八字嘴航运枢纽智能物联管控系统设计与应用

邓小刚，谷亚飞，张宏艳，李雪强，袁 宏，李 萌

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

江西信江八字嘴航电枢纽工程包含主变压器、厂用变压器、35 kV 开关柜、6 kV 开关柜及0.4 kV 低压成套配电装置等中低压配电系统，在系统长期运行中，由于各种客观原因易造成中低压配电设备在安装和投运后的过程中出现电缆搭接处故障、母线故障、操作机构故障、避雷器故障、变压器故障、柜内凝露问题引发的绝缘闪络故障、防火问题、防盗等问题，从而对设备本身的安全及电网的可靠运行带来了隐患，直接影响设备的安全稳定运行[1]。该配电系统存在设备数量多、设备分布位置分散等特点，对水电行业传统的人工巡检运维管理模式造成较大困难。 采用电力设备大数据智能物联管控系统可以有效解决江西信江航运枢纽工程遇到的上述问题[2-5]。

1 总体架构

智能物联管控系统总体构架采用“能源互联网”理念构筑端云融合、边缘计算、端自治相结合的智能中低压配电系统体系，基于智能物联终端，采用硬件平台化、功能模块化方式以及人工智能技术，主要对中低压配电系统设备信息进行全采集，可以通过边缘计算及内置专家系统对中低压配电系统信息优先进行本地化分析与决策，实现端边云协同配合。设计系统总体架构如图1。

图1 总体架构图

1.1 “智”层

“智”是“云”、“网”、“边”、“端“的综合判断平台，是整个系统“家长”，负责通过下层的全部数据及分析结果判断整个系统的运行状态，提供系统运行的决策结果，整系统状态预测功能等。同时提供大数据可视化平台，实现全系统大数据急速查询。

1.2 “云”层

基于系统私有大容量数据中心配置的云服务平台，实现能源互联网架构下的配电系统全面信息化、智能化和微服务化，满足需求快速响应、应用弹性扩展、资源动态分配、系统集约化运维等要求。

1.3 “网”层

“网”是为“智”、“云”、“边”、“端”数据提供数据传输的通道，采用混合MESH 通信网的技术架构，完成电网海量信息的高效传输及存储，根据物联网“智云边端＂的整体架构，配电物联网通信整体架构主要包括：“边”与“云”之间的通信；“端”与“边”之间的通信；“端”与“云”之间的通信、“云”与“智”之间的通信、“云”与“云”之间的通信，“端”与“端”之间的通信六大类。

1.4 “边”层

“边”即边缘计算节点，采用“硬件平台＋内置专家系统＋边缘计算框架＋ 多功能数据筛选”的技术架构，融合网络、计算、存储、分析、应用核心能力，通过边缘计算技术提高业务处理的实时性及便捷性、降低主站通信和计算的压力。

在物联网系统架构中，边缘计算节点是“终端数据自组织，端云业务自协同” 的载体和关键环节，实现终端硬件和软件功能的解耦。对下，边缘计算节点与智能感知设备通过数据交换完成边端协同，实现数据全采集、全感知、全掌控、全分析、全预测；对上，边缘计算节点与物联管控平台实时全双工交互关键运行数据完成边云协同，发挥云计算和边缘计算的专长，实现合理分工。

1.5 “端”层

“端＂层是物联网架构中的感知层和执行层，实现配电网的运行状态、设备状态、环境状态以及其它辅助信息等基础数据的采集分析、设备状态的分析、边缘计算、设备未来故障概率，并执行决策命令或就地控制，同时完成与电力客户的友好互动，有效满足电网生产活动和电力客户服务需求。

2 设计方案

本项目的电力设备大数据智能物联管控系统借鉴了泛在电力物联网的架构安排，按照“一个框架，两个网络，三个云服”的思路设计，组成如下：

2.1 一个框架

框架，是一个系统的组成灵魂，是连接各个不同系统的基础，我公司采用先进的机器交互框架设计物联系统。即M2M 框架结构。M2M 是Machine-to-Machine/Man 的简称，是一种以机器终端智能交互为核心的、网络化的应用与服务。它将使对象实现智能化的控制。M2M 技术涉及5 个重要的技术部分：机器、M2M 硬件、通信网络、中间件、应用。基于云计算平台和智能网络，可以依据传感器网络获取的数据进行决策，改变对象的行为进行控制和反馈。

2.2 两个网络

网络，由如人类的血管系统，其负担数据传输的重要功能。就像人类有静脉和动脉一样，本项目的物联管控系统也有两个网络系统：传感器网络及通信网络。

通信网络：负担设备的数据流传输，其采用多种通信方式组成混合的信息通信系统，一般情况，通信网络采用有线和无线冗余设计方案，包含一种或多种通信功能，实现数据的稳定通信。

传感器网络：系统中传感器是采集设备信息的的重要环节，也是物联系统的子系统，其以对象为目标（面向对象）实现数据采集与分析功能。

2.3 三个云服

（1）私有数据云

系统具备全部设备的全息数据存储功能，按照秒级存储单元（物联网存储的约定存储步进）计算，数据云可存储 5～10 年，并提供快速检索服务系统，方便进行数据查询。

（2）私有控制云

系统具备控制功能，可将判断结果直接作用于设备，其所有控制逻辑及控制判别均在云控中心实现，组成单独的云控制系统。例如，按照整体判断逻辑实现控制风机，水泵，保护等功能。同时系统具备分布式录波装置，可将故障波形存储至控制云中以供专家系统决策机使用。

（3）私有巡检云

电力设备物联网一般只重视数据的传输及数据的分析功能，项目设计时根据用户需求，在物联网系统单独增加了巡检云服务系统，该系统具备巡检指导、巡检签到、巡检记录、巡检分析功能。

3 关键技术

3.1 纵向大数据分析处理

智能物联终端本体需具备纵向大数据终端分析功能，可将重要馈线回路的全部场景感知历史数据组成纵向数据链进行终端在线分析。实现重要馈线回路的数据分析，具备单点历史大数据的分析判别能力。实现重要馈线回路运行状态动态评级（优、良、及格、差）及自适应巡检计算，并自动生成状态评估报告及存储。评价时间精度不小于1 个月。 电力设备大数据智能物联管控系统通过传感器网络实现数据的分析及结果上传，可将变压器及开关柜等被检测器件的历史数据进行分析并给出判别指导意见。

3.2 人工智能在线分析

智能物联终端具备重要馈线回路判别专家智能模型，具备人工分析理论模型，可进行类人分析，具备重要馈线回路在线状态分析及判别功能，并输出报告。

3.3 未来状态预测

智能物联终端具备通过以往的数据进行规律分析得出重要馈线回路的未来运行状态的功能，可计算得出未来设备出现故障的计算概率。智能物联管控系统（MEMS）具备双层未来预测功能，即MEMS预测功能及控制云预测功能。其中，MEMS 预测功能负责将设备的单场景数据预测结果上传至云服务平台中，控制云预测功能则负责将全体设备的判断结果进行综合分析并得出系统结论。

3.4 预警功能

电力设备大数据智能物联管控系统及智能物联终端具备多种预警功能：声音超常规预警、行程超常规预警、环境超常规预警、状态超常规预警等功能。

3.5 多渠道互联

智能物联终端具备WIFI、LORA、4G（可扩展5G）等多种通信手段，可执行数据点对数据总站、数据点对数据子站、数据点对手机、数据点对点的通信功能， 可实现终端间的智能设备组网。一般情况，通信网络采用有线和无线冗余设计方案，包含一种或多种通信功能，实现数据的稳定通信。

3.6 分布式故障录波及波形故障自识别

智能物联终端能实现重要馈线回路故障录波功能（如短路、接地、过电压、过电流、负荷不平衡、分布式波形拾取、故障波形自识别等），可以实现故障点扩散同步触发功能，记录系统故障前、后过程的各种电气量的变化情况。具备采样掉线及电源电线波形录制功能。具备故障点波形自动识别分析及故障判别功能。波形录制图（示意）如图2。

3.7 组网及人机交互

智能物联终端具备有线或局域无线通信功能，可通过有线或局域无线通信方式组建电力设备管控局域网络系统。电力设备大数据智能物联管控系统所有采集数据可通过手机APP、触摸屏、PC 机三种方式显示，并通过这三方式对智能物联终端进行参数设置、联动控制，系统具备接入电站集控一体化平台系统的能力， 实现数据交互共享，考虑到网络安全，数据检测及智能运算在智能物联终端内进行，人机交互界面无需具备数据检测及智能运算能力。

云服务的设计方案为在数据服务器中架设三个单独的数据库系统，并在矩阵服务器中分割相应的数据存储空间。每个数据库对应不同的云服务平台，实现整个系统的云服务平台功能。为使得海量数据可以迅速被找出，系统配备单独的索引服务器。

4 结语

江西信江八字嘴航电枢纽工程成功采用了电力设备大数据智能物联管控系统，实现了对电力设备的运行参数、设备参数、环境参数以及其他辅助信息等基础数据的采集，结合纵向大数据分析处理及运行状态评估，对设备未来运行状况进行评估、预测，避免运维过程中受人为因素的影响造成误判，保证电力设备安全稳定运行，确保电站乃至整个枢纽的维护稳定安全运行，同时实现电力设备的智能巡检及电力设备全场景分析功能。