洪慧君
(广东电网有限责任公司 广州供电局，广东 广州 510000)
电网设备的运行和维护(O&M)对于保证电网的稳定和可靠性至关重要。随着电网规模的扩大和对客户服务的更高要求，O&M电网的任务逐渐变得更加艰巨。受O&M容量的限制，传统O&M电网模式已经无法满足日益复杂的需求。在传统模式下，不同部门数据之间相互兼容较差，技术人员因为没有办法有效地分析和诊断电网状态，无法实时管理电网[1]。基于“大数据、云计算、物联网和移动互联网”的综合O&M解决方案，可通过采用物联网和移动互联网技术实现互操作性和交互性，也可利用大数据和云计算技术进行开发应用。当前，智能电网的管理需要现代信息通信技术和智能技术与电网O&M的融合，实现实时信息采集、离散数据采集传输、海量维修数据挖掘等，最终实现巡检资源的优化配置和高效运行。因此，提出了一种基于大数据、云计算、物联网和移动互联网的综合电网设备O&M解决方案，该解决方案通过使用设备和模块之间的关系，将智能技术和O&M相结合，弥补了传统O&M模式的弊端，为O&M提供了技术支撑手段。
1.1 解决方案目标
大数据、云计算、物联网和移动互联网技术正在推动智能电网发展与建设，国家电网公司正在倡导创新和“互联网+应用”联合应援，开发新的O&M技术变得极其关键，也是智能电网发展的方向之一[2]。综合O&M解决方案旨在解决传统模式的问题，为O&M提供信息支持。它以标准的流程和方式获取信息，改变了人工记录数据的方式，避免非标准数据和错误，以提高O&M工作的效率和质量，保证系统运行的安全性和可靠性。
1.2 技术解决方案
基于大数据、云计算、物联网和移动互联网的一体化O&M解决方案由现场工作平台、移动工作平台和中心支撑系统组成。其中，现场工作平台是基于智能传感和移动互联网技术的野外工作平台；
通过射频识别、无线传输等物联网技术，实现对电力设备和设备管理的全面感知。该平台实现了互联互通，中心支撑系统提供数据分析功能，并以标准的方式管理现场工作。O&M解决方案的体系结构如图1所示[3]。
图1 智能O&M控制系统总体架构Fig.1 Overall architecture of intelligent O&M control system
(1)现场工作平台。该平台通过RFID等智能传感技术对现场设备的信息进行动态管理。每个设备上都有一个二维码或电子标签，用于连接移动工作平台。现场工作平台可以查询设备信息、历史记录、数据访问服务地址等，并进行实时检测、离线测试数据输入等工作。
(2)移动工作平台。各种数据通过智能移动终端单元和标准数据转换接口进行格式标准化，而工作流可以用标准化统一的格式表达，实现一键式上传。因此，手动数据输入将大大减少。智能移动终端单元也是现场工作侧和中心支撑系统侧之间的连接平台，作为现场评估的平台和中转代理站，可以访问中心支撑系统基于云的资源，并能指导现场工作。智能移动终端设备内置的多维数据和状态分析模型，能提供与现场工作相关的数据分析能力，支持非网络工作模式。十多种带电检测设备和大部分停电检测设备的通信协议都内置在终端设备中，可以访问80%的仪器。该终端符合国家电网信息安全体系，可靠性和便携性高[4]。
(3)中心支撑系统。中心支撑系统采用分布式架构，可与PMS、智能O&M控制系统等控制系统无缝集成。该分析算法可以通过大数据技术的微观应用来进行定制。通过历史数据可以进行实时数据验证和纠错，通过多维数据分析可以对设备状态进行实时评估[5]。
现场工作流程如下，O&M人员携带智能移动终端设备到达现场。终端开机后，自动生成无线自组网络，并初始化终端。终端从中心支撑系统下载相关数据和工作流程。在O&M工作过程中，用户需要严格遵循移动终端上呈现的步骤。现场工作数据可以通过智能终端与中心端数据交换，使现场工作人员可以使用控制中心的数据资源，中心端可以控制现场工作。智能分析模块逻辑架构如图2所示。
2.1 智能终端设备
智能终端单元连接在现场侧和控制系统侧之间，它可以自动生成无线组网。现场仪表和移动控制终端(如PAD、手机)可与其连接，再通过专网或GPRS连接到中心侧[6]。
智能终端从功能上可以分为应用层和核心层。核心层与应用程序连接层通过无线传输模块如WiFi、3G/4G和蓝牙来进行，如图3所示。
图2 智能分析模块逻辑架构Fig.2 Logic architecture of intelligent analysis module
图3 智能运维功能层架构Fig.3 Logic architecture of intelligent analysis module
应用层通过嵌入式数据库和智能分析算法库建立数据分析应用，通过规范化的数据接口实现工作流的标准化，进行设备检测管理和数据管理。应用层的标准化工作流程是通过配置音视频和USB、SD卡等外部设备接口来实现的。
现场数据和工作流程的标准化可以解释为：①支持主流测试设备的通信协议，提供数据转换接口，确保来自相同测试项目的数据的统一和标准化;②在知识库中提供现场O&M指南和现场工作手册。现场工作可以分为几个步骤同时进行，O&M的工作人员按照这些步骤在终端上交互式地填写数据空白，这是为了保证O&M工作的规范化;③提供视频和音频接口，以视频或音频方式记录现场工作的关键步骤。
控制系统定期更新智能终端单元的数据和算法模型，以支持数据分析功能，可以为特殊变电站和O&M要求提供定制服务，可以从中心端远程调用历史数据和类似故障情况，也可以调用高级分析的中央处理器。移动终端支持视频组件访问，在特殊情况下，来自中心端的专家可以远程提供指导。
2.2 信息安全保护
信息安全有4层保护[7]。
(1)安全终端层。内置终端加密芯片，由PKI服务系统签发，用于数字证书的签发。
(2)安全通道层。提供终端与接入平台之间的安全网络接入，包括有线专线、无线APN线等。
(3)接入系统层。接入系统层是系统的核心组成部分，由安全接入网关系统、身份认证系统、安全数据过滤系统和中央监控管理系统组成。
(4)业务服务层。主要包括应用系统的后台服务系统、前端服务器等。操作系统保护、密码保护、访问认证保护等都被集成在一起。
2.3 中央支持系统
中心支撑系统包括任务提示模块、数据分析模块和案例查询模块。任务提示模块负责记录和提示设备历史信息。数据分析模块存储电力公司的大量设备数据，并具有专用的设备数据库。对于数据库中已有的设备，数据分析模块可以利用运行状态数据对设备进行诊断，对于数据库中新加入的设备，可以参考电压等级相同、类型相似的设备进行诊断。该模块还可以对各种故障的发生次数进行统计分析，为推断故障原因提供依据。中心支撑系统包含全面的故障案例库，包括设备主要技术参数、故障名称、故障位置、故障表现、故障等级、可能衍生故障、异常状态值、诊断测试、处理措施等。该库涵盖了所有类型的故障，并收集了300多个典型的变压器故障案例。故障案例库可以手动或自动扩展，中心侧的故障诊断可靠性会随着库中故障案例的积累而逐渐提高。
3.1 标准化现场工作
使用智能O&M移动终端可以使现场工作标准化，现场工作人员将严格遵循终端上的提示和步骤。此外，通过对现场工作关键步骤的视频记录，可以保证和客观评价现场作业的质量。随着国家电网指导方针和现场操作要求的引入，标准化操作流程已经建立[8]，并向现场操作人员提供交互式提示。这些措施有效减少了现场人员经验不足带来的问题，提高了O&M质量。
3.2 标准化数据
O&M解决方案标准化了主流现场设备的数据。提供统一的模型数据转换接口，确保同一测试项目的输出数据统一规范，提高了现场作业数据的准确性，为数据的高效利用和高级应用的实现奠定了基础，同时它有助于提高公用事业的资产管理能力[9]，如图4所示。
图4 数据分析及处理模块架构Fig.4 Data analysis and processing module architecture
3.3 中央配套系统
现场工作数据传输到智能O&M终端，用于记录、分析和实时评估设备状态。当O&M人员遇到困难时，将启动中央支持服务。这些服务包括数据呼叫、高级分析、远程专家支持等。中央侧支持服务有效、便捷，有助于检测潜在缺陷和状态恶化信息，提升高级应用的实用性[10]。
3.4 定制的应用服务
可以根据客户的实际需求和客户电网的特点，提供具有相同架构和定制服务的客户定制解决方案。定制服务包括阈值设置、焦点、算法定制、报告输出等。定制服务符合公司差异化的模式和应用，可以被用户使用和扩展。电力公司的O&M可以得到定制服务的有效支持。
3.5 一键数据上传功能
一键数据上传功能有效简化了数据录入和作业申请流程(工作票申请、数据记录和PMS的数据录入等)。它还避免了工作流程缺失和记录错误的可能错误，提高了工作效率和体验。通过一键数据上传功能，O&M人员将有更多的时间和精力专用于现场数据的智能存储，有助于知识的传播和共享。
综合O&M解决方案已在公司多个省市的电力企业中成功应用。通过整合电力公司的O&M数据，构建了一个数据分析中心，提供各种定制服务。气象环境数据在复杂天气下的设备诊断过程中被整合，优化了状态监测算法。移动O&M平台适用于实时检测，对红外、局部放电等带电检测进行检修分析。基于“可靠性”理论，完成了先进的应用模型在设备O&M管理中的应用。提供周、月变电站设备考核功能，满足多个省市需求。
为验证基于物联网的电力通信网络智能运维系统的有效性，在国内某局部电网进行了电力通信网智能运维的应用，并与传统运维技术在数据采集和数据存储方面的性能进行了对比分析。其中，传统的电力通信网运维系统存在运维方式繁琐、信息量遗漏、设备核实难度大等弊端，通信数据的采集、存储和处理效率较低。电力通信网络智能运维系统的通信数据检测结果如图5所示。
图5 数据检测结果对比分析Fig.5 Comparison and analysis of data detection results
该系统在多个省市推出，对主变压器(电抗器)进行了5 000多次检修和分析，生成了数千份诊断报告，完成了300多例诊断[11]。大数据分析中心多次检测主变压器和电抗器多台设备的缺陷，并给出合理的故障排除方案，这有助于避免重大损失，保障电力行业安全生产。
从仿真结果可以看出，智能系统通过物联网技术采集通信数据，维护通信网络运行的效率和准确性，传输和分析处理远高于传统的运维技术，使能源通信网的运维准确率提高25%。因此，在采用基于能源物联网的能源通信网络运营和智能维护系统后，能源通信网络系统可以使用物联网、云平台等技术进行统一管理，通过专门控制的移动终端技术，可以对能源通信网络系统进行可视化管理，以建立一个可视化的管理系统。可见，能源通信网在线运维智能系统有效提高了电网专业管理人员和能源通信网专业维护人员的工作效率[12]。智能运维系统通过实时信息共享、交互和在线网络化技术，有效提高了能源通信网络运维的智能化水平，实现了高效、可靠、安全的能源网络运维。
基于大数据、云计算、物联网和移动互联网的一体化电网设备O&M解决方案，提升了现场工作人员的O&M能力，有效保障电网稳定可靠运行。首先介绍了电力物联网的基本特征和功能架构，在此基础上详细分析了电力通信网总体架构和智能运维总体架构，重点阐述了数据配置处理模块、故障智能分析模块和预警集中监视模块等智能运维核心功能模块。所设计的智能运维系统采用物联网技术对电力通信数据进行采集、处理和管控，能够实现电力通信网络运维和物联网数据管控平台的互联，从而实现电力通信网络的智能化运维目标，为机房智能巡检、巡视机器人等形态的人工智能技术手段应用于机房的智能化运维提供方向性的指引。最后，将设计的电力通信网络智能运维系统在实际电网中进行了应用，结果表明，所设计的电力通信网络智能运维系统，有效提升了电力通信网络的信息应用管控水平、运维工作效率和安全可靠性。该解决方案在电网系统中的应用具有积极意义。
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