基于物聯(lián)網(wǎng)的電力通信網(wǎng)絡智能運維系統(tǒng)研究

董蕓州，王 誠，符方友，何啟遠，林 師，王新玉，邢博翔

(海南電網(wǎng)信息通信分公司，海南 ?？?570100)

0 引言

電力通信網(wǎng)絡是保障電力系統(tǒng)正常供應的重要環(huán)節(jié)，電力通信的安全穩(wěn)定運行是確保電網(wǎng)安全可靠運行的關(guān)鍵，因此有必要及時準確地掌握電力通信的實時運行狀態(tài)，而電力通信巡檢能夠及時發(fā)現(xiàn)電力通信的異常隱患和缺陷[1-2]。近年來，隨著我國智能電網(wǎng)建設的不斷發(fā)展，對電力通信網(wǎng)絡的要求也越來越高，電力通信網(wǎng)絡的運維也面臨較大的挑戰(zhàn)[3-4]。當前電力通信網(wǎng)絡運維大都采用的是人工運維方式，主要是通過工作人員手動攜帶檢測終端對電力通信網(wǎng)絡進行檢測運維。由于電力通信網(wǎng)運維呈現(xiàn)全程全網(wǎng)的特點，增加了人工現(xiàn)場運維方式的工作量和難度，同時人工現(xiàn)場運維方式容易受工作人員主觀因素影響，從而導致可靠性差和效率低等問題[5-6]。

針對上述電力通信網(wǎng)運維所面臨的問題和挑戰(zhàn)，目前被廣泛應用的方法之一是遠程智能運維方式[7-8]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，將電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電力通信網(wǎng)絡運維相結(jié)合，給電力通信網(wǎng)絡運維模式帶來了新的方式。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在其他工業(yè)應用中的信息感知、存儲、傳輸和處理等方面具有較大的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)全面感知、快速靈活組網(wǎng)、信息高效融合、通信方式靈活和信息高速處理等，且具有應用方便靈活和智能化程度高等優(yōu)勢，在工業(yè)應用領(lǐng)域中得到了廣泛應用[9-10]。但是與電力系統(tǒng)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相比，電力通信網(wǎng)絡運維在管理和控制方面具有一定的差異性。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于新一代電力通信網(wǎng)絡的運維是未來的發(fā)展趨勢，也面臨著較大的挑戰(zhàn)。

鑒于此，本文在物聯(lián)網(wǎng)平臺基礎上，分析和設計了一種電力通信網(wǎng)絡智能運維系統(tǒng)。介紹了電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本特征和架構(gòu)，詳細分析了電力通信網(wǎng)以及智能運維總體架構(gòu)，并重點闡述了數(shù)據(jù)配置處理、故障智能分析和預警集中監(jiān)視等智能運維核心功能模塊。最后，實際應用結(jié)果驗證了所設計的電力通信網(wǎng)絡智能運維的有效性。

1 電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

1.1 電力物聯(lián)網(wǎng)基本特征

電力物聯(lián)網(wǎng)采用現(xiàn)代先進通信和信息技術(shù)對電力系統(tǒng)中的人、機、物進行連接，對電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進行相互滲透和深度融合，形成以電網(wǎng)為樞紐的數(shù)據(jù)共享體系，進而能夠全面感知整個系統(tǒng)及不同環(huán)節(jié)的運行狀態(tài)，并能夠?qū)ο到y(tǒng)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行高效處理，且可實現(xiàn)不同單元功能的便捷靈活應用。除此之外，電力物聯(lián)網(wǎng)基于泛在感知、高性能通信、數(shù)據(jù)信息處理和高級電力應用，實現(xiàn)電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)電力流、數(shù)據(jù)流和業(yè)務流的一體化深度融合，以提升電網(wǎng)的安全運行性能和效率。

電力物聯(lián)網(wǎng)具有以下特征：

a.終端泛在接入。在源網(wǎng)荷各個環(huán)節(jié)布置各類傳感器，能夠廣泛實時接入各類息數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡資源可采用多層次通信網(wǎng)進行交互。

b.平臺開放共享。技術(shù)、業(yè)務層面具有高度開放特性，數(shù)據(jù)模型呈現(xiàn)標注化的發(fā)展形態(tài)，使得多源信息數(shù)據(jù)高效融合、共享。

c.計算云霧協(xié)同。部署智能網(wǎng)關(guān)、云平臺可實現(xiàn)數(shù)據(jù)分層處理，提升云端在處理和提取邊緣側(cè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的計算、存儲能力。

d.數(shù)據(jù)驅(qū)動業(yè)務。廣泛采集多源異構(gòu)數(shù)據(jù)信息，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對電力業(yè)務關(guān)鍵有效信息進行提取。

e.應用隨需定制。云平臺匯集存儲了海量的電力應用信息數(shù)據(jù)，通過電力流、數(shù)據(jù)流和業(yè)務流的實時處理，能夠根據(jù)需求靈活定制業(yè)務。

1.2 電力物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)

電力物聯(lián)網(wǎng)的功能集成能量流、信息流和業(yè)務流于一體，其總體架構(gòu)如圖1所示，主要包括感知層、網(wǎng)絡層、平臺層和應用層。其中，感知層通過多類型傳感器設備對電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)信息進行全面感知，結(jié)合感知的海量數(shù)據(jù)和控制決策單元對電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)的運行狀態(tài)進行感知；網(wǎng)絡層是以新一代通信技術(shù)為基礎的網(wǎng)絡信息交互通道，網(wǎng)絡層根據(jù)不同應用場景定制合理的通信方式；平臺層對電力系統(tǒng)不同環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)進行存儲和管理，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)信息的互通和共享；應用層是在平臺層基礎上，搭建多種應用類型的平臺，實現(xiàn)電力系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的感知互動。

圖1 電力物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)

2 電力通信網(wǎng)絡智能運維系統(tǒng)

2.1 電力通信網(wǎng)定義

電力通信網(wǎng)是一種為電網(wǎng)各種業(yè)務服務的專用通信網(wǎng)絡，是采用特定方式及通信方法，將終端裝置、傳輸設備和交換系統(tǒng)所連起來的一種通信整體。電力通信網(wǎng)的基本架構(gòu)如圖2所示。

圖2 電力通信網(wǎng)絡總體架構(gòu)

電力通信網(wǎng)主要包括傳輸網(wǎng)、業(yè)務網(wǎng)和支撐網(wǎng)。其中，傳輸網(wǎng)是通信網(wǎng)的基礎，主要由傳輸設備和傳輸介質(zhì)所組成；業(yè)務網(wǎng)是通過傳輸網(wǎng)構(gòu)建的一種應用網(wǎng)，協(xié)同支撐網(wǎng)來完成電網(wǎng)的不同業(yè)務應用；支撐網(wǎng)是保證通信網(wǎng)能夠正常工作的網(wǎng)絡。

2.2 智能運維總體架構(gòu)

隨著智能電網(wǎng)建設的不斷推進，電力通信網(wǎng)所承載的業(yè)務量日益增多，傳統(tǒng)的電力通信網(wǎng)運維模式限制了電力通信網(wǎng)的發(fā)展，傳統(tǒng)運維方式的弊端主要體現(xiàn)在：電力通信網(wǎng)運維工作量日益加劇、運維管理技術(shù)落后，以及缺乏有效的智能信息化管理手段。

針對傳統(tǒng)電力通信網(wǎng)運維模式存在的不足，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的電力通信網(wǎng)絡智能運維系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)信息化運維，有效減少運維人員的工作量和提升電力通信網(wǎng)的運維管理水平。結(jié)合電力物聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)的總體架構(gòu)，建立了基于物聯(lián)網(wǎng)的電力通信網(wǎng)絡智能運維系統(tǒng)架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 電力通信網(wǎng)智能運維總體架構(gòu)

電力通信網(wǎng)智能運維系統(tǒng)主要包括應用層、技術(shù)服務層、數(shù)據(jù)資源層和基礎設施層。其中，應用層主要包括運維知識庫、運維決策、故障處理、報表統(tǒng)計、消息推送和待辦事項等；技術(shù)服務層利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)電力通信網(wǎng)智能運維的底層框架，包括應用程序框架和服務程序框架；數(shù)據(jù)資源層主要是對采集的電力通信網(wǎng)數(shù)據(jù)進行存儲、分類、篩選、轉(zhuǎn)換、分析和處理等，利用電力物聯(lián)網(wǎng)的多源數(shù)據(jù)配置功能，能夠統(tǒng)一管理和調(diào)度電力通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)；基礎設施層是智能運維的關(guān)鍵設備和系統(tǒng)，包括操作系統(tǒng)、服務器、物聯(lián)傳感器、網(wǎng)絡設備、網(wǎng)絡配置和無線專網(wǎng)等。

2.3 智能運維功能模塊

2.3.1 數(shù)據(jù)配置處理模塊

基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)配置處理模塊是電力通信網(wǎng)智能運維的關(guān)鍵支撐模塊，其處于智能運維體系的數(shù)據(jù)資源層，主要作用是快速采集、構(gòu)建信息系統(tǒng)，基本架構(gòu)如圖4所示。數(shù)據(jù)配置處理模塊采用電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對通信網(wǎng)的多源信息進行特征提取，構(gòu)建抽象元模型；采用新一代分布式面向?qū)ο蠹夹g(shù)和數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)來描述模型的行為特征。相對于傳統(tǒng)運維技術(shù)，采用基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)配置處理模塊，可有效提升電力通信網(wǎng)運維的數(shù)據(jù)配置處理速度和服務水平。

圖4 數(shù)據(jù)配置處理模塊基本架構(gòu)

2.3.2 故障智能分析模塊

電力通信網(wǎng)絡智能運維的故障智能分析系統(tǒng)處于智能運維體系的應用層，主要包括故障歷史知識庫、故障定位、故障判斷、業(yè)務影響分析、故障關(guān)聯(lián)分析和故障預警等功能。其中，故障歷史知識庫是記錄電力通信網(wǎng)的不同故障數(shù)據(jù)來構(gòu)建的故障知識庫，為后續(xù)故障決策提供參考；故障定位和判斷主要是從電力通信網(wǎng)的空間物理位置以及網(wǎng)路邏輯結(jié)構(gòu)來定位顯示故障，實現(xiàn)故障點的判斷和定位；業(yè)務影響分析是對引起電力通信網(wǎng)絡故障的影響因素進行統(tǒng)計和分析；故障關(guān)聯(lián)分析是對電力通信網(wǎng)絡不同故障之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進行分析；故障預警是利用電力通信網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)和歷史知識庫，依據(jù)智能預警算法來對電力通信網(wǎng)可能出現(xiàn)的故障進行預測。以上功能模塊的共同作用即可實現(xiàn)故障智能決策。此外，系統(tǒng)根據(jù)故障歷史知識庫，采用人工智能算法對故障進行診斷，并將故障診斷結(jié)果歸檔至故障歷史知識庫。故障智能分析系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 電力通信網(wǎng)故障智能分析模塊邏輯結(jié)構(gòu)

2.3.3 預警集中監(jiān)視模塊

預警配置管理能夠接收、處理和展示預警定義功能，而集中監(jiān)視模塊實現(xiàn)了通信網(wǎng)預警信息和業(yè)務信息的集中匯總，并進行了統(tǒng)一分類展示，能夠集中監(jiān)視以及管理電力通信網(wǎng)的實時運行狀態(tài)。其中，電力通信網(wǎng)按照網(wǎng)絡類型可分為工業(yè)以太網(wǎng)、無線專網(wǎng)和無線公網(wǎng)等。預警監(jiān)視主要包括預警采集、預警分類、預警顯示、預警提示、預警操作、預警狀態(tài)計算和預警查詢等。預警集中監(jiān)視模塊的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 預警集中監(jiān)視模塊邏輯結(jié)構(gòu)

3 實際測試結(jié)果

為驗證基于物聯(lián)網(wǎng)的電力通信網(wǎng)絡智能運維系統(tǒng)的有效性，在國內(nèi)某局部電網(wǎng)進行了電力通信網(wǎng)智能運維的應用，并與傳統(tǒng)運維技術(shù)在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲方面的性能進行了對比分析[6]。其中，傳統(tǒng)的電力通信網(wǎng)運維系統(tǒng)存在運維方式煩瑣、信息量遺漏、設備核實難度大等弊端，通信數(shù)據(jù)的采集、存儲和處理效率較低。電力通信網(wǎng)絡智能運維系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)檢測結(jié)果如圖7所示。

圖7 電力通信網(wǎng)通信數(shù)據(jù)檢測結(jié)果

由仿真結(jié)果可以看出，采用電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力通信網(wǎng)絡智能運維系統(tǒng)，在通信數(shù)據(jù)采集、傳輸以及分析處理方面的效率和準確度要遠遠高于傳統(tǒng)運維技術(shù)，使電力通信網(wǎng)的運維精度提高25%左右。

因此，采用基于電力物聯(lián)網(wǎng)的電力通信網(wǎng)絡智能運維系統(tǒng)之后，利用物聯(lián)網(wǎng)、云平臺等技術(shù)進行統(tǒng)一管理，通過?？氐囊苿咏K端技術(shù)能夠?qū)﹄娏νㄐ啪W(wǎng)絡系統(tǒng)進行可視化管理，從而構(gòu)建可視化、主動化、智能化的電力通信網(wǎng)絡在線運維體系，有效提高了電網(wǎng)專業(yè)管理人員以及電力通信網(wǎng)絡專業(yè)檢修、運維人員的效率。智能運維系統(tǒng)以實時化信息共享交互手段、網(wǎng)絡化在線技術(shù)有效提升了電力通信網(wǎng)絡運維的智能化水平，實現(xiàn)了高效、可靠和安全的電力通信網(wǎng)絡運維工作。

4 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)電力通信網(wǎng)絡智能運維存在的不足，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)，以及利用人工智能的機房智能巡檢、輔助排障和作業(yè)監(jiān)護裝置應用的電力通信信息網(wǎng)絡智能運維系統(tǒng)。首先介紹了電力物聯(lián)網(wǎng)的基本特征和功能架構(gòu)，并在此基礎上詳細分析了電力通信網(wǎng)總體架構(gòu)和智能運維總體架構(gòu)，并重點闡述了數(shù)據(jù)配置處理模塊、故障智能分析模塊和預警集中監(jiān)視模塊等智能運維核心功能模塊。所設計的智能運維系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對電力通信數(shù)據(jù)進行采集、處理和管控，能夠完成電力通信網(wǎng)絡運維和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管控平臺的互聯(lián)，從而實現(xiàn)電力通信網(wǎng)絡的智能化運維目標，為機房智能巡檢、巡視機器人等形態(tài)的人工智能技術(shù)手段應用于機房的智能化運維提供方向性的指引。最后，將所提的電力通信網(wǎng)絡智能運維系統(tǒng)在實際電網(wǎng)中進行了應用，結(jié)果表明，所提的電力通信網(wǎng)絡智能運維系統(tǒng)，有效提升了電力通信網(wǎng)絡的信息應用管控水平、運維工作效率和安全可靠性。