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

潘 峰

(無(wú)錫供電公司，江蘇 無(wú)錫 214000)

在國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)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(yùn)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(yùn)行帶來弊端。因此，對(duì)輸變電設(shè)備的安全運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于提高輸變電設(shè)備的運(yùn)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(jià)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(cè)的可用率，降低設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提高電網(wǎng)安全系數(shù)。物聯(lián)網(wǎng)是輸變電設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化的重要技術(shù)支撐，對(duì)于提升輸變電設(shè)備與電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有深遠(yuǎn)影響。

1 施工輸變電安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

感知層主要負(fù)責(zé)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(jì)

系統(tǒng)中的便攜終端設(shè)備，輕便小巧，方便攜帶，可以對(duì)外進(jìn)行廣播信息的輸送，讓錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理[2]。錨節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)。前置機(jī)的主要功能是用來讀取來自網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(shí)傳輸?shù)絻?nèi)部局域網(wǎng)中。當(dāng)作業(yè)進(jìn)入輸變電后，其攜帶的便攜終端會(huì)發(fā)出信號(hào)，錨節(jié)點(diǎn)捕獲之后會(huì)建立通信，相關(guān)的數(shù)據(jù)根據(jù)前置機(jī)完成計(jì)算。如果作業(yè)人員的活動(dòng)范圍超出預(yù)設(shè)的安全范圍，就會(huì)通過現(xiàn)場(chǎng)錨節(jié)點(diǎn)或者管理軟件界面發(fā)出報(bào)警信號(hào)，讓現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)人員及時(shí)糾正不安全的作業(yè)行為。管理人員也會(huì)對(duì)巡檢人員進(jìn)行路線跟蹤，并及時(shí)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(jì)

底層數(shù)據(jù)感知需要通過錨節(jié)點(diǎn)形成的自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并將數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯聚到前置機(jī)中，前置機(jī)根據(jù)得到的傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)

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(shí)現(xiàn)可視化操作，并對(duì)前置機(jī)和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，隨后接收來自前置機(jī)回傳的數(shù)據(jù)。對(duì)于輸變電而言，錨節(jié)點(diǎn)和便攜終端組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過定位算法對(duì)工作人員的位置進(jìn)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(jì)

根據(jù)功能定位和系統(tǒng)需求，對(duì)軟件的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jì)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(jìn)行可視化操作，如檢修、巡檢以及試驗(yàn)等作業(yè)，對(duì)默認(rèn)的安全區(qū)域和警示區(qū)域進(jìn)行管理維護(hù)。通過作業(yè)模式管理功能，為各種作業(yè)提供默認(rèn)授權(quán)區(qū)域，可以大大簡(jiǎn)化工作內(nèi)容，提升管理效率；有源標(biāo)簽管理可以對(duì)便攜終端進(jìn)行添加、停用等管理，根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況調(diào)整便攜終端的運(yùn)行情況，以保證便攜終端的有效運(yùn)行；輸變電的概要信息主要對(duì)輸變電的地理位置以及種類進(jìn)行修改[7]。

1.2.2前置端管理模塊

該模塊用于前置機(jī)和服務(wù)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理。其中，節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)主要功能是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定位和跟蹤，主要依靠錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)。影響錨節(jié)點(diǎn)工作的主要因素是電源，當(dāng)電源電量下降到一定范圍后，節(jié)點(diǎn)將無(wú)法采集信息，其無(wú)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(diǎn)檢測(cè)功能對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電量情況進(jìn)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(bào)，提供管理人員及時(shí)采取措施；數(shù)據(jù)上下行管理是指當(dāng)工作人員攜帶便攜終端進(jìn)入到現(xiàn)場(chǎng)后，錨節(jié)點(diǎn)會(huì)首先獲取便攜終端的信號(hào)，并傳輸?shù)角爸脵C(jī)中。前置機(jī)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(dāng)服務(wù)器端的數(shù)據(jù)接口接收到數(shù)據(jù)之后，會(huì)根據(jù)實(shí)現(xiàn)確定對(duì)解析方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

1.2.3作業(yè)任務(wù)管理模塊

任務(wù)啟動(dòng)與終結(jié)是當(dāng)開始作業(yè)時(shí)，需要進(jìn)行注冊(cè)操作，注冊(cè)完成后，進(jìn)入到工作現(xiàn)場(chǎng)開展巡視和檢修作業(yè)，相關(guān)管理人員對(duì)作業(yè)任務(wù)進(jìn)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(chǎng)的錨節(jié)點(diǎn)會(huì)被喚醒，進(jìn)入到工作狀態(tài)中；當(dāng)作業(yè)人員開始監(jiān)測(cè)，便攜終端會(huì)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(diǎn)恢復(fù)到休眠工作；人員定位及軌跡是指對(duì)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的工作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)的定位跟蹤，掌握工作人員當(dāng)前所處位置，對(duì)于隨意走動(dòng)的工作人員進(jìn)行行為監(jiān)測(cè)；如果作業(yè)人員進(jìn)入到未授權(quán)區(qū)域，軟件系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，管理人員要及時(shí)進(jìn)行處理。圖4為報(bào)警錨節(jié)點(diǎn)[9]。

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

巡視管理的主要功能就是針對(duì)巡視任務(wù)的主要情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)巡視人員的反饋，對(duì)巡視人員的移動(dòng)軌跡進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析作業(yè)人員是否按照巡視路線進(jìn)行巡視，停留時(shí)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(duì)巡視查詢、報(bào)警信息以及作業(yè)任務(wù)查詢等進(jìn)行各類作業(yè)任務(wù)的處理與報(bào)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(huì)在服務(wù)器進(jìn)行定期備份，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異?；蛘邤?shù)據(jù)受損時(shí)，可以通過數(shù)據(jù)備份進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)；權(quán)限管理的主要功能是對(duì)每一個(gè)用戶進(jìn)行系統(tǒng)權(quán)限分配；用戶管理是對(duì)用戶的身份進(jìn)行修改。

2 輸變電設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的輸變電設(shè)備系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)在監(jiān)控軟件Nagios下進(jìn)行2次開發(fā)，通過服務(wù)器端獲取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行建模，形成展示平面圖，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖5所示[11]。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控平臺(tái)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(duì)監(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)展現(xiàn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的監(jiān)控信息進(jìn)行實(shí)時(shí)展現(xiàn)；

(2)監(jiān)控端主要將采集到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過插件的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收集，并將主機(jī)中的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行解析放入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)核心驅(qū)動(dòng)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(jìn)行數(shù)據(jù)解析，然后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中[12]；

(3)網(wǎng)絡(luò)主要功能是實(shí)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(duì)本地設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集和整理，通過插件進(jìn)行設(shè)備的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集。

2.2 監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

2.2.1監(jiān)測(cè)模塊的實(shí)現(xiàn)

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

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

(2)無(wú)線路由器參數(shù)檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)：該模塊的主要功能就是對(duì)無(wú)線路由器的接入量進(jìn)行監(jiān)控。在無(wú)線路由器運(yùn)行過程中，參數(shù)較為隱蔽，無(wú)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(dòng)程序得到參數(shù)信息。利用驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序即可獲得；然后再利用無(wú)線路由器將路由的參數(shù)返回到NRPE中。

2.2.2監(jiān)控平臺(tái)界面實(shí)現(xiàn)

(1)用戶登陸界面實(shí)現(xiàn)：為了保證用戶使用的安全性，監(jiān)控平臺(tái)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(yùn)行狀態(tài)；

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

(4)監(jiān)測(cè)功能：實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線路由器的監(jiān)測(cè)，對(duì)IP地址、使用時(shí)間、占用率以及連接數(shù)量進(jìn)行監(jiān)控[15]；

(5)控制功能：可以對(duì)無(wú)線路由器進(jìn)行控制，遠(yuǎn)程重啟路由器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)行體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要將信息流與業(yè)務(wù)需求進(jìn)行結(jié)合，讓每一層的數(shù)據(jù)都能夠獲得完全的獨(dú)立。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，讓物聯(lián)網(wǎng)輸變電設(shè)備在進(jìn)行體系設(shè)計(jì)時(shí)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(yùn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，從物理空間、信息空間等不同的維度進(jìn)行設(shè)備信息的管理與描述。根據(jù)生命周期的運(yùn)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(gè)運(yùn)行流程，在各個(gè)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)都有所體現(xiàn)，通過對(duì)事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)防后可以提高輸變電設(shè)備的維護(hù)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(qiáng)，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(yùn)行需求。全景信息模型在建立的過程中，要保證對(duì)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(yùn)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(duì)發(fā)電和輸電的狀態(tài)進(jìn)行描述。CIM模型在全壽命周期管理的全景信息平臺(tái)基礎(chǔ)上完成對(duì)智能變電站的設(shè)備信息屬性劃分的功能，整個(gè)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(duì)子類的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行描述，從而完成對(duì)各個(gè)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(tái)，要應(yīng)用到實(shí)際中，并完成模型驗(yàn)證[19]。

3.3 仿真分析

3.3.1監(jiān)測(cè)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(shí)際情況，進(jìn)行傳感器的參數(shù)配置，結(jié)果如表1所示。

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

3.3.2監(jiān)測(cè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在星型結(jié)構(gòu)中，所有的傳感器節(jié)點(diǎn)都需要通過協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行通信，不適用于本試驗(yàn)[20]。簇狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與最小的網(wǎng)絡(luò)流量相比，分組丟失率并不會(huì)影響實(shí)際的通信效果，因?yàn)榇貭钔負(fù)浣Y(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(duì)變壓器監(jiān)測(cè)部分中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)后可知，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)較為穩(wěn)定時(shí)，簇狀的路由器和傳感器節(jié)點(diǎn)在各個(gè)方面都要優(yōu)于其他2種結(jié)構(gòu)，但是信噪比的指標(biāo)相對(duì)而言較為欠缺。

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

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，國(guó)家電網(wǎng)公司的壓力也飆升。為了進(jìn)一步提升電網(wǎng)效益，國(guó)家電網(wǎng)越來越重視輸變電的安全管理工作，對(duì)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(jì)，并引申了監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。