劉海艷,劉鵬程
(1.南京理工大學(xué)紫金學(xué)院,江蘇 南京 210026;2.山西振中電力股份有限公司,山西 太原 030024)
目前,變電站內(nèi)電力設(shè)備形式較多,地點(diǎn)分散,從招標(biāo)、采購(gòu)、測(cè)試、運(yùn)行及維護(hù)整個(gè)全壽命周期過程會(huì)產(chǎn)生海量運(yùn)行數(shù)據(jù),這些運(yùn)行數(shù)據(jù)需要大量的統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算和處理。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)變化的時(shí)候,必須及時(shí)將設(shè)備信息進(jìn)入臺(tái)帳進(jìn)行更新,否則會(huì)造成設(shè)備臺(tái)帳與實(shí)物的信息不一致,對(duì)設(shè)備運(yùn)行可靠性產(chǎn)生一定影響。
目前,針對(duì)電力設(shè)備臺(tái)賬管理的研究主要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面,文獻(xiàn)[1]基于射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)技術(shù)對(duì)電力設(shè)備分布式臺(tái)賬云管理進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[2]研究了臺(tái)帳數(shù)據(jù)高級(jí)核查處理技術(shù);文獻(xiàn)[3]對(duì)基于大數(shù)據(jù)的電力信息設(shè)備臺(tái)賬準(zhǔn)確度提升進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[4]提出了基于物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)的電網(wǎng)資產(chǎn)精益化管理方案;文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了基于PMS平臺(tái)的輸變電設(shè)備臺(tái)賬系統(tǒng);文獻(xiàn)[6]提出了基于無線射頻識(shí)別的電力設(shè)備全壽命周期管理方案;文獻(xiàn)[7]說明了二維碼技術(shù)在電力二次設(shè)備中應(yīng)用;文獻(xiàn)[8]建立了基于狀態(tài)檢修的保護(hù)設(shè)備臺(tái)賬管理模型。
本文針對(duì)電力設(shè)備電子臺(tái)帳管理提出了解決方案。利用無線射頻識(shí)別模塊提升電力設(shè)備讀取、識(shí)別和管理的能力,設(shè)計(jì)了電力設(shè)備臺(tái)帳管理系統(tǒng),能夠通過相應(yīng)的射頻芯片實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備臺(tái)帳管理,從全生命周期角度提高管理效率和管理質(zhì)量。
電力設(shè)備臺(tái)帳是電網(wǎng)設(shè)備管理中的一項(xiàng)重要記錄手段,能將所有設(shè)備的參數(shù)、運(yùn)行記錄等數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)信息通過臺(tái)帳進(jìn)行查詢、修改和編輯。電力設(shè)備臺(tái)帳是電力全壽命周期的一項(xiàng)重要體現(xiàn),關(guān)系到電力規(guī)劃、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)及服務(wù)全流程的業(yè)務(wù),所以做好臺(tái)帳管理十分重要。目前,主要使用的仍然是傳統(tǒng)的存儲(chǔ)服務(wù)器,對(duì)變電站、輸電線路和配電地區(qū)等信息設(shè)備,都要通過人工錄入的方式,在后臺(tái)將設(shè)備信息進(jìn)行檢入,需要大量的時(shí)間和人工成本,同時(shí)由于現(xiàn)在數(shù)據(jù)越來越豐富,傳統(tǒng)的服務(wù)器的性能不能夠支撐現(xiàn)在大數(shù)據(jù)背景下的臺(tái)帳信息的實(shí)時(shí)查詢和調(diào)閱,因此給電力運(yùn)行和維護(hù)帶來了一定困難。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)的大力發(fā)展,電力設(shè)備臺(tái)帳管理也應(yīng)做出一定改進(jìn)和提升。
設(shè)備臺(tái)帳信息的完善需要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)更新,臺(tái)帳信息的建立和運(yùn)行維護(hù)對(duì)于設(shè)備狀態(tài)信息更新、檢修體系維護(hù)都極其重要。通過所記錄的設(shè)備狀態(tài)基本信息數(shù)據(jù),將設(shè)備的靜態(tài)數(shù)據(jù)信息、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息通過云平臺(tái)進(jìn)行合理存儲(chǔ),將設(shè)備臺(tái)帳信息不斷更新完善,形成綜合利用效果,從而為之后設(shè)備的運(yùn)行檢修等行為的數(shù)據(jù)提供相應(yīng)的基礎(chǔ)。
同時(shí),設(shè)備臺(tái)帳信息的維護(hù)需要由工作人員根據(jù)設(shè)備狀況,及時(shí)填寫設(shè)備臺(tái)帳,并且需要反復(fù)校驗(yàn)和審核,確保填寫的資料和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤,從而大大加重了人工難度。對(duì)于人工輸入的高度依賴性,大大降低了信息更新的及時(shí)性和可靠性,浪費(fèi)了人力物力,也可能會(huì)造成輸入錯(cuò)誤等。
目前,電網(wǎng)形成了統(tǒng)一的臺(tái)帳管理系統(tǒng)(PMS),該系統(tǒng)在查詢資料的直觀性和統(tǒng)一性上有很大提升。PMS系統(tǒng)對(duì)于電力設(shè)備的集約化、規(guī)范化和精細(xì)化管理有著重要作用,但是在設(shè)備信息進(jìn)行上傳時(shí),仍然存在不同的信息差異。在PMS系統(tǒng)進(jìn)行錄入時(shí),需要進(jìn)行任務(wù)建立、設(shè)備關(guān)系查找、工種類別修改、條目保存與提交任務(wù)等,在一定程度上流程較為煩瑣,功能受到一定限制,效率仍然較低。另外,對(duì)設(shè)備臺(tái)帳資料進(jìn)行修改時(shí),主要是對(duì)新設(shè)備的臺(tái)帳錄入以及對(duì)已有設(shè)備臺(tái)帳資料的更新,在這2種情況下,如果進(jìn)行傳統(tǒng)的人工輸入,需要通過鼠標(biāo)、鍵盤和人工校核等方式進(jìn)行輸入,增加了人工錄入的勞動(dòng)強(qiáng)度。因此,開發(fā)電力設(shè)備臺(tái)賬自動(dòng)管理方案十分必要。
無線射頻識(shí)別是一種無線通信技術(shù),能夠以非接觸的方式自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取目標(biāo)對(duì)象的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息,通過無接觸的方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的識(shí)別和信息的傳達(dá)。射頻識(shí)別具有較高的使用壽命,對(duì)工作環(huán)境要求不高,能嵌入或附著在不同類型的設(shè)備上,可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)讀取的功能,并且可以在一定距離內(nèi)進(jìn)行讀取,這對(duì)于變電站內(nèi)運(yùn)維檢修人員的操作十分便利。在電力設(shè)備全壽命周期管控過程中, RFID技術(shù)可以大大減少人工巡檢的不確定性以及可靠性低等問題,實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備的識(shí)別,同時(shí)還可以保證抗電磁干擾等特性。通過射頻識(shí)別,可以實(shí)時(shí)掌控電力設(shè)備的狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備狀態(tài)的動(dòng)態(tài)查詢。
RFID技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電力設(shè)備信息的標(biāo)簽化采集和管理,將掃描得到的條形碼信息上傳至云平臺(tái),利用手持終端、移動(dòng)設(shè)備等對(duì)電力標(biāo)簽進(jìn)行采集和識(shí)別,可以很容易地查詢電力設(shè)備從生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)、運(yùn)行和檢修等狀態(tài)的信息查詢,并且根據(jù)電力檢修人員的權(quán)限進(jìn)行設(shè)備信息的完善和編輯,能夠?qū)崿F(xiàn)電力設(shè)備狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)編輯和與云平臺(tái)信息同步操作的功能。
利用移動(dòng)射頻技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合,構(gòu)建電力設(shè)備智能臺(tái)帳信息管理平臺(tái),采用集中管理、分布式運(yùn)維的模式,可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行檢修人員與電力設(shè)備的信息交互,實(shí)現(xiàn)設(shè)備臺(tái)帳的移動(dòng)作業(yè)和實(shí)時(shí)更新,能夠有效加強(qiáng)信息的管理,規(guī)范運(yùn)行檢修人員數(shù)據(jù)操作,降低設(shè)備的數(shù)據(jù)缺陷,為檢修運(yùn)行提供有力數(shù)據(jù)庫(kù)。
讀寫器是利用無線射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)行標(biāo)簽數(shù)據(jù)的捕捉和處理的裝置,其首要功能是激活標(biāo)簽。對(duì)于被動(dòng)標(biāo)簽和半主動(dòng)標(biāo)簽,讀寫器在讀寫范圍內(nèi)的標(biāo)簽可以提供相應(yīng)的能量激活操作。RFID讀取流程如圖1所示。電子標(biāo)簽信息閱讀步驟如下:
圖1 RFID工作原理
a.移動(dòng)終端根據(jù)信息交互應(yīng)用程序?qū)⑴_(tái)帳信息運(yùn)維業(yè)務(wù)需要的數(shù)據(jù)由電子標(biāo)簽信息進(jìn)行獲取。
b.信息閱讀器發(fā)送指令信號(hào),經(jīng)過射頻編碼加載在載波信號(hào)上,通過天線發(fā)射該射頻信號(hào)。
c.電子標(biāo)簽受到信號(hào)區(qū)域的射頻電流,電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)激活,讀取數(shù)據(jù)。
d.電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)處理模塊獲得存儲(chǔ)區(qū)的臺(tái)帳信息編碼,加密后將該信息加載至載波信號(hào)上,通過射頻天線發(fā)送該信號(hào)。
e.移動(dòng)終端設(shè)備接收天線發(fā)來的電子標(biāo)簽和載波信號(hào),通過信息閱讀器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行解密,讀取信號(hào)內(nèi)的信息。
f.信息交互應(yīng)用程序獲取臺(tái)帳信息編碼,根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該信息的合規(guī)性,針對(duì)不同的臺(tái)帳信息存儲(chǔ)要求對(duì)信息進(jìn)行分類存儲(chǔ),最終實(shí)現(xiàn)臺(tái)帳信息的讀取和處理。
基于RFID的電力設(shè)備臺(tái)賬管理系統(tǒng)的構(gòu)架如圖2所示。基于無線射頻的電力設(shè)備全自動(dòng)電子臺(tái)帳管理構(gòu)架主要包括感知層、信息處理層和應(yīng)用層。在感知層,無線射頻標(biāo)簽布置于各主要電力設(shè)備,進(jìn)行讀寫器掃描條碼和數(shù)據(jù)。利用布置的無線射頻讀寫器以及相應(yīng)的射頻天線單元,與定制的無線射頻標(biāo)簽信息存儲(chǔ)規(guī)范相結(jié)合,通過不同設(shè)備類型的數(shù)據(jù)格式校驗(yàn),確保標(biāo)簽讀取數(shù)據(jù)的合理性和通用性。在感知層,標(biāo)簽安裝的位置有利于讀寫器進(jìn)行采集數(shù)據(jù),方便運(yùn)維檢修人員進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。
圖2 系統(tǒng)構(gòu)架
移動(dòng)終端利用射頻識(shí)別技術(shù)讀取設(shè)備的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù),將該信息通過無線網(wǎng)絡(luò)接入至相應(yīng)的云平臺(tái),通過平臺(tái)的功能將數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。為確保設(shè)備臺(tái)帳信息的安全性,在進(jìn)入云平臺(tái)之前,需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理,確保數(shù)據(jù)的安全接入。信息安全接入云平臺(tái)由安全接入系統(tǒng)、安全終端和安全傳輸通道組成,采用數(shù)字加密、數(shù)據(jù)間隔交換、實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)安全檢查等功能,確保掃描得到的數(shù)據(jù)安全可靠地上傳至云平臺(tái),實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域內(nèi)的電力設(shè)備臺(tái)帳信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。
電力設(shè)備臺(tái)帳信息傳輸至云平臺(tái)后,數(shù)據(jù)服務(wù)器根據(jù)采集數(shù)據(jù)的類型、地點(diǎn)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及環(huán)境條件等因素進(jìn)行綜合分析,為數(shù)據(jù)進(jìn)一步可視化展示奠定相應(yīng)的基礎(chǔ)。由于云平臺(tái)具有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行大量采集、實(shí)時(shí)處理的能力,因此將變電站內(nèi)所有設(shè)備的臺(tái)帳信息統(tǒng)一集中至云平臺(tái),形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)利用無線射頻識(shí)別技術(shù),對(duì)臺(tái)帳信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新,方便臺(tái)帳信息的統(tǒng)一維護(hù)和管理,與相應(yīng)的繼電保護(hù)、設(shè)備檢修系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)對(duì)接。
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)硬件
系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括通信模塊、處理器模塊、無線模塊、RFID模塊和顯示模塊等。為了保證射頻識(shí)別在電力設(shè)備信息讀取過程中的效率和質(zhì)量,在射頻芯片選取時(shí)應(yīng)當(dāng)注意靈敏度、功率調(diào)節(jié)等方面的性能。表1給出了部分芯片的性能對(duì)比。
表1 射頻芯片對(duì)比表
由表1可知,AS3992能夠支持較多協(xié)議類型,并且靈敏度、功率調(diào)節(jié)范圍均滿足設(shè)備檢測(cè)要求,故選用AS3992射頻芯片實(shí)現(xiàn)本文的模塊功能。
由于RFID標(biāo)簽是一種電子化標(biāo)簽,通過數(shù)據(jù)掃描可以獲得大量的有關(guān)設(shè)備狀態(tài)的信息,因此,映射到云平臺(tái)之后的信息將更加豐富。通過簡(jiǎn)易的方式增加了數(shù)據(jù)的有效性,并且能夠根據(jù)權(quán)限確定相應(yīng)的數(shù)據(jù)瀏覽方式,豐富了臺(tái)帳信息的內(nèi)容。
電子標(biāo)簽?zāi)軌蛟趯?shí)際應(yīng)用中較為豐富地?cái)U(kuò)展相應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容,包括圖紙?jiān)O(shè)計(jì)信息、廠家功能說明和主管部門信息等。由于電子化標(biāo)簽可以同時(shí)為多個(gè)部門使用,因此可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)帳信息的一致性,避免由于傳統(tǒng)手段造成的設(shè)備信息相互交叉重疊、信息缺失等現(xiàn)象。另外,通過手持終端就可以方便地查詢?cè)O(shè)備的數(shù)據(jù)信息,符合了運(yùn)維人員的工作習(xí)慣。
利用無線射頻識(shí)別技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)帳信息的就地讀寫,當(dāng)對(duì)設(shè)備完成相應(yīng)的試驗(yàn)、消缺等工作,就可以就地對(duì)設(shè)備臺(tái)帳信息進(jìn)行更新和修改,保障了臺(tái)帳信息更新的及時(shí)性和可溯源性。
利用無線射頻識(shí)別技術(shù)管理臺(tái)帳信息,還可以與現(xiàn)階段較為成熟的云計(jì)算和云存儲(chǔ)技術(shù)相融合。由于云存儲(chǔ)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和數(shù)據(jù)容錯(cuò)能力,因此,可以增加云存儲(chǔ)環(huán)境的數(shù)據(jù)安全穩(wěn)定性,減少電力用戶安裝設(shè)備后需要不斷查詢數(shù)據(jù)而造成的對(duì)服務(wù)器的沖擊。系統(tǒng)功能示意如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)
本文的設(shè)計(jì)能夠有效減少運(yùn)行人員在設(shè)備臺(tái)帳更新時(shí)的工作量以及錄入信息的時(shí)間;并且能夠盡可能地簡(jiǎn)便信息錄入流程,提升PMS系統(tǒng)終端的利用效率;還能夠在一定程度上排除人工錄入數(shù)據(jù)時(shí)所可能出現(xiàn)的失誤,提高臺(tái)帳錄入的效率,提升臺(tái)帳信息的可靠性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和處理奠定一定基礎(chǔ)。
本文搭建如圖5所示的RFID電力設(shè)備管理模塊,進(jìn)行仿真測(cè)試。
圖5 仿真模塊
其中,液晶顯示模塊用于顯示設(shè)備臺(tái)賬多種信息,RFID射頻芯片用于處理掃描終端對(duì)設(shè)備信息的掃描結(jié)果,通過射頻天線實(shí)現(xiàn)信息上傳。
選擇某220 kV變電站,進(jìn)行臺(tái)賬管理,得到信息如圖6所示。
圖6 RFID設(shè)備信息識(shí)別
從圖6可以看出,RFID能夠?qū)⒅髯儔浩?、母線以及母線開關(guān)等設(shè)備的編號(hào)信息進(jìn)行掃描登記,形成較為完整側(cè)信息索引,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)信息標(biāo)簽管理和編輯。
利用無線射頻技術(shù)、實(shí)時(shí)臺(tái)帳更新可以實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的全壽命周期管理。一般情況下,電力設(shè)備上會(huì)貼有RFID電子標(biāo)簽。該標(biāo)簽會(huì)具有相應(yīng)的設(shè)備參數(shù),包括設(shè)備廠商、規(guī)格型號(hào)、設(shè)備名稱、投運(yùn)時(shí)間、投運(yùn)地點(diǎn)和管理部門等。這類信息在設(shè)備采購(gòu)、使用、運(yùn)營(yíng)、維修和退役等各階段均有效,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的智能化監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備數(shù)據(jù)的完整性。
在設(shè)備招標(biāo)采購(gòu)階段,設(shè)備應(yīng)該在招標(biāo)合同規(guī)定的范圍內(nèi),將重要信息以電子標(biāo)簽的形式粘貼于設(shè)備本身,從源頭上保障全壽命周期的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。電子標(biāo)簽應(yīng)當(dāng)完成對(duì)相應(yīng)設(shè)備的信息寫入,設(shè)備出庫(kù)時(shí),將移庫(kù)單信息下載到相應(yīng)讀寫器終端,利用批量掃描技術(shù),完成對(duì)設(shè)備信息的出廠統(tǒng)計(jì)。
在規(guī)劃和設(shè)備運(yùn)行過程中,設(shè)備進(jìn)行投產(chǎn),應(yīng)當(dāng)確認(rèn)信息之后,將設(shè)備分類存放,通過查詢?cè)O(shè)備的電子標(biāo)簽,可以確定現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物與臺(tái)帳資產(chǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,保障實(shí)時(shí)更新資產(chǎn)信息,進(jìn)一步完善設(shè)備運(yùn)行、投入現(xiàn)狀與臺(tái)帳信息的一致性。通過獲取的信息確定資產(chǎn)狀態(tài)是否完好,同時(shí)建立相應(yīng)的投產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù),防止重復(fù)資產(chǎn),進(jìn)行有效管理。
在設(shè)備的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中,需要運(yùn)行人員根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),對(duì)設(shè)備進(jìn)行掃描識(shí)別,通過條碼標(biāo)簽確定設(shè)備的資產(chǎn)信息和相應(yīng)的具體數(shù)據(jù),利用讀取器確定設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)是否匹配,則可判定設(shè)備資產(chǎn)是否正常。當(dāng)變電站內(nèi)設(shè)備需要更換、轉(zhuǎn)移時(shí),需要對(duì)臺(tái)帳信息的地理位置參數(shù)進(jìn)行修正,由于設(shè)備已經(jīng)形成了唯一的識(shí)別碼進(jìn)行關(guān)聯(lián),因此相應(yīng)設(shè)備的維護(hù)信息關(guān)系保持不變,保障了信息臺(tái)帳關(guān)聯(lián)的一致性。
在設(shè)備的報(bào)廢階段,需要對(duì)設(shè)備的條碼信息進(jìn)行終端掃描,確認(rèn)無誤后,在臺(tái)帳信息中將該設(shè)備進(jìn)行注銷,則完成了設(shè)備的退役。利用該技術(shù)可以較為方便地刪除臺(tái)帳信息中的冗余數(shù)據(jù),減少數(shù)據(jù)庫(kù)在設(shè)備投退過程中,數(shù)據(jù)更新不及時(shí)的狀況。
本文針對(duì)電力設(shè)備全自動(dòng)臺(tái)帳管理給出了具體方案。首先,分析了電力設(shè)備電子臺(tái)帳管理現(xiàn)狀,說明了所存在的問題;然后,對(duì)無線射頻識(shí)別技術(shù)的原理以及與電力設(shè)備臺(tái)帳管理的關(guān)系進(jìn)行了說明,并給出了電子標(biāo)簽信息閱讀步驟;接著,針對(duì)基于無線射頻識(shí)別技術(shù)的電力設(shè)備臺(tái)帳管理系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),給出系統(tǒng)構(gòu)架并說明系統(tǒng)功能;最后,對(duì)電力設(shè)備全壽命周期的管理流程進(jìn)行了分析,說明了無線射頻識(shí)別技術(shù)在整個(gè)過程中的應(yīng)用。通過本文的分析,能夠?yàn)樵O(shè)備臺(tái)帳全自動(dòng)管理提供一定解決思路。