基于物联网的输变电设备监控体系研究
2013-05-24黄小庆张军永朱玉生曹一家
黄小庆,张军永,朱玉生,曹一家
(湖南大学电气工程学院,湖南 长沙 410082)
0 引言
物联网作为新一代信息通信网络,具有全面感知、可靠传输和智能处理的特点,其技术具有空间化、数字化、网络化、智能化和可视化等特征[1-2]。目前,已在电网初步应用,尚未在电网设施运行安全监控与电力资产优化管理方面得到应用[3]。输变电设备在电力系统中至关重要。随着电力网朝着超高压、大容量、智能化方向发展,保证其安全运行越来越重要,避免因其事故给生产和生活带来不必要的影响及损失。物联网及其技术为此提供了新的智能化手段。
本文提出以物联网及其技术为基础,以时空环境为依托,构建将设备与人联为一体的全景、实时、多维的监控体系,极大程度拓展信息掌控的深度、广度和维度,为实现输变电设备的智能监测与控制提供理论指导和技术支撑,以及推进物联网及其技术在智能电网建设中的应用。
1 物联网及其体系架构
物联网[4-7],基于编码标识、网络通信、物联网中间件等技术,按约定的协议,建立实体与网络的联通,实现人与人、人与物、物与物之间的自动识别和信息交互共享,从而构建起多维、实时、全景的信息感知体系,最终实现实体的泛在感知、跟踪、监控和管理。
物联网体系架构可分为四层:信息感知层、网络通信层、应用支撑层和业务应用层。信息感知层通过射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID)读写器、智能传感器等信息感知设备,进行实体识别、信息采集等全景感知;网络通信层是物联网的神经中枢,基于无线通信网、无线传感器网络、行业专用网络以及互联网可靠传输信息感知层的数据;应用支撑层包含物联网中间件、全景信息集成平台、云计算平台和各类数据中心,用于海量信息的过滤、整合等,实现信息的有效集成、合理类分、交互共享等;业务应用层是物联网与行业需求的结合,实现各行业的智能化。
2 基于物联网的输变电设备监控体系结构设计
2.1 总体体系架构
基于物联网的输变电设备监控体系结构如图1所示。其中包括设备信息感知(图中由箭头①标注)和设备监控(图中由箭头②标注)。另外,为了满足现场工作人员对信息共享的要求,实现全景信息集成平台与电力MIS系统、ERP系统等之间的数据交互,为平台设计相关的数据接口,例如XML和Web Service。另外,采取物联网管理技术、物联网安全技术,使整个体系的机密性、真实性、完整性、抗抵赖性等得到进一步的提高,最终实现对输变电设备的生命周期状态的全面感知及其智能监控。
图1 基于物联网的输变电设备监控体系结构Fig.1 Monitoring system architecture of power transmission equipment based on IoT
设备信息的感知分为设备感知层、通信层、服务层、应用层等四层。
设备感知层采用编码标识技术赋予每个设备唯一的代码,基于RFID、无线传感技术,实现实体的非接触性感知。该层包含杆塔、变压器等输变电设备及其附带的标签(其中标签中写入了设备标识码)、读写器以及无线传感器网络(由智能传感器以自组织和多跳方式构成),完成设备标识码、静态信息等标签信息的读取。其中编码技术包含EPC global的产品电子代码(Electronic Product Code,EPC)、UID Center的UPC、ISO/IEC等[8]。识别技术包括RFID、智能传感技术、视频等多媒体信息技术,用于实体的状态感知、多维监视,为智能化、精益化管理提供了强健的信息基础和技术支撑。
通信层采用有线+无线的混合通信模式,两类通信方式互联互通互操作,消除“网络盲点”,实现感知信息传送的高可靠性、高安全性。其中,依托于无线传感器网络,可实现设备的在线感知与监测等应用,提高电网的安全性能,降低电网的运行成本[9]。至于近距离内无线通信涉及到大量无线网络设备,如基于RFID、Wi-Fi、Zigbee、蓝牙等技术的设备,采取政策、市场、技术三管齐下的方式,以提高物联网规模化应用的频谱保障能力,保证各种无线通信方式的友好共存。
服务层包括本地服务器及解算器等,完成设备标识码与后台数据库中信息的映射与输出。
应用层主要是输变电设备信息感知和监控,平台的设计采用Microsoft SQL Server 2008作为平台的数据库,在Microsoft Visual Studio 2010-平台应用程序开发环境下,采用C#编程语言或Java语言,基于面向服务的架构(Service-oriented Architecture,SOA),结合ASP.NET 2.0技术、Web Services技术、JAVA 3D和虚拟技术完成平台的开发,实现输变电设备的三维全景展现,主要功能包括实现标识设备的动态信息和静态信息查询、显示以及相关报表和图像的生成、指标分析、监测与控制等。
以EPC为设备标识码,简要说明设备信息的感知。首先将EPC所对应设备的详细信息和属性存储在后台数据库中;在设备的感知过程中,信息感知设备读取其工作范围内的标签信息及设备的状态信息等;当要查询某个设备某时刻的静态信息和动态信息时,以此代码作为指针,经过服务层的映射便可在后台数据库中找到;当要定位感知时,可通过平台或与其联通的PDA发出请求,向信息感知设备发出命令,读取设备的最新全景信息。
设备监控分为设备层、监测层、通信控制层和输变电设备监控层等四层。
设备层主要是相关输变电设备及其标签;监测层分为输电和变电方面两个方面,输电方面:主要是覆冰、防盗、山火、大风、雷电等监测;变电方面:主要是对变电器的油色谱和局部放电监测、断路器监测、GIS 监测等监测;通信控制层包括通信介质和局域网,通信介质分为有线和无线,保障所得监测信息的整合及上传、上层控制指令的下传。局域网主要是针对变电设备,充分利用现有的变电站综合自动化系统,至于输电设备方面,此部分可以简化成通信网络;输变电设备监控层包括平台和输变电设备全寿命周期管理系统MIS、ERP、WMS等,利用平台上提供的数据和服务,实现对设备自身及外在环境的全面监管,继而进行设备的在线状态评估、预警和故障智能诊断。通过平台发出相关的指令和设备的标识码,对相关设备进行定向化监控。
2.2 输变电设备全景信息集成平台的设计
目前,电网中的信息集成平台的应用主要针对变电站和调度系统,且多偏重于三维可视化信息的集成[10-12]。鉴于物联网技术在电网中日益规模化的应用,感知的信息具有海量、多源、异构等特点,有必要构建合理的全景信息集成平台,进行数据的并行处理、数据挖掘和分类整合、交互共享工作,保障业务应用信息的横向协同、纵向贯通。
基于IEC61968/61970 等系列标准,设计开放的、分层的信息集成平台架构,采用面向服务的数据协同方法,实现输变电设备全景的信息集成,建立具有数据层、中间层和应用层的全景信息集成平台,实现各种服务接口、信息聚合和各类数据的交互与存储功能。整个平台的架构如图2所示。
图2 平台架构Fig.2 Structure of platform
数据层主要包括输变电设备全景监测信息、生产管理信息、调度运行信息、公共安全信息、人工补充录入信息等,类分为静态信息和动态信息,分别来自历史数据库记录和实时信息感知设备。
中间层基于数据处理整合技术、数据并行处理技术,按照数据获取、数据类分、数据分析处理的步骤对来自数据层的元数据进行面向SOA 集成服务的分析处理,完成数据的清洗、加工、转化、整合等标准化处理工作。
应用层主要是面对业务需求对数据进行组合封装提交,为输变电设备的监控提供精益的数据统计、分析、挖掘和导出服务。
该平台完成输变电设备的空间数据、时间序列数据的并行处理;服务不同的物理和虚拟的对象通过Web服务、SOA组件可靠交互;面向业务应用与分析等,提供数据服务(异构数据的分类整合、标准化等)和可视化服务(例如全景可视化服务、发布预警服务等)等方面的应用服务支撑,为设备监测与控制及其专业分析提供实时监控界面、人机交互界面;保障输变电设备基于平台提供的服务,结合信息感知设备提供的数据,进行自主感知、判别和决策。
另外,为使系统中多源异构的动态数据得到高效处理,适应系统的扩张需求、后台应用程序增加或改变等变化,采用功能模块化设计了平台中的物联网中间件(Internet of Things Middleware ,IoT-MW)。采用物联网中间件技术可以对数据有效整合、并行处理、数据挖掘等,实现同构数据、异构数据之间的数据抽取、格式转换等功能,消除数据冗余,减少传输数据量,避免网络拥塞,为体系中各项业务的有序应用提供高效、精细化的数据。以期解决数据可靠性传输、事物处理、消息队列模式、标准化数据输出等关键问题,支持同步、异步通信模式,具备全面的安全机制。
该中间件具有信息感知终端接口、事件数据管理、应用程序接口、信息服务、安全模块等组件。如图3所示。
图3 物联网中间件的功能模块结构Fig.3 Structure of IoT-WM functional modules
1)信息感知终端接口:为应用程序与各种类型的信息感知终端提供集成功能,包括协议处理模块、事件生成模块、命令处理模块和监控模块等组件。
其中,协议处理模块进行通信协议分析、接口分析,完成各种通信协议的切换以及封装,确保信息感知终端可以各自的数据交换协议与应用程序无缝连接、自助通信;事件生成模块为感知到的数据生成相应的事件,并上传给事件管理单元;请求/响应模块接收后台应用程序经应用程序接口和消息处理模块分析发来的请求指令,并回复相应的程序响应;控制模块监控信息感知终端的执行情况,并通过图形用户接口管理经中间件连接的各个信息感知终端。
2)事件数据管理单元:对来自信息感知终端接口的数据进行过滤、集成和分类整合等操作,并与应用系统中相关联的数据内容建立联接。包括事件数据处理模块、事件数据缓存模块等。其结构如图4所示。
图4 事件数据管理单元Fig.4 Event data management unit
其中,事件数据处理模块过滤来自信息感知终端接口的事件数据,除去那些非必要的多余数据,进而对有效的事件数据进行基于交互数据规约库和业务标准规则库的整合、排序,采用程序逻辑及存储转发功能保证数据流的高效、有序。另外,提供数据评估、数据挖掘等高级服务功能;事件数据缓存模块对数据分类压缩,减少数据传输量和存储量。
3)应用程序接口:包括服务接收模块和消息处理模块两部分,为应用系统控制信息感知终端提供服务。其结构如图5所示。
其中,服务接收模块接受后台应用程序的指令,提供诸如XML-RPC、Web-Service 等通信功能;消息处理模块分析后台应用程序经服务接收模块传送的指令,并将分析结果反馈至请求/响应模块,以便得到具体的响应,最终完成应用程序对信息感知终端的协调控制。
4)信息服务:由设备信息存储库和服务引擎组成。
其中设备信息存储库存储与标识关联的设备详细信息,以保证全景信息集成平台的信息来源;服务引擎为设备存储库管理的信息提供搜索/查询引擎。
5)安全模块:完成网络防火墙功能,保证数据的安全和完整。
图5 应用程序接口单元Fig.5 Application programming interface unit
3 结语
物联网及其技术作为智能电网发展和建设的重要支撑,具有广阔的发展空间。在输变电设备的智能监控引入物联网,可满足集约化发展、精益化管理等业务需求,提高设备之间的信息联系交互能力和自愈能力,实现对输变电设备的全景实时感知、多维智能监测与控制,使设备的全寿命周期监控管理透明化、高效化。
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