基于工业互联网的配电中心智能运维管理

马 万 里

[上海电器科学研究所(集团)有限公司, 上海 200063]

0 引 言

电能作为绝大多数企业对主要能源形式,安全供电对于企业来说是至关重要的,特别是随着企业智能化水平的越来越高,用电设备也越来越多,安全供电关系到企业是否能够正常进行生产经营工作。配电中心是企业统一的用电管理设施,由众多的电力设备通过一定的逻辑关系连接在一起组成了一个配用电管理系统,配电中心中电力设备的安全稳定运行是保障企业安全用电的关键。传统的配电中心一般会常驻电工,通过人工管理的方式来保证配电中心的正常运行,但这种方式一般会受限于人员的专业水平,以及管理水平,往往不能达到用电安全的要求,特别是对于安全用电比较高的企业,这种方式潜在风险还是比较高的。

采用工业互联网技术实现对配电中心配用电设备、环境传感、视频等数据实时采集,结合配电中心运维的相关标准[1-3]对配电相关数据进行监控,及时发现异常数据并通过短信、电话、推送等方式进行报警,提醒运维人员及时解决问题。在此基础上,结合运维管理的最佳实践方法论,优化企业运维资源管理,提供运维效率。与此同时通过电能的智能管理,为企业提供用能分析、用能优化等智能能源管理。

1 系统总体架构设计

系统采用主流的互联网技术架构设计,主要分为:SAAS应用服务层、PAAS平台工具服务、IAAS 基础硬件设施、传感器设备层。

SAAS应用服务层提供完成的配电中心智能运维应用服务,如资产管理、运维管理、健康管理、能效管理等,所有应用都可在PC端通过Web浏览器访问,也可以通过移动APP进行访问。

PASS层提供众多的通用工具,并通过微服务的方式提供相关接口,通用工具主要包括:在线组态工具、低代码开发工具、机理模型工具、运维引擎组件等。同时这PAAS层提供平台完整的RestAPI接口,方便与第三方平台进行数据对接,及二次开发。

IAAS层租用阿里云云服务器,并采用容器技术搭建高可用性的应用服务器集群、高可靠性数据库以及消息库,OSS对象等中间件组件。

传感器设备层主要是通过高性能边缘计算网关及环境传感器接入现场配电设备。边缘计算网关通过配用电设备广泛使用的Modbus、DL645协议连接设备,对上通过MQTT[5]协议实现与平台进行数据传输,通讯模式上支持4/5G、Wifi、以太网多种模式。系统总体架构图如图1所示。

图1 系统总体架构图

2 网关设计

网关是设备接入工业互联网平台关键设备。结合配电中心实际情况,设计了用于分布式快速部署的4G DTU,以及用于集中式部署并具备边缘计算能力的边缘计算网关。

2.1 4G DTU

4G DTU对上通过4G通讯,对下支持Modbus、DL645协议,具有低成本、安装简单、快速部署等特点,一般采用分布式部署的方式实现配电中心设备快速接入平台。4G DTU分布式部署拓扑图如图2所示。

图2 4G DTU分布式部署拓扑图

2.2 边缘计算网关

边缘计算网关采用了软网关技术设计,并通过Docker容器技术进行部署,可以灵活地部署在具备容器管理能力的网关设备上,实现了网关软件与网关硬件的解偶,极大地提高了网关适用性,并可通过工业互联网平台实现软网关远程升级。边缘计算网关具备计算能力强、远程管理等特点,一般采用集中部署的方式。边缘计算网关集中式部署拓扑图如图3所示。

图3 边缘计算网关集中式部署拓扑图

3 资产管理

配电中心中有大量的资产,如变压器、配电柜、开关等,且由于专业性等问题这些资产设备一般由不同等设备厂商制造,同时配电设备具有较长的生命周期。这些都给配电中心资产管理带来了比较大挑战。本文借助工业互联网技术提供完整的配电中心资产管理解决方案。

3.1 资产二维码

资产设备通过唯一二维码标识管理,并且此二维码伴随设备终身,在生命周期内,用户可以随时通过二维码了解设备基础信息,以及设备在运行期间的维修保养记录。资产二维码管理如图4所示。

图4 资产二维码管理

3.2 设备台账

设备台账忠实地记录了配电中心内每个设备的基本信息,为后续维修保养提供最基本的数据支撑,同时也可以实时查看设备当前的运行状态。设备台账管理如图5所示。

图5 设备台账管理

3.3 电子档案管理

由于配电中心内各种配电设备较多,而且来源于不同的供应商,传统靠人工管理的方式往往会造成设备参考资料的丢失,通过互联网技术实现了对配电中心资料的电子化分类管理,并且永久保存不会丢失。电子档案管理如图6所示。

图6 电子档案管理

4 能效管理

随着国家“双碳”[4]战略的实施,企业实现节能降效是实现“双碳”目标的重要手段,电能作为企业用能的主要形式,电能能效优化是企业实现“双碳”目标的基础;通过分析配电中心相关对电能数据,实现对配电房数据的历史分析、同比/环比分析、不平衡分析、谐波分析等。

4.1 用能排行

用能排行可以自动对下一级用电设备的用能进行排行,直观地展示最高的用能设备,用户可以有针对性地对排名靠前用能设备制定节能措施。用能排行如图7所示。

图7 用能排行

4.2 用能对比

用能对比可对用能设备不同时间段的用能情况进行对比,对比的颗粒度可以是日、月、年;用能对比有助于用户对不同时间段用能进行分析,制定分时间段对节能策略。用能对比如图8所示。

图8 用能对比

4.3 同比环比

同比环比可实现设备数据按照日、月、年的颗粒度进行同比和环比。此功能可为用户用能提供不同纬度的分析,有助于制定更加有效的节能措施。用能同比、环比如图9所示。

图9 用能同比、环比

4.4 月度报表

工业互联网可以自动产生配电中心每月的运维月度报表,用户可以自行下载报表,并可以通过邮件、短信等方式发送给相关人员。月度报表如图10所示。

图10 月度报表

月度报表主要包含如下内容:配电中心没有的运维数据;统计并分析运维工单的处理情况;电量分析;负荷分析;需量分析。

5 运维管理

传统的配电中心运维管理都是通过常驻人员的方式来对配电中心运维,但是配电中心经过长期的运行往往存在:配置信息混乱、被动式响应、运维质量低下等问题,同时缺乏对运维工程师工作评估的数据。运用运维管理的最佳实践方法,结合配电中心的运维需求实现了配电中心的科学运维。

运维管理的最佳实践方法论,运维管理方法示意图如图11所示。

图11 运维管理方法示意图

运维管理中主要包括如下几项内容。

(1) 配置管理:用于对运维过程中主数据对标准化管理,在配电中心场景下就是对配电中心内配电设备、运维人员、工具、备品备件等主数据管理。

(2) 事件管理:主要目的是及时恢复系统服务,在配电中心场景下就是如何快速恢复正常的供电服务,恢复的方法可以是永久的解决办法,也可以是临时的方法。

(3) 问题管理:主要目的是找到问题发生本质,也就是要分析发生配电故障本质原因,寻求从根本上永久解决问题的方法。

(4) 资源管理:对于运维过程中所涉及到的工程师、专家、车辆、物料等都称之为资源,如何有效地对资源管理,最大地利用资源是资源管理所要解决的重要问题。

(5) 报警管理:目的是通过预警机制预防极端事件的发生,工业互联网平台要具备通过多种策略进行报警,并根据报警级别的不同提供短信、推送信息、电话等多种报警手段。运维管理功能示意图如图12所示。

图12 运维管理功能示意图

结合上述管理的需求,结合配电中心的实践运维需求设计了配电中心运维管理模块,主要包括:主数据、物料、资源、工单、结算、报表等管理子模块,为配电中心提供全方位的运维管理功能。

5 结 语

配电中心是用户侧电能管理的基础设施,对其进行有效对管理,即是对企业用能有效管理,是实现企业“双碳”目标对关键因素。基于工业互联网技术的配电中心智能运维,可以对配电中心运行情况进行远程监控,并对运维资源进行有效管理,实现对配电中心的高效科学的运维管理,主要优势包括:

(1) 配电房运行的全方位监控,不但可以监控电参量数据,还可以监控环境、视频等数据。

(2) 强大的数据分析功能,可以对配电中心数据进行多维度专业的分析,及时发现潜在的问题,并为电能的智能化使用提供强大的数据支撑。

(3) 科学有效的运维管理功能,可对运维过程中涉及的资源进行有效管理,并提供事件、问题等管理机制,不但提供快速响应的能力,同时也提供发现问题本质原因的方法。