基于实物“ID”的电力物联网信息采集管控技术研究

李 斌，冯延明，刘 伟，侯秀梅，陆 杭

（国网黑龙江省电力有限公司，黑龙江哈尔滨 150090）

在电网企业的总资产中，设备等固定资产所占的比例可达到80%以上，且电网企业的资产数量庞大、分布广泛、变动频繁。随着现代社会科技的发展，电力用户用电需求增加。电网设备如变压器、电压互感器等在运维方面的要求逐渐提高，设备运行状态的获取效率直接关系到电力系统的安全、稳定。在设备状态运检方面，目前的工作主要集中在日常的运维巡视和一次二次维护。通常运维人员不易直接获取设备的出场信息及历史故障记录，这对故障类型和设备未来运行状态的判断造成了阻碍[1]。在经济评估方面，对电力设备只关注其初期的购入成本，较少考虑设备全寿命周期内的成本管理费用，比如其后期的运行、维护成本等，这不利于全面的电网公司资产评估[2-3]。

为了加强电网公司各环节的有效信息流通、提质增效，国家电网创建了“实物ID+”的概念[4-5]。以实物“ID”为纽带，建设电网资产统一的实物“ID”身份编码系统[6]。基于资产全生命周期管理数据贯通的信息化建设与改造，结合虚拟现实技术解决电网企业项目资产编码信息难共享、难追溯、台账与实物难以完全对应等问题，提升电网精益化管理控制水平[7-8]。

1 实物“ID”信息采集内容

针对电网的数据管理治理工作，首先要确保实物设备“账、码、物”的一致性，实现设备实物“ID”编码与项目、采购、出厂、资产卡片等相关信息的准确关联[9]。基于实物“ID”进行采集信息的分类和收集，电网企业项目资产统一身份编码实物“ID”的建设内容，如图1 所示。

图1 实物“ID”统一身份编码建设内容

设计实物“ID”的编码，统一包含的信息内容包括电网资产设备出场资料、验收信息、竣工资料、工程转资、运行维护、退役报废等环节[10]。信息管理系统的整体结构如图2 所示。

图2 信息采集管理系统整体结构

1.1 设备出厂资产采购信息

目前大多数的物资供应阶段，供应商未在稳定的信息系统进行物资技术参数的控制和维护，导致部分物资缺少出厂信息[11]。因此构建的实物“ID”信息采集管理系统需要包含前期设备供应商的信息注入端，从设备出场开始，实现对全部信息的监控。设备安装的投资统计涉及发策、基建、物资等3 个部门[12-16]，如图3 所示。

图3 设备安装环节各部分职责

1.2 现有信息流通平台的优化

为保证流通信息的通用性，电网资产设备建设时需要根据不同类型设备的交接试验，结合现场梳理出符合新国标的通用性模板。验收时要结合目前电网信息基础流通的PMS 系统信息，统一数据标准及核心字段，重建数据库、底层数据表及数据模型。

优化工程建设数据录入的试验报告显示界面，提供部分字段选择录入功能；优化PMS 系统接口及字段信息；优化信息采集与PMS 系统的同步性。

1.3 运维检修信息

针对设备运维检修阶段，信息采集平台需要建立与PMS 系统贯通的移动应用，实现在移动终端许可、终结工作，实时获取工作票信息以及回传PMS 系统的功能；增加扫描识别作业设备进行匹配的功能，查询设备历史运行维修信息。

1.4 其他信息

实物“ID”信息采集内容还包括废旧物资退役处置信息，如设备材料价格、维修价格、巡视成本等经济性信息。建设与PMS 与ERP 系统的信息交互功能，有利于系统平台的信息管控。基于实物“ID”的电力物联网信息采集管控平台的构架如图4 所示。

图4 信息采集管控平台架构

2 信息管控的实现

2.1 电网设备信息大数据平台

为了进一步减少信息冗余，也减少信息收集过程中的工作量，基于实物“ID”的电力物联网信息采集数据库平台建立时，应设计互相关联的统一输入表格，提高收集信息的适用性、兼容性和通用性。

根据信息采集管控平台的构架，建设总数据库平台需要涉及的设计项目和优化改进项目比例，如图5 所示。

图5 信息化功能改造示意图

大数据平台实现采用的手段是在现有的PMS 和ERP系统的基础上，联通设备制造厂商、发策部门、基建单位、物资部门、生产运维和设备检修等各部门的信息，按照标准的要求制定实物“ID”对应数据库在不同的环节，需要补充的信息内容和调用的数据信息。

2.2 信息传导技术

实物“ID”的主要形式是二维码（Quick Response，QR），作为唯一标识与设备精确对应。大数据平台的前期信息采集和后期信息查看均通过二维码传递数据，扫描二维码的应用终端由国家电网的内网移动APP 门户作前端，以无线网为网络通道，以移动应用平台为后端，实现设备信息自动采集。

信息的传输通过无线网络进行，信息传递时前端与后端可分别看作有能量发射能力的源端S和有能量收集能力的终端D。前端发射能量后，终端节点的全部能量来源于源端S发射的RF信号，终端将接到的信号解码通过回收信号的能量向源端反馈一定的信息。

如图6 所示，信号源S 经由OFDM 子载波集N将信息传达到信号接收终端D，子载波集N由互不交叉的C1和C2子集构成。子集C1上传输信息数据，其子载波上传送功率为。子集C2上传输给终端的能量，其子载波上传送功率为。因此通信子集C1上的数据传输速率为：

图6 双向携能通信系统模型

信号源发送信号和能量传递到接收终端的能量损耗为：

接收终端D 收到的能量为：

其中，fNL是非线性能量转换模型，,j∈C2。

由此得出信号采集传输的过程中，能量转换效率模型近似为：

接收终端到信号发射源的链路上，OFDM 子载波传输信息的速率为：

能量传递回发射源端期间的损耗为：

由此得出，在信号采集传输的过程中，能量转换效率模型近似为：

在发射接收双向信息能量传递网络中，源端S发射能量维持信号网络的传递。以最小化源端S 发射能耗为目标，采用非线性的能量传递模型。将源端S 与终端D 的信号传递速率需求和能量衰减门槛纳入约束，优化子载波和传输功率的算法步骤如下：

1）设置迭代次数k=0，初始化RS、RD等各参量；

2）计算最优乘子γ，并由式（6）计算WD；

3）计算功率分配最优解*和*；

4）计算子载波分配最优解C1*和C2*；

5）更新k=k+1，更新对偶变量{β1(k),β2(k)}；

6）若|β1(k)-β1(k-1) |＜ε，|β2(k)-β2(k-1) |＜ε，则结束循环。否则，返回步骤3）继续循环。

在正交频分复用和双向通信的条件下，携带能量的通信网络中资源的分配比例会干扰能量信号传递的可靠性和稳定性，为此采用一种面向信号子载波的联合能量分配计算方法。子载波分别传输信息和能量，简化携能原则，由此优化信号采集传输系统，且保证足够的能量维持信息传递。

2.3 实物“ID”设备信息关联流程

在实物“ID”系统功能贯通的基础上，利用实物ID 实现变电站设备购置费的自动统计。检查及时发现异常点，追溯异常源头，开展管控工作。实物设备信息关联流程结构如图7 所示。

图7 实物设备信息关联流程结构

由实物“ID”链接上述流程，完成对设备寿命周期内各时期状态监视、跟踪与管控。

2.4 计划完成偏差率

项目储备及综合计划执行偏差率是发策部门管控的指标，也是唯一涉及投资金额的指标。项目投入后要及时管理，降低综合项目储备和计划执行的偏差率。计划完成偏差率Φ的计算公式为：

其中，α是工程现场完成量；β是工程计划完成量；ci是第i项指标的权重指标数值，且：

3 实物“ID”标签设计

设计实物“ID”编码规则时，应考虑识别便捷、适用范围、信息保密。采用二维码标签的形式，便于扫描和分辨，且具备内部移动设备获取信息链接的保密性。

3.1 二维码的结构

二维码是矩阵式编码的一种。如图8 所示，通过方形平面上，不同位置的方块图案颜色和大小代表不同的信息数据。

图8 QR二维码结构图

第一个版本的QR 二维码长宽模块数均为21，而第40 版本是长宽有177 个模块的矩阵。

3.2 图像畸变校正及二维码解码

电网设备的使用环境复杂多样，在变电站中，阴天下雨或夜晚时现场光线条件恶劣，实物“ID”扫码系统需要具备不利环境下的优化图像处理功能。

设(x，y)为良好环境条件下的正向拍摄图像，(u，v)是恶劣环境下的斜拍图像，M是变换矩阵，通用的变换算法如下：

对上式求解并进行归一化可得：

通过优化变换公式中的各项参数可达到改善扫描结果的效果，准确识别出设备的实物“ID”，并调取相关信息。

3.3 实物“ID”的编码识别

实物“ID”的核心识别技术是数字编码的区域定位，根据二维码的特点，将平面图形区域进行分割识别解码。

为了对比图像识别矫正算法前后的识别效果，对1 000 组RFID 标签上的设备二维码进行识别实验，结果如图9 所示。矫正算法后的识别效果显著提高，尤其是在恶劣的环境条件下识别结果最大能提升6%，且恶劣环境下正确识别率达到97.5%以上。

图9 图像识别矫正算法前后实验结果

4 结束语

实物“ID”相当于给电力设备贴上唯一且永久的“身份编码”，用普通的扫码器只能读取编码信息；而使用通过国网认证的移动终端进行扫描，可以调取设备全寿命周期的各项信息。设计理念为用唯一的身份编码对应设备整个生命周期内的信息，从而实现全面的设备状态评估，有助于提升运行维修、资产清理等各方面的工作效率。

基于实物“ID”的电力物联网信息采集管控技术打通各阶段专业信息的壁垒，同步PMS 系统实现资产、设备、实物信息资源的大集中和大共享，不仅简化了维护台账信息的工作流程，而且准确率也随之提高。该文所提技术方案可以实现固定资产从物资采购、工程建设、运维检修到退役处置的全过程信息集成管控，具备良好的应用价值。