基于物联网的电厂通信设备大数据在纺织业供电中的运用

黄晓君，陈 峥，吴 双，尹 耕，王福生

（1.深圳市中辉电气设备有限公司，广东 深圳 518105；2.国网宁夏信通公司，宁夏 银川 750000）

国家电网深入贯彻落实“四个革命、一个合作”能源安全新战略，创造性地提出了“三型两网、世界一流”的战略目标，指明了新时代智能电网发展的宏伟蓝图；同时响应国家电网“集约化、扁平化、专业化”的管理内涵，建立一体化运营新模式，通过管理优势和技术优势，最大限度地分配重要资源，强化对核心事务的控制，达到管理标准化、过程科学化，具有明确的界面、强有力的管制，提高企业服务的整体效率和质量。

我国西北的宁夏回族自治区因不断推进改革开放，呈现出高端纺织产业集群，用电单耗也随着旧式纱机的摒弃和机械化、自动化水平的提高而逐年上升。纺织工业发电厂是重要的支柱产业，而通信则是整个电网连接的重要部分，其经济效益和发展将对整个国民经济生产产生重大影响。电厂的电力通信作为信号传输的专用通信网，用来保证电力专业化、生产正常高效地进行，承载运行业务的有远动信号、数据采集与监视控制系统、能量管理系统、继电保护信号、调度电话和管理信息数据等［1］。本文立足于“万物皆能互联”的思维，针对纺织工业发电厂通信信息化运维的总体水平还处于低位，设备参数信息的共享性差，信息结构单一，信息的充分利用困难等问题，建议将RFID 传感器和标签集成并安装在电厂、建筑物、炉灶设备、焊接线和控制系统等各种设备中，从而在发电厂建立“The Internet of Things”（简称IOT，即物联网），实现各设备传感数据的收敛和传输，使用IOT-OFF 设备的检测数据并与现有互联网融合，使用强大的中央计算机提供重要数据，以便实时管理和控制工作人员、设备和基础设施，在此基础上可以实现更先进、更具活力的发电厂运营和管理。“智能”生态可提高资源利用和生产力水平［2］。

1 纺织业电厂通信设备管理的现状

（1）对通信设备的管理意识比较薄弱。运行管理侧重于发电、输电设备，对通信设备的管理重视不够，没有协同、科学的管理制度，设备管理没有可追溯性，运维信息化程度不高，还往往出现管理盲点等。

（2）缺乏专业运维人员。部分电厂没有通信方面的专业运维人员，造成设备长期使用，不及时维护和频繁维修，极大地缩短了生命周期。由于缺乏对设备的管理经验，不能及时对设备的发展变化进行电子跟踪和反馈，设备整体落后，更新不及时。当设备发生故障时，无法快速启动应急预案，及时恢复通信设备的正常运行，给企业带来严重的经济损失。

（3）无专业管理平台。部分电厂没有通信设备、环境监控管理平台，形成“设备孤岛”，无法实时了解设备的运行状态、运行参数以及故障信息，信息化管理水平落后，不能满足智能电网发展的要求。

（4）无法实现通信数据共享。由于电厂众多，设备也各不相同，设备运行的海量数据信息没有形成有效的管理，导致设备的运行无法借助数据分析对设备进行故障预判。

（5）故障处理滞后。无法对通信设备运行状态进行预判，导致设备故障处理时间变长，故障处理应急预案没有针对性。

2 物联网+平台

当下宁夏生态纺织产业示范园棉纺织工业的用电由一整套互相联系的机械来完成，一般用电负荷为23～26 kW/h。基于物联网的电厂通信设备大数据采集，可形成数据汇聚平台，对海量数据进行整理、筛选、甄别、运用，对数据进行技术分析、评估，再结合知识专家库，实现电厂通信系统故障的快速发现、设备隐患安全预警、运行状态在线评估、网络状态提前预测等功能，使电厂通信系统运维管理从设备层面向数据信息化层面转变，从被动响应向主动防御转变。

2.1 平台架构

通信系统运维管理平台是基于模块化配置，采用不同功能模块之间的数据交互接管数据ESB 总程，即件技术与XML、Web 服务等技术结合，降低了模块之间的紧密关联度，提高了模块开发、提供和使用的舒适性和独立性。平台可部署在Windows、Unix等系统上，针对不同的角色、地区、使用者可以进行一定的功能模块化定义，以便打造更加个性化的各层界面管理［3-5］，如图1所示。

由图1 可知，该系统采用矢量图形技术对不同的设备进行建模和动画渲染，使用户能够了解设备的实际运行状态、网络对象的分布等视觉理解。同时，相关视图提供了更多的操作，用户可以通过图形直接看到相关设备的管理情况、维护情况、责任人员等数据信息。另外，平台的应用是基于B/S 架构模式，采用当下流行的Html5 技术，只需稍加处理就可以直接移植成为手机应用程序［6］。数据库采用开源的嵌入式内存数据库H2 Database，不受平台的限制；H2 数据库提供了一个十分方便的web 控制台，用于操作和管理数据库内容；功能完整并支持标准SQL 和JDBC；支 持内嵌模式、服务器模式和集群［7］。

2.2 特点及功能

2.2.1 实时监控

系统具有传感直采或协议转换形式，能实时显示监控子站各监控点运行状态的展示主界面，采用图形化展示，包括电源电压、电流、机房温湿度、空调运行状态等主要监控信息。展示界面采用树形结构分层展示总体监控系统图、各监控子站监控系统图，子站系统图应覆盖所有监控点，显示各监控点、监控子站的通信通道运行状态。

2.2.2 警报管理

警报管理功能集配置管理、警报监控、警报信息处理等功能于一体。通过自定义警报级别、类型、警报方式进行显示等。监控警报信息是根据用户定义进行过滤和渲染，分析警报、错误位置和处理，例如推屏、flash 动画、播放语音公告、发送手机短信通知等。用户可以查询和统计错误信息，平台能提供错误信息的分类报告表等。

2.2.3 微信通知

系统能实时获取设备警报信息、性能情况，当设备警报时能通过短信、微信通知，将紧急的警报信息全部发布到微信平台上，能够第一时间通知管理、运行、巡检、维护等相关人员，也可供微信用户对系统中产生的警报信息进行浏览和查询。系统支持对其他系统的警报信息进行分组推送。

2.2.4 故障快速发现

实时采集通信系统运行数据和警报信息，如传输系统网管光路两侧光功率，光板端口、以太网端口、2M 端口、设备板卡温度，通信电源采集监控系统输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、模块电压、模块电流、模块状态，蓄电池组电压、内阻，变电站及机房动环系统环境温湿度等，对各种通信系统及设备的数据进行获取和收集；同时结合通信静态数据，如站点坐标、光缆路由、光缆距离、纤芯信息、跳纤信息等数据，对系统或设备的故障进行快速发现和定位，能够第一时间通知相关维护人员、缩短故障处理时间，统一规范工作流程，为电力调度安全运行提供技术支持。

2.2.5 设备隐患安全预警

运用大数据分析技术对引起通信设备中断的主要因素（通信机房环境温湿度、设备板块、光功率、通信电源等）进行不间断的数据跟踪与统计分析，找出在某一周期内的线性关系，预测数据在将来一段时间内的变化趋势，结合知识专家库，提供逻辑运算公式，在超过安全运行限值之前作出预警判断，及时对通信光缆、设备隐患进行安全预警，并根据影响业务的重要级别研判预警级别，并在平台上自动推送，及时向维护管理人员发送预警信息，以消除潜在的通信故障危险，实现“防患于未然”。

2.2.6 建设预警分析

对某一类数值进行分析，找出在某一周期内的线性关系，根据线性关系对业务影响进行预留分析，结合知识专家库，提供逻辑运算公式。包括：环网单点分析，某一站点的设备环网在同一光缆上自动查找分析，发现环网的薄弱点、隐患；同缆业务分析，同一光缆上的业务，其中一个业务警报，进行分析确认，其他业务也出现警报；光缆路由承载力分析，2.5 G 光板，当前的路由器数量、故障导环时预分析；通信电源数据分析，即确认通信电源的运行状态、电源的充分放电周期、蓄电池放电的时间、电源的浮充时间及规律等。

2.2.7 运行状态在线评估

在设备层面，采集根据通信设备、光缆、光路运行的关键数据，与历史信息对比，进行可靠性评估、存量评估、安全评估后定性设备运行状态，实现在运设备的风险发现、控制、评价、整改管理。在业务层面，根据通信通道业务路由器的走向，保护通道的多少等信息，计算出业务的健康度，为风险预警提供辅助决策。

2.2.8 网络状态提前预测

按照业务的逻辑关系、时隙交叉、物理关系进行业务运行仿真模拟，在通信网络单点或多点失效、单点环网、业务同缆情况下自动进行可靠性分析，实现网络多点检修或者故障、环网同缆、光路主备同缆状态下，通信网络可靠性预测功能，为风险评估提供辅助决策。

3 物联网+应用

纺织业的用电环境：棉纺织品的工业生产过程是连续的，一般三班连续生产，电荷要求平衡稳定。纺织厂是同类型的多机位生产企业，每台电机容量虽小，但台数多，所以用电量很大。通常，10 000 纱锭用电约500 kW，由100 kW 左右的布机运作；另外，纺织厂生产车间需要一定的温度和湿度，要装配中央空调，其用电量高达工厂用电负荷的40%，还有车间配备除尘和照明、消防等的用电需求。在这种特殊的作业环境下，供电平稳及故障排查效率十分重要。

3.1 纺织业电厂设备状态监测管理

（1）监视传输设备的状态。设备状态监视层主要通过将传感器和相应的采集装置布置在柱塔和其他设备上来实现在传输线上收集信息，而信息通过网络传送到数据中心。目前，对纺织业电厂电力通信线路的在线监视能够监测风力偏差，监视图像和视频，并监视微观气象。在监视设备中，各种传感器可以对信息进行深度筛选，从而得到最终的监测结果。最大的问题是电力设备通信在线监测感知层，要确保通信电缆的可靠性，主要是针对故障源的发现与抢修；为了提高运维管理能力，还应优化平台工作模式，以提高整个系统的效率。（2）变电设备状态监测。监视改变功率设备的状态。纺织业电厂物物互联技术支持子站的智能化识别，该技术应能满足子站在实践中智能转换的基本要求。在对象联网的等级结构中，感知层主要嵌入到过程层中，应用层必须对应于站的控制层进行在线监测管理。

3.2 纺织业电厂全生命的周期管理

物联网对纺织业电厂通信系统运维管理具有长期优势，综合各种因素，在满足电厂经济效益的基础上，降低全部所有权的生命周期成本，对电厂全生命周期的循环管理是必要的，以执行安全控制等，满足对电力通信运维的新需求。除此之外，发展物联网技术还可以监视电厂通信设备全生命状态信息，并表现出和其属性的相互依存性，评估使用寿命，这样对设备的循环成本也提供了最强大的辅助功能；并有效实现电气资产全生命周期化关联，增强了设备诊断过程中的真实性与准确性。这样也有助于在制造与安装等过程中继续进行科学的管理。

3.3 纺织业电厂风险评估管理

在物联网的实际应用中，对纺织业电厂通信系统运维进行科学统计管理，从而对设备的状况进行各种信息收集，包括环境和实验等多方评估管理。对目前的设备状况和未来的发展因素进行分析，形成基于IOT 技术的风险评估方法。用新型传感器和其他技术手段来评估发送和传输功率设备的状态特性，同时结合某些理论数据来形成有效的评价结论和建立管理文档。

3.4 纺织业电厂智能化巡检管理

现在技术信息发展越来越快，在针对以往纺织业电厂通信系统运维管理时的巡检环节不但费时，还存在检测效率低、查找故障点难等问题，结合物联网技术打造出的运维平台，能有效应对这些不足。其智能化监控有效利用了识别（RFID）、北斗全球定位系统（GPS）、地图导航设备等无线通信网络，能快速查找出故障点，并且运维人员通过导航指引能及时到达现场进行抢修，从而有效地保障电网设备的安全运行，极大地提升了运维管理的效率。

4 结论

伴随着现代高端纺织产业集群，以机械代替人力，而机械化、自动化程度导致用电单耗不断攀高，在一定程度上给纺织业的电厂带来了较大的压力。而电厂通信依赖当下的物联网技术，成为新信息技术的重要组成部分，国家电网深入贯彻落实“四个革命、一个合作”能源安全新战略，创造性地提出了“三型两网、世界一流”的战略目标，指明了新时代智能电网的发展宏伟蓝图。

为了支持新时期电网智能化的发展，必须对纺织园区的电厂通信系统运维做出必要的变革举措，以实现长远发展。建议做好以下技术提升工作：（1）以RFID、GPS 等为基础的物联网络连接技术，提高信息状态的全景以及智能监控模型的研究；（2）增加内存、计算等方面以及信息智能监控技术的研发；（3）加强信息方面的集成技术和通信协议的研究；（4）加强电力传感器技术，以实际应用为导向开发特定用途的硬件；（5）提高监控设备的可靠性，并进一步开发信息可视化持续发展示范平台；（6）在管理的实际应用中，重视深化数据和周期性管理应用技术；（7）拓展“云计算”服务技术研究，增加监控和周期性管理的应用效果。