黃小慶，張軍永，朱玉生，曹一家

（湖南大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息通信網(wǎng)絡(luò)，具有全面感知、可靠傳輸和智能處理的特點，其技術(shù)具有空間化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化等特征[1-2]。目前，已在電網(wǎng)初步應(yīng)用，尚未在電網(wǎng)設(shè)施運(yùn)行安全監(jiān)控與電力資產(chǎn)優(yōu)化管理方面得到應(yīng)用[3]。輸變電設(shè)備在電力系統(tǒng)中至關(guān)重要。隨著電力網(wǎng)朝著超高壓、大容量、智能化方向發(fā)展，保證其安全運(yùn)行越來越重要，避免因其事故給生產(chǎn)和生活帶來不必要的影響及損失。物聯(lián)網(wǎng)及其技術(shù)為此提供了新的智能化手段。

本文提出以物聯(lián)網(wǎng)及其技術(shù)為基礎(chǔ)，以時空環(huán)境為依托，構(gòu)建將設(shè)備與人聯(lián)為一體的全景、實時、多維的監(jiān)控體系，極大程度拓展信息掌控的深度、廣度和維度，為實現(xiàn)輸變電設(shè)備的智能監(jiān)測與控制提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐，以及推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)及其技術(shù)在智能電網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用。

1 物聯(lián)網(wǎng)及其體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)[4-7]，基于編碼標(biāo)識、網(wǎng)絡(luò)通信、物聯(lián)網(wǎng)中間件等技術(shù)，按約定的協(xié)議，建立實體與網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通，實現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的自動識別和信息交互共享，從而構(gòu)建起多維、實時、全景的信息感知體系，最終實現(xiàn)實體的泛在感知、跟蹤、監(jiān)控和管理。

物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)可分為四層：信息感知層、網(wǎng)絡(luò)通信層、應(yīng)用支撐層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層。信息感知層通過射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID)讀寫器、智能傳感器等信息感知設(shè)備，進(jìn)行實體識別、信息采集等全景感知；網(wǎng)絡(luò)通信層是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞，基于無線通信網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、行業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)以及互聯(lián)網(wǎng)可靠傳輸信息感知層的數(shù)據(jù)；應(yīng)用支撐層包含物聯(lián)網(wǎng)中間件、全景信息集成平臺、云計算平臺和各類數(shù)據(jù)中心，用于海量信息的過濾、整合等，實現(xiàn)信息的有效集成、合理類分、交互共享等；業(yè)務(wù)應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)需求的結(jié)合，實現(xiàn)各行業(yè)的智能化。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的輸變電設(shè)備監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體體系架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的輸變電設(shè)備監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中包括設(shè)備信息感知（圖中由箭頭①標(biāo)注）和設(shè)備監(jiān)控（圖中由箭頭②標(biāo)注）。另外，為了滿足現(xiàn)場工作人員對信息共享的要求，實現(xiàn)全景信息集成平臺與電力MIS系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)等之間的數(shù)據(jù)交互，為平臺設(shè)計相關(guān)的數(shù)據(jù)接口，例如XML和Web Service。另外，采取物聯(lián)網(wǎng)管理技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)，使整個體系的機(jī)密性、真實性、完整性、抗抵賴性等得到進(jìn)一步的提高，最終實現(xiàn)對輸變電設(shè)備的生命周期狀態(tài)的全面感知及其智能監(jiān)控。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的輸變電設(shè)備監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Monitoring system architecture of power transmission equipment based on IoT

設(shè)備信息的感知分為設(shè)備感知層、通信層、服務(wù)層、應(yīng)用層等四層。

設(shè)備感知層采用編碼標(biāo)識技術(shù)賦予每個設(shè)備唯一的代碼，基于RFID、無線傳感技術(shù)，實現(xiàn)實體的非接觸性感知。該層包含桿塔、變壓器等輸變電設(shè)備及其附帶的標(biāo)簽（其中標(biāo)簽中寫入了設(shè)備標(biāo)識碼）、讀寫器以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（由智能傳感器以自組織和多跳方式構(gòu)成），完成設(shè)備標(biāo)識碼、靜態(tài)信息等標(biāo)簽信息的讀取。其中編碼技術(shù)包含EPC global的產(chǎn)品電子代碼（Electronic Product Code，EPC）、UID Center的UPC、ISO/IEC等[8]。識別技術(shù)包括RFID、智能傳感技術(shù)、視頻等多媒體信息技術(shù)，用于實體的狀態(tài)感知、多維監(jiān)視，為智能化、精益化管理提供了強(qiáng)健的信息基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

通信層采用有線+無線的混合通信模式，兩類通信方式互聯(lián)互通互操作，消除“網(wǎng)絡(luò)盲點”，實現(xiàn)感知信息傳送的高可靠性、高安全性。其中，依托于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)設(shè)備的在線感知與監(jiān)測等應(yīng)用，提高電網(wǎng)的安全性能，降低電網(wǎng)的運(yùn)行成本[9]。至于近距離內(nèi)無線通信涉及到大量無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如基于RFID、Wi-Fi、Zigbee、藍(lán)牙等技術(shù)的設(shè)備，采取政策、市場、技術(shù)三管齊下的方式，以提高物聯(lián)網(wǎng)規(guī)?；瘧?yīng)用的頻譜保障能力，保證各種無線通信方式的友好共存。

服務(wù)層包括本地服務(wù)器及解算器等，完成設(shè)備標(biāo)識碼與后臺數(shù)據(jù)庫中信息的映射與輸出。

應(yīng)用層主要是輸變電設(shè)備信息感知和監(jiān)控，平臺的設(shè)計采用Microsoft SQL Server 2008作為平臺的數(shù)據(jù)庫，在Microsoft Visual Studio 2010-平臺應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境下，采用C#編程語言或Java語言，基于面向服務(wù)的架構(gòu)（Service-oriented Architecture，SOA），結(jié)合ASP.NET 2.0技術(shù)、Web Services技術(shù)、JAVA 3D和虛擬技術(shù)完成平臺的開發(fā)，實現(xiàn)輸變電設(shè)備的三維全景展現(xiàn)，主要功能包括實現(xiàn)標(biāo)識設(shè)備的動態(tài)信息和靜態(tài)信息查詢、顯示以及相關(guān)報表和圖像的生成、指標(biāo)分析、監(jiān)測與控制等。

以EPC為設(shè)備標(biāo)識碼，簡要說明設(shè)備信息的感知。首先將EPC所對應(yīng)設(shè)備的詳細(xì)信息和屬性存儲在后臺數(shù)據(jù)庫中；在設(shè)備的感知過程中，信息感知設(shè)備讀取其工作范圍內(nèi)的標(biāo)簽信息及設(shè)備的狀態(tài)信息等；當(dāng)要查詢某個設(shè)備某時刻的靜態(tài)信息和動態(tài)信息時，以此代碼作為指針，經(jīng)過服務(wù)層的映射便可在后臺數(shù)據(jù)庫中找到；當(dāng)要定位感知時，可通過平臺或與其聯(lián)通的PDA發(fā)出請求，向信息感知設(shè)備發(fā)出命令，讀取設(shè)備的最新全景信息。

設(shè)備監(jiān)控分為設(shè)備層、監(jiān)測層、通信控制層和輸變電設(shè)備監(jiān)控層等四層。

設(shè)備層主要是相關(guān)輸變電設(shè)備及其標(biāo)簽；監(jiān)測層分為輸電和變電方面兩個方面，輸電方面：主要是覆冰、防盜、山火、大風(fēng)、雷電等監(jiān)測；變電方面：主要是對變電器的油色譜和局部放電監(jiān)測、斷路器監(jiān)測、GIS 監(jiān)測等監(jiān)測；通信控制層包括通信介質(zhì)和局域網(wǎng)，通信介質(zhì)分為有線和無線，保障所得監(jiān)測信息的整合及上傳、上層控制指令的下傳。局域網(wǎng)主要是針對變電設(shè)備，充分利用現(xiàn)有的變電站綜合自動化系統(tǒng)，至于輸電設(shè)備方面，此部分可以簡化成通信網(wǎng)絡(luò)；輸變電設(shè)備監(jiān)控層包括平臺和輸變電設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)MIS、ERP、WMS等，利用平臺上提供的數(shù)據(jù)和服務(wù)，實現(xiàn)對設(shè)備自身及外在環(huán)境的全面監(jiān)管，繼而進(jìn)行設(shè)備的在線狀態(tài)評估、預(yù)警和故障智能診斷。通過平臺發(fā)出相關(guān)的指令和設(shè)備的標(biāo)識碼，對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行定向化監(jiān)控。

2.2 輸變電設(shè)備全景信息集成平臺的設(shè)計

目前，電網(wǎng)中的信息集成平臺的應(yīng)用主要針對變電站和調(diào)度系統(tǒng)，且多偏重于三維可視化信息的集成[10-12]。鑒于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電網(wǎng)中日益規(guī)模化的應(yīng)用，感知的信息具有海量、多源、異構(gòu)等特點，有必要構(gòu)建合理的全景信息集成平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)的并行處理、數(shù)據(jù)挖掘和分類整合、交互共享工作，保障業(yè)務(wù)應(yīng)用信息的橫向協(xié)同、縱向貫通。

基于IEC61968/61970 等系列標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計開放的、分層的信息集成平臺架構(gòu)，采用面向服務(wù)的數(shù)據(jù)協(xié)同方法，實現(xiàn)輸變電設(shè)備全景的信息集成，建立具有數(shù)據(jù)層、中間層和應(yīng)用層的全景信息集成平臺，實現(xiàn)各種服務(wù)接口、信息聚合和各類數(shù)據(jù)的交互與存儲功能。整個平臺的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 平臺架構(gòu)Fig.2 Structure of platform

數(shù)據(jù)層主要包括輸變電設(shè)備全景監(jiān)測信息、生產(chǎn)管理信息、調(diào)度運(yùn)行信息、公共安全信息、人工補(bǔ)充錄入信息等，類分為靜態(tài)信息和動態(tài)信息，分別來自歷史數(shù)據(jù)庫記錄和實時信息感知設(shè)備。

中間層基于數(shù)據(jù)處理整合技術(shù)、數(shù)據(jù)并行處理技術(shù)，按照數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)類分、數(shù)據(jù)分析處理的步驟對來自數(shù)據(jù)層的元數(shù)據(jù)進(jìn)行面向SOA 集成服務(wù)的分析處理，完成數(shù)據(jù)的清洗、加工、轉(zhuǎn)化、整合等標(biāo)準(zhǔn)化處理工作。

應(yīng)用層主要是面對業(yè)務(wù)需求對數(shù)據(jù)進(jìn)行組合封裝提交，為輸變電設(shè)備的監(jiān)控提供精益的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析、挖掘和導(dǎo)出服務(wù)。

該平臺完成輸變電設(shè)備的空間數(shù)據(jù)、時間序列數(shù)據(jù)的并行處理；服務(wù)不同的物理和虛擬的對象通過Web服務(wù)、SOA組件可靠交互；面向業(yè)務(wù)應(yīng)用與分析等，提供數(shù)據(jù)服務(wù)（異構(gòu)數(shù)據(jù)的分類整合、標(biāo)準(zhǔn)化等）和可視化服務(wù)（例如全景可視化服務(wù)、發(fā)布預(yù)警服務(wù)等）等方面的應(yīng)用服務(wù)支撐，為設(shè)備監(jiān)測與控制及其專業(yè)分析提供實時監(jiān)控界面、人機(jī)交互界面；保障輸變電設(shè)備基于平臺提供的服務(wù)，結(jié)合信息感知設(shè)備提供的數(shù)據(jù)，進(jìn)行自主感知、判別和決策。

另外，為使系統(tǒng)中多源異構(gòu)的動態(tài)數(shù)據(jù)得到高效處理，適應(yīng)系統(tǒng)的擴(kuò)張需求、后臺應(yīng)用程序增加或改變等變化，采用功能模塊化設(shè)計了平臺中的物聯(lián)網(wǎng)中間件（Internet of Things Middleware ，IoT-MW）。采用物聯(lián)網(wǎng)中間件技術(shù)可以對數(shù)據(jù)有效整合、并行處理、數(shù)據(jù)挖掘等，實現(xiàn)同構(gòu)數(shù)據(jù)、異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)抽取、格式轉(zhuǎn)換等功能，消除數(shù)據(jù)冗余，減少傳輸數(shù)據(jù)量，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，為體系中各項業(yè)務(wù)的有序應(yīng)用提供高效、精細(xì)化的數(shù)據(jù)。以期解決數(shù)據(jù)可靠性傳輸、事物處理、消息隊列模式、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)輸出等關(guān)鍵問題，支持同步、異步通信模式，具備全面的安全機(jī)制。

該中間件具有信息感知終端接口、事件數(shù)據(jù)管理、應(yīng)用程序接口、信息服務(wù)、安全模塊等組件。如圖3所示。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)中間件的功能模塊結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of IoT-WM functional modules

1）信息感知終端接口：為應(yīng)用程序與各種類型的信息感知終端提供集成功能，包括協(xié)議處理模塊、事件生成模塊、命令處理模塊和監(jiān)控模塊等組件。

其中，協(xié)議處理模塊進(jìn)行通信協(xié)議分析、接口分析，完成各種通信協(xié)議的切換以及封裝，確保信息感知終端可以各自的數(shù)據(jù)交換協(xié)議與應(yīng)用程序無縫連接、自助通信；事件生成模塊為感知到的數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的事件，并上傳給事件管理單元；請求/響應(yīng)模塊接收后臺應(yīng)用程序經(jīng)應(yīng)用程序接口和消息處理模塊分析發(fā)來的請求指令，并回復(fù)相應(yīng)的程序響應(yīng)；控制模塊監(jiān)控信息感知終端的執(zhí)行情況，并通過圖形用戶接口管理經(jīng)中間件連接的各個信息感知終端。

2）事件數(shù)據(jù)管理單元：對來自信息感知終端接口的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、集成和分類整合等操作，并與應(yīng)用系統(tǒng)中相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)內(nèi)容建立聯(lián)接。包括事件數(shù)據(jù)處理模塊、事件數(shù)據(jù)緩存模塊等。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 事件數(shù)據(jù)管理單元Fig.4 Event data management unit

其中，事件數(shù)據(jù)處理模塊過濾來自信息感知終端接口的事件數(shù)據(jù)，除去那些非必要的多余數(shù)據(jù)，進(jìn)而對有效的事件數(shù)據(jù)進(jìn)行基于交互數(shù)據(jù)規(guī)約庫和業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則庫的整合、排序，采用程序邏輯及存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能保證數(shù)據(jù)流的高效、有序。另外，提供數(shù)據(jù)評估、數(shù)據(jù)挖掘等高級服務(wù)功能；事件數(shù)據(jù)緩存模塊對數(shù)據(jù)分類壓縮，減少數(shù)據(jù)傳輸量和存儲量。

3）應(yīng)用程序接口：包括服務(wù)接收模塊和消息處理模塊兩部分，為應(yīng)用系統(tǒng)控制信息感知終端提供服務(wù)。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

其中，服務(wù)接收模塊接受后臺應(yīng)用程序的指令，提供諸如XML-RPC、Web-Service 等通信功能；消息處理模塊分析后臺應(yīng)用程序經(jīng)服務(wù)接收模塊傳送的指令，并將分析結(jié)果反饋至請求/響應(yīng)模塊，以便得到具體的響應(yīng)，最終完成應(yīng)用程序?qū)π畔⒏兄K端的協(xié)調(diào)控制。

4）信息服務(wù)：由設(shè)備信息存儲庫和服務(wù)引擎組成。

其中設(shè)備信息存儲庫存儲與標(biāo)識關(guān)聯(lián)的設(shè)備詳細(xì)信息，以保證全景信息集成平臺的信息來源；服務(wù)引擎為設(shè)備存儲庫管理的信息提供搜索/查詢引擎。

5）安全模塊：完成網(wǎng)絡(luò)防火墻功能，保證數(shù)據(jù)的安全和完整。

圖5 應(yīng)用程序接口單元Fig.5 Application programming interface unit

3 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)及其技術(shù)作為智能電網(wǎng)發(fā)展和建設(shè)的重要支撐，具有廣闊的發(fā)展空間。在輸變電設(shè)備的智能監(jiān)控引入物聯(lián)網(wǎng)，可滿足集約化發(fā)展、精益化管理等業(yè)務(wù)需求，提高設(shè)備之間的信息聯(lián)系交互能力和自愈能力，實現(xiàn)對輸變電設(shè)備的全景實時感知、多維智能監(jiān)測與控制，使設(shè)備的全壽命周期監(jiān)控管理透明化、高效化。

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