基于物聯(lián)網(wǎng)的隨機(jī)性電源即插即用運(yùn)維技術(shù)方案研究

李獻(xiàn)偉，王 偉

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基于物聯(lián)網(wǎng)的隨機(jī)性電源即插即用運(yùn)維技術(shù)方案研究

李獻(xiàn)偉，王 偉

(許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

針對隨機(jī)性電源接入規(guī)模大、地域分布廣導(dǎo)致的運(yùn)維困難問題，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的即插即用運(yùn)維技術(shù)方案。該方案采用移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及地理信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的即插即用及現(xiàn)實(shí)地理場景精確定位。基于四維健康評估模型維修預(yù)警專家系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)隱患并提前維護(hù)，很好地滿足隨機(jī)性電源設(shè)備的運(yùn)維的需求。

隨機(jī)性電源；物聯(lián)網(wǎng)；地理信息技術(shù)；即插即用；健康評估模型；預(yù)警專家系統(tǒng)

0 引言

低碳經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)發(fā)展是人類可持續(xù)發(fā)展的必然要求，可再生能源、儲能、電動汽車的應(yīng)用增長迅速。本文將具有隨機(jī)性、波動性等特點(diǎn)并以分布式接入電網(wǎng)的新能源統(tǒng)稱為“隨機(jī)性電源”(如圖1所示)，其接入規(guī)模越來越大，距離分散，故障不能及時處理影響其使用效率，運(yùn)維成本高；與此同時，以大數(shù)據(jù)處理和第五代移動通信技術(shù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)取得了飛速發(fā)展，該技術(shù)通過射頻識別、傳感器、全球定位系統(tǒng)等，將物品相連接，進(jìn)行信息交換和通信，實(shí)現(xiàn)了智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理等一系列功能[1-3]。

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與隨機(jī)性電源的運(yùn)行維護(hù)相結(jié)合，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的隨機(jī)性電源運(yùn)維技術(shù)方案，滿足接入設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的即插即用，能夠及時準(zhǔn)確掌握區(qū)域隨機(jī)性電源接入設(shè)備的運(yùn)行狀況，并根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀況及維修記錄進(jìn)行評估并提前進(jìn)行維護(hù)，提高設(shè)備正常運(yùn)行時間，同時實(shí)現(xiàn)設(shè)備的電子化運(yùn)行維護(hù)流程，解決現(xiàn)有運(yùn)維的困難，提高隨機(jī)性電源的利用水平。

圖1 隨機(jī)性電源

1 隨機(jī)性電源運(yùn)維與物聯(lián)網(wǎng)

1.1 隨機(jī)性電源運(yùn)維分析

隨機(jī)性電源運(yùn)維水平不僅關(guān)系到設(shè)備能否長期正常穩(wěn)定運(yùn)行，還關(guān)系到運(yùn)行的成本、投資的價值以及最終收益，涉及面廣；投資業(yè)主關(guān)注其投資回報率，希望減少故障運(yùn)行時間，快速收回成本；電網(wǎng)運(yùn)營企業(yè)關(guān)注其對電網(wǎng)造成的影響，并制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范其接入，提高設(shè)備接入電網(wǎng)的友好性；用戶(同時也可能是投資業(yè)主)更加關(guān)注其應(yīng)用的安全性和可靠性。隨機(jī)性電源運(yùn)行維護(hù)水平對新能源的發(fā)展有很大的影響。

隨著新能源的不斷發(fā)展，隨機(jī)性電源接入設(shè)備的數(shù)量越來越龐大，地域也更為分散廣闊，通過人工定期或不定期的巡檢運(yùn)維方式不適應(yīng)其發(fā)展，表現(xiàn)為費(fèi)時費(fèi)力、維修不及時、運(yùn)維水平不高，不能有效提高隨機(jī)性電源的利用水平[4-5]。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是一個將全球定位系統(tǒng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、條碼與二維碼設(shè)備以及射頻標(biāo)簽閱讀裝置等信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議并通過各種接入網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大智能網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)物與物之間、人與物之間互聯(lián)的信息網(wǎng)絡(luò)，能夠提供以機(jī)器終端智能交互為核心的、網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用與服務(wù)[6-7]，如圖2所示為物聯(lián)網(wǎng)模型。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)模型

物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)φ暇W(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機(jī)器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)施實(shí)時管理和控制，實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達(dá)到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平[8-9]。

1.3 隨機(jī)性電源運(yùn)維與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系

隨機(jī)性電源的運(yùn)行維護(hù)包括能夠追蹤從設(shè)備的投運(yùn)、維護(hù)(維修)、退出運(yùn)行等階段，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過對設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一命名實(shí)現(xiàn)，并將設(shè)備信息及運(yùn)行工況上傳至云運(yùn)維中心，實(shí)現(xiàn)設(shè)備身份的識別、定位并維修，滿足設(shè)備全生命周期的管理。

(1) 設(shè)備的自動識別

自動識別技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)涉及的眾多技術(shù)之一，利用其中的語音識別技術(shù)、條碼識別技術(shù)、射頻識別技術(shù)等可以對隨機(jī)性電源設(shè)備設(shè)置具有唯一數(shù)字編碼或可辨特征的標(biāo)識，使得設(shè)備在運(yùn)維過程中能夠被快速有效地識別。

(2) 設(shè)備的精確定位

定位技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)涉及的另一種技術(shù)，利用衛(wèi)星定位、無線電波定位、傳感定位等可對隨機(jī)性電源設(shè)備進(jìn)行快速精確的定位。

(3) 滿足即插即用及海量運(yùn)維

通過物聯(lián)網(wǎng)將設(shè)備與云運(yùn)維中心互連實(shí)現(xiàn)海量隨機(jī)性電源接入設(shè)備的智能運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)設(shè)備投入運(yùn)行的即插即用，減少運(yùn)維人員規(guī)模，提高設(shè)備運(yùn)維的效率，滿足投資業(yè)主、用戶以及電網(wǎng)運(yùn)行方的需求，推進(jìn)隨機(jī)性電源的建設(shè)。

(4) 滿足全生命周期管理

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于分布式電源設(shè)備的全生命周期管理中，提高設(shè)備利用率，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)性電源設(shè)備全生命周期管理自動化、智能化。

2 即插即用的運(yùn)維技術(shù)

2.1 設(shè)備唯一性標(biāo)識

在物聯(lián)網(wǎng)的世界，每個設(shè)備都有唯一的物聯(lián)網(wǎng)址(IP地址)，它是數(shù)字世界的身份標(biāo)識，標(biāo)識特征與編碼的唯一性與統(tǒng)一性在物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行中非常重要。設(shè)備唯一性標(biāo)識可以是圖象識別、語音識別、條碼識別、射頻識別、磁識別、生物特征識別等。有時為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，可能將幾種識別方式并用。在本系統(tǒng)中，為了能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行身份識別，考慮到二維碼具有標(biāo)識成本低的優(yōu)點(diǎn)，采用自動識別技術(shù)設(shè)置了設(shè)備的二維碼作為設(shè)備唯一性標(biāo)識，如圖3所示為設(shè)備標(biāo)識二維碼。

圖3 設(shè)備唯一性標(biāo)識

2.2 即插即用運(yùn)維技術(shù)

設(shè)備的“即插即用”指新的設(shè)備投入運(yùn)行后，云運(yùn)維中心可自動識別新接入的設(shè)備，并對新設(shè)備加以管理，如圖4為隨機(jī)性電源云運(yùn)維中心。將此概念引用到應(yīng)用越來越廣的隨機(jī)性電源領(lǐng)域，“即插即用”主要體現(xiàn)應(yīng)用的及時性，是指對新添加設(shè)備自動和動態(tài)識別，包括初始安裝時自動識別、運(yùn)行中改變的識別以及退出的自動識別。隨機(jī)性電源運(yùn)維的即插即用是指對于云運(yùn)維中心來說，投入運(yùn)行即可自動識別并進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，無需繁雜的物理配置以及提前通知；隨機(jī)性電源投入運(yùn)行后，用戶無需手動配置的情況下，云運(yùn)維中心能夠自動識別新接入的設(shè)備，并對設(shè)備加以管理；通過規(guī)定接入設(shè)備編碼唯一(可將設(shè)備編碼簡單的比作手機(jī)號碼)，投入運(yùn)行后與云運(yùn)維中心主動連接，進(jìn)行身份自動識別，報告位置信息及設(shè)備運(yùn)行工況，類似于手機(jī)插上手機(jī)卡就可以使用[10-16]。

圖4 隨機(jī)性電源云運(yùn)維中心

隨機(jī)性電源接入設(shè)備編碼唯一，設(shè)備投入運(yùn)行后，主動連接云運(yùn)維中心建立連接并進(jìn)行身份識別及確認(rèn)，在網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)正常上送設(shè)備工況及定位信息并接受管理，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備接入運(yùn)維的即插即用，如圖5所示。

圖5 即插即用的身份識別

2.3 地理空間的精確定位

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)是結(jié)合地理學(xué)與地圖學(xué)以及遙感和計(jì)算機(jī)等交叉的學(xué)科，是對地球上存在的現(xiàn)象和發(fā)生的事件進(jìn)行成圖和分析，把地圖這種獨(dú)特的視覺化效果和地理分析功能與一般的數(shù)據(jù)庫操作集成在一起。

云運(yùn)維中心將隨機(jī)性電源上送的位置信息(由GPS或北斗定位設(shè)備的經(jīng)度與緯度信息、高度信息)與GIS進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)設(shè)備在現(xiàn)實(shí)地理場景的展示，滿足設(shè)備在地理空間的快速精確定位，實(shí)現(xiàn)設(shè)備真實(shí)環(huán)境定位的即插即用，如圖6所示。

圖6 隨機(jī)性電源接入設(shè)備位置的定位原理圖

3 多維度隨機(jī)性電源預(yù)警評估方法

多維度隨機(jī)性電源預(yù)警評估方法將設(shè)備健康評估與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，設(shè)備狀態(tài)信息及維修記錄通過物聯(lián)網(wǎng)及時發(fā)送至云運(yùn)維中心，運(yùn)維預(yù)警專家系統(tǒng)依據(jù)健康評估模型對設(shè)備健康狀況評估，若設(shè)備健康指標(biāo)低于健康指標(biāo)下限將進(jìn)行預(yù)警提醒[4]。

3.1 現(xiàn)行的運(yùn)維方案

現(xiàn)行的運(yùn)維方法是建立在總結(jié)以往工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)計(jì)運(yùn)維記錄的類型、處理方法，對系統(tǒng)實(shí)施定期或不定期的人工巡檢工作，來保證設(shè)備的安全和系統(tǒng)穩(wěn)定。然而，隨著隨機(jī)性電源建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大化與分散化，這種運(yùn)維方法的缺點(diǎn)愈發(fā)明顯，主要表現(xiàn)為：①巡檢不到位、漏檢、檢修不及時；②手工填報巡檢結(jié)果效率低、容易漏項(xiàng)或出錯；③管理人員難以及時、準(zhǔn)確、全面地了解系統(tǒng)狀況，難以制定最佳的保養(yǎng)和維修方案，也阻礙了隨機(jī)性電源的進(jìn)一步發(fā)展[17-23]。

3.2 多維度的健康評估模型

隨機(jī)性電源健康評估模型有四個維度，包括設(shè)備壽命、設(shè)備故障(故障類型、維修次數(shù)及維修人員)、設(shè)備告警(告警類型及次數(shù))、使用頻率(或正常運(yùn)行時間)，設(shè)備壽命是基準(zhǔn)，其他三個維度進(jìn)行融合分析得出設(shè)備近期可能發(fā)生某種或某幾種故障的概率，并通過與設(shè)備預(yù)期壽命進(jìn)行加權(quán)得出設(shè)備健康評估報告，具體包括四個方面：設(shè)備預(yù)期壽命、告警與故障之間的關(guān)聯(lián)度、使用頻率與故障之間的關(guān)聯(lián)度、使用頻率與告警之間的關(guān)聯(lián)度，如圖7所示為多維度隨機(jī)性電源接入設(shè)備預(yù)警評估模型。

圖7 多維度隨機(jī)性電源接入設(shè)備預(yù)警評估模型示意圖

(1) 設(shè)備預(yù)期壽命

健康評估模型以設(shè)備預(yù)期壽命(簡稱為exp)為基準(zhǔn)參考，它與設(shè)備使用年限(簡稱age)、設(shè)備的使用頻率(按照不同的時間尺度計(jì)算，為時間尺度，簡稱為freq())及故障維修情況(按照不同的時間尺度計(jì)算，維修頻率簡稱為rec())有直接的關(guān)聯(lián)，設(shè)備設(shè)計(jì)壽命簡稱為desi，設(shè)備預(yù)期使用壽命為

(2) 告警與故障之間的關(guān)聯(lián)度分析

隨機(jī)性電源投入運(yùn)行后將根據(jù)運(yùn)行情況上送告警信息，告警信息包括設(shè)備故障告警；正常運(yùn)行情況上送普通告警信息，不影響設(shè)備的正常使用，健康評估模型通過分析上送告警類型type(按照不同的時間尺度計(jì)算發(fā)生頻率freq())與設(shè)備維修故障類型type(故障類型type的維修頻率freq())之間的關(guān)系可甄別那種告警類型發(fā)生最可能引起設(shè)備故障，比如針對某一設(shè)備的告警歷史記錄發(fā)現(xiàn)：告警類型A上送2次就引起設(shè)備故障類型發(fā)生的頻率很高，可以推斷告警類型type與故障類型type的關(guān)聯(lián)度很高，關(guān)聯(lián)親密系數(shù)rel(type,type)；通過分析提高基于設(shè)備狀況進(jìn)行提前預(yù)警維修的準(zhǔn)確度，避免無謂檢修或者過度檢修。某一時間段內(nèi)告警類型type上送后故障type發(fā)生的幾率occur(type,type)為

(3)

(3) 使用頻率與設(shè)備故障的關(guān)聯(lián)度分析

分析設(shè)備的使用頻率freq與發(fā)生故障類型type之間的關(guān)系主要是為了發(fā)現(xiàn)設(shè)備易發(fā)生故障的環(huán)節(jié)，并獲得故障類型與使用頻率之間的關(guān)系，提高維修預(yù)警的準(zhǔn)確度，縮短維修時間，并以設(shè)備使用頻率為基準(zhǔn)提出的維修健康預(yù)警，故障類型與使用頻率的關(guān)聯(lián)親密系數(shù)rel(type,freq)(系數(shù)根據(jù)設(shè)備歷史記錄分析獲得，它某段時間內(nèi)由該故障引起設(shè)備的維修頻率成正比，與該段時間內(nèi)使用頻率成反比，是一個相對固定的值，比如根據(jù)歷史時間t內(nèi)計(jì)算出rel(type,freq)(t))，某時間該設(shè)備發(fā)生故障類型type的幾率occur(type,freq)與設(shè)備使用頻率之間關(guān)系為

(5)

(4) 使用頻率與設(shè)備告警的關(guān)聯(lián)度分析

分析設(shè)備使用頻率與告警之間的關(guān)系主要是為了獲得設(shè)備使用過程易發(fā)生誤操作習(xí)慣，通過修正用戶操作規(guī)程或改進(jìn)設(shè)備建設(shè)誤操作報警；同時根據(jù)設(shè)備使用頻率調(diào)整告警類型排序等。某一段時間內(nèi)告警類型的級別_type與使用頻率freq之間的關(guān)系(_type指原有告警級別)為

3.3 隨機(jī)性電源設(shè)備維修預(yù)警專家系統(tǒng)

維修預(yù)警專家系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備維修歷史信息及設(shè)備運(yùn)行情況分析設(shè)備的健康情況，維修人員最為關(guān)注設(shè)備壽命及設(shè)備故障，若設(shè)備預(yù)期壽命為零或者負(fù)值標(biāo)明設(shè)備已報廢，建議盡快更換或拆除；設(shè)備故障發(fā)生幾率主要與設(shè)備壽命、使用頻率、維修頻率有關(guān)，若分析得出設(shè)備發(fā)生某故障的幾率大于80%，專家系統(tǒng)將設(shè)備地理位置信息及預(yù)發(fā)生故障的類型推送至運(yùn)維人員并提前維修。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)的電子化運(yùn)維檢修流程

電子化的運(yùn)維檢修流程可滿足設(shè)備的全生命周期管理，減少運(yùn)維人員規(guī)模，滿足了投資業(yè)主、用戶以及電網(wǎng)運(yùn)行方的需求。

4.1 預(yù)警評估

預(yù)警專家系統(tǒng)依據(jù)多維度的健康評估模型定期給予設(shè)備健康評價，將評價結(jié)果上送到云運(yùn)維中心。如果評價結(jié)果低于合格值，云運(yùn)維中心便將可能發(fā)生故障類型及概率、設(shè)備位置等傳送給運(yùn)維人員，方便對設(shè)備進(jìn)行提前維修，如圖8所示。

圖8 電子化隨機(jī)性電源接入設(shè)備運(yùn)維檢修原理圖

4.2 運(yùn)維檢修流程

云運(yùn)維中心通過移動互聯(lián)網(wǎng)將故障告警(或維修預(yù)警信息)及故障設(shè)備位置設(shè)備推送至運(yùn)維人員，運(yùn)維人員依據(jù)這些信息便可提前進(jìn)行備品備件，按照位置信息精確定位故障設(shè)備，然后通過手持終端進(jìn)行設(shè)備確認(rèn)并維修。維修完成后，運(yùn)維人員需準(zhǔn)確上報設(shè)備故障類型及維修時間至運(yùn)維中心，預(yù)警專家系統(tǒng)通過維修歷史記錄結(jié)合預(yù)警評估模型進(jìn)一步提高故障預(yù)警的水平(包括對運(yùn)維人員的考核等)，改進(jìn)預(yù)警評估方法，提高運(yùn)維水平，如圖9為隨機(jī)性電源設(shè)備故障維修流程。

圖9 故障維修流程圖

5 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)的即插即用運(yùn)維技術(shù)方案通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與隨機(jī)性電源運(yùn)維技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了海量的隨機(jī)性電源接入設(shè)備的智能運(yùn)維，滿足接入設(shè)備運(yùn)維的即插即用，能夠及時準(zhǔn)確掌握區(qū)域隨機(jī)性電源接入設(shè)備的運(yùn)行狀況，進(jìn)行健康評估并提前預(yù)警維修，形成一套電子化的隨機(jī)性電源接入設(shè)備運(yùn)維檢修流程，提高隨機(jī)性電源的運(yùn)維水平，具有較廣泛的推廣價值。

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(編輯 周金梅)

Research of plug-and-play operation and maintenance technology for random power based on internet of things

LI Xianwei, WANG Wei

(XJ Group Corporation, Xuchang 461000, China)

To solve the operation and maintenance difficulties due to large-scale random power access and widespread distribution, this paper proposes a plug and play operation and maintenance scheme based on the internet of things (IoT). The scheme adopts mobile internet technology and geographic information technology, which realizes the plug and play of equipment operation and maintenance, and accurate positioning of the real scene. The warning expert system based on four dimensional health assessment model of maintenance can find the hidden danger early and give safeguard in advance, which can well meet the need of operation and maintenance for random power.

random power; internet of things; geographic information technology; plug-and-play; health assessment model; early warning expert system

10.7667/PSPC151616

國家能源應(yīng)用技術(shù)研究及工程示范項(xiàng)目(NY20150302)

2015-09-10；

2016-03-21

李獻(xiàn)偉(1982-)，男，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)保護(hù)與控制、分布式電源接入及微電網(wǎng)穩(wěn)定控制運(yùn)行等方向的研究；E-mail: xianweil@139.com 王 偉(1978-)，女，本科，高級工程師，從事電力系統(tǒng)保護(hù)與控制、分布式電源接入及微電網(wǎng)穩(wěn)定控制運(yùn)行等方向的研究。