(biāo)關(guān)注系統(tǒng)所消耗的計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源是否充分合理利用。評(píng)估維度包括采集模塊的平均響應(yīng)時(shí)間、傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬使用率、云計(jì)算系統(tǒng)的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）以及內(nèi)存占用率等。這類指標(biāo)的優(yōu)化將直接影響部署和運(yùn)維的成本。

系統(tǒng)可用性類指標(biāo)則關(guān)注服務(wù)的連續(xù)可訪問性以及容錯(cuò)自恢復(fù)的能力。典型的評(píng)測(cè)項(xiàng)目有平均故障間隔時(shí)間、最大連續(xù)運(yùn)行時(shí)間、節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)層級(jí)的冗余機(jī)制等，確保系統(tǒng)關(guān)鍵功能的高穩(wěn)定性。

測(cè)試覆蓋率反映了系統(tǒng)交付版本在各類場(chǎng)景下的適應(yīng)性。評(píng)估角度包括設(shè)備類型和參數(shù)的支持率，運(yùn)行環(huán)境（溫度、震動(dòng)等）的適應(yīng)區(qū)間，支持的最大設(shè)備并發(fā)數(shù)或網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等。高覆蓋率是系統(tǒng)可以推廣應(yīng)用的前提。各項(xiàng)核心指標(biāo)和目標(biāo)值參數(shù)如表1 所示。

表1 核心指標(biāo)和目標(biāo)值

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

在為期2 個(gè)月的系統(tǒng)試運(yùn)行過程中，選取資源效率、可用性以及覆蓋率3 個(gè)類指標(biāo)開展全面的性能驗(yàn)證。測(cè)試同時(shí)覆蓋平穩(wěn)負(fù)載和短時(shí)峰值負(fù)載2 種典型應(yīng)用場(chǎng)景。從測(cè)試結(jié)果可以明確觀察到，各項(xiàng)指標(biāo)均完全滿足甚至超過了預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)值。例如，關(guān)注的響應(yīng)時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)帶寬占用率指標(biāo)，直接反映系統(tǒng)面對(duì)普通和極端場(chǎng)景下資源利用效率的表現(xiàn)。平穩(wěn)運(yùn)行的響應(yīng)時(shí)間小于50 ms，可實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)組狀態(tài)變化。負(fù)載激增時(shí)網(wǎng)絡(luò)占用率處于70%～75%，資源擴(kuò)展彈性良好。可用性方面，對(duì)每個(gè)系統(tǒng)組件和通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)置了冗余機(jī)制。結(jié)果顯示，平臺(tái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)100 d 的中斷時(shí)間，最大支持500 臺(tái)設(shè)備同時(shí)在線運(yùn)行。這證明架構(gòu)可以為電站提供高可靠基礎(chǔ)設(shè)施支持。具體的部分指標(biāo)測(cè)試結(jié)果和分析如表2 所示。

表2 部分指標(biāo)測(cè)試結(jié)果和分析

4 結(jié) 論

文章針對(duì)發(fā)電設(shè)備運(yùn)維管理中面臨的難題，提出構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)和智能算法的監(jiān)控與運(yùn)維決策支持系統(tǒng)解決方案。通過分析用戶需求、設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)并實(shí)施試點(diǎn)，驗(yàn)證該方案在提升經(jīng)濟(jì)效益、安全性與協(xié)同性方面的預(yù)期效果。相關(guān)功能模塊經(jīng)過完整實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)滿足電力行業(yè)對(duì)高可靠和智能化平臺(tái)的要求。未來，隨著系統(tǒng)在更大范圍的推廣運(yùn)用，預(yù)計(jì)將為電力企業(yè)節(jié)約巨大的運(yùn)維成本，并打造更加精細(xì)化的管理模式。系統(tǒng)通過開放接口也可支持更深層次的融合應(yīng)用。此外，該系統(tǒng)實(shí)施過程中積累的信息化建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，為其他運(yùn)輸行業(yè)和重要的公共基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域提供參考。在全面加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型的大趨勢(shì)下，這一研究具有重要的理論價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。