基于电力物联网的电网施工全维度监测

李庆军,尚福瑞,路万朋,陈 喆,穆瑞芳,陈思远

（1.国网青海省电力公司,青海 西宁 810008；2.北京洛斯达科技发展有限公司,北京 100120）

电力物联网是物联网在智能电网中的应用,将有效整合通信基础设施资源和电力系统基础设施资源,提高电力系统信息化水平,改善电力系统现有基础设施利用效率,为电网发、输、变、配、用电等环节提供重要技术支撑[1]。

欧美等发达国家在电力物联网领域起步较早,并制定了一系列发展规划。2006年3月8日,欧盟理事会的能源绿皮书《欧洲可持续的、竞争的和安全的能源策略》明确强调智能电网技术是保证欧盟电网电能质量的一个关键技术和发展方向[2]。2007年12月,美国国会颁布《能源独立与安全法案》,其中的第13号法案名为智能电网,具有里程碑的意义。2009年2月,美国国会颁布《美国恢复和再投资法》,确定投资45亿美元用于发展智能电网。日本政府于2009年4月公布了“日本发展战略与经济增长计划”,其中包括太阳能发电并网、新能源汽车快速充电装置等与智能电网密切相关的内容[3]。

我国在该领域相对来说起步较晚。2011年3月举行的第十一届全国人民代表大会第四次会议上,我国“十二五”规划纲要获得通过,智能电网及物联网均被列为我国下一个五年战略性新兴产业[4]。2012年,温家宝同志在《政府工作报告》中指出,国家将继续大力培育战略性新兴产业,三网融合、云计算、物联网试点示范工作步伐加快[5]。近几年国内的一些机构和学者在电力物联网领域开展了一系列的研究,并取得了一些研究成果。马旭明从通信、量测、设备、控制、支持五个方面对电力物联网的构建进行了详细阐述[6]。刘功俊提出泛在电力物联网基于电力系统为关键核心,应用现代信息技术以及网络通信技术,实现电力系统的人机交互以及万物互联,具备泛在连接以及全息感知的智慧服务系统[7]。陈家璘等从网络拓扑结构和路由层面两个角度出发,制定优化策略,从网络拓扑角度出发,提出了基于节点权重的加边优化策略[8]。葛世伟等研究分析了泛在电力物联网的感知层、网络层、平台层和应用层4层架构,通过无线LoRa调制技术基于泛在电力物联网的网络层实现感知层的要求,将数据接入网络层后上传到平台层[9]。

电力物联网在智慧电网领域研究成果较多,但在电网施工和工程基建全维度监测领域鲜有研究成果。肖振锋等研究了电力物联网下的电网规划技术,从主动配电网中负荷预测与发电预测、选址定容、规划方案多维度阐述了配电网规划技术可能遇见的难点与挑战[10]。舒东跃等针对电网工程施工装备管理和应用展开了探索研究,提出了搭建电网工程建设领域施工装备共享服务平台的方案[11]。陆炳铮基于物联网的特高压大件运输物流监控系统研究[12]。以上文献均从某一个方面进行研究,在基于物联网的电力施工全维度监测方面具有一定的片面性,并且没有达到实用的阶段。

本文深入应用“大、云、物、移、智、链”技术,建设状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活、数据开放共享的青海电网基建全过程“智慧”监控平台,实现工程智慧化管控,打造项目管理“智慧大脑”。“智慧工地”包括“1+3+5”的智慧化监控管理体系,即1个监控平台、3级管理体系、5大功能模块,在全国电力基建领域首个实现了对工程集设计、进度、安全、质量、技术、档案、物资、环水保为一体的全过程多方位智慧化管控平台。结合青海-河南±800千伏特高压直流输电线路工程建设实际情况,验证了本文设计系统的实用性和前瞻性。

1 系统构成

系统集项目设计、进度、安全、质量、技术、物资、档案、环水保等管理内容为一体,实现全过程可视化、远程化、智慧化管理,系统融合度高、建设信息广,为实现“智慧工程”建设奠定了基础,系统总体设计架构图如图1所示。

图1 系统总体设计架构图

1.1 智慧工地“大数据”系统

以项目基建管控系统、三维设计系统、工程档案管理系统等各系统业务数据为基础,构建项目大数据库,全面反映工程基础信息,为智能分析和全域应用提供数据依据和支撑。深入挖掘数据价值,开展工程建设安全动态风险分析、人员投入及高危分析、进度质量分析、物资供应分析等,为基建管理智能化分析决策提供服务与支持。包括：风险智能预警,业务管理与建设过程有效衔接,借助大数据、人工智能进行风险自动识别并预警；内容精准推送,提升用户体验,按照角色和业务进行精准内容推送,方便工程管理人员及时准确掌握工程动态信息；数据统计分析,借助三维可视化、大数据技术,实现多维度数据分析和展现,为各级管理人员提供多维度、可视化的统计和分析结果；决策智慧支撑,基于海量数据,应用大数据技术,开展工程建设过程管理业务智能分析,辅助管理决策。

1.2 智慧工地档案“云平台”管控

通过搭建档案云平台,完成现场项目部工程档案与实体同步移交。跟随工程进度,同步汇集填写准确、手续完整的档案资料,业主、施工、监理均能掌握归档进度及档案的具体内容,在正确性、完整性、及时性等方面,全程加强跟踪监督与指导,能够增进建设管理单位对参建单位的归档工作的掌握程度,及时发现档案资料的不规范、进度滞后、文件不全等问题,确保工程建设档案资料的依法合规及竣工顺利移交。“云平台”技术架构如图2所示。

全过程推行档案“电子化+纸质版”双轨制管理模式,通过预组卷目录、现场实测纸质版填报、APP实时电子版上报等手段,建立了国网基建系统内首个档案云平台,实现了档案全过程管控,档案管理“四性”要求得到保障,彻底解决了工程技术资料数据不真实、工程档案“回忆录”的管理顽疾。一方面,杜绝档案技术数据造假、档案工作“回忆录”的情况；另一方面实时掌握项目建设全过程中文件形成的情况。“双轨制”工程档案管理方式,可最终达成“工程竣工和工程档案移交”同步的目标。

依托“青海-河南±800千伏特高压直流输电工程”,试点在项目管理中推行“电子化+纸质版”的双轨制应用下的档案云平台管理体系,通过预组卷目录建立、过程技术资料同步形成、同步收集归档等功能管控,彻底解决工程技术资料内容不真实、归档不及时、资料不完整、数据不准确等档案管理顽疾。

1.3 智慧工地“物联网”多维应用

强化基建全过程数字化管理中业主、建管、施工、监理、设计等单位的责任落实,基于互联网+全域视频+人工智能,打造出安全质量可视化监管新模式。利用布控球等基建现场监控设备,人员单兵系统、无人机、监测及测量传感设备、以及移动端设备构建智能感知设备层,实现“人、机、物、法、环”的泛在聚合,实现物-物、人-物互联互通。

基于互联网+北斗+无人机遥感,建立了空地一体化环水保监控系统,实现了环水保措施的事前事中事后监管,落实了环保水保“三同时”要求,达到了环水保工作全程化、智慧化监测的目的。利用卷积神经网络（FCN）+地理信息系统（GIS）进行水保土地扰动监测预警,减少人工巡查与判读工作量。智慧工地“物联网”多维应用设计架构如图3所示。

图3 智慧工地“物联网”多维应用设计架构

建立工程环水保数码照片采集体系,通过施工、监理人员用移动设备对施工过程环水保进行照片采集上传,做到过程环保水保全面监督。此外,利用北斗+无人机遥感采集杆塔周边影像,采用机器学习算法实现土地扰动面积监测预警,并与设计阶段影像、过程照片进行对比分析,监督环保水保专项设计落实情况,实现过程环水保空中、地面可视化监测,形成空地一体化环水保监管体系,真正做到了环水保事中事后监管。

1.4 智慧工地“移动管控”系统

利用APP、球机、单兵等多种移动智能感知设备,实时传达工程建设全过程管控信息（项目进度、安全、质量、技术、造价等视频、影像、状态信息）。通过工程移动管控系统,为管理侧提供信息汇总、预警分析等技术支撑,确保现场管理与监控平台一致,实现实时监控要求。以高精度地理信息、多源电网通道信息为基础,基于互联网+三维设计,构建省级典型模型库,形成协同工作体系,提高设计质量和效率；加强设计过程进度、质量可视化管控,促进工作精益化管理水平提升；打通数据应用链条,形成数据积累至更新复用的良性循环。借助北斗卫星定位实现物资运输位置监控,基于互联网+自动融合基建管控系统和建设过程APP中的业务数据,构建数据仓库,结合人工智能分析技术,深度挖掘关键节点信息,辅助工程进度和物资风险智能预警。

严控每日作业风险,完成风险日预控的填报、逐级审批、到岗签到,实现每日风险作业的计划性以及各层级人员共同参与履职,让各级人员对现场管理情况做到“心中有数”；利用人脸识别技术核实作业人员身份,规范电子作业票编制、审核及签发,自动生成电子签名,强化落实现场风险控制措施；健全安全质量检查分类体系,在移动端植入电子检查表单,发现问题实时发布、整改、复查闭环管理,通过形成的安全检查通知单和问题整改回复单,督促相关人员逐级整改闭环,完成对关键环节安全质量的有效管控；实现对现场作业、施工质量、人员配备等情况的实时远程巡查；利用手机、4G球机、移动单兵、无人机等开展全域移动智能视频监控,构建现场感知信息网,全方位、立体化获取现场影像,结合人工智能实现违章自动识别,有效加强管理人员对现场情况的及时掌控。

2 应用情况

本平台已在新时代样板工程青海-河南±800千伏特高压直流输电线路工程建设并应用,后期将逐步打造成全省35千伏以上电压等级的监控平台,为基建全过程数字化应用提供了新的思路和解决方案。产品应用“大云物移智”技术,打造国内第一个基于泛在电力物联网全过程基建管理“智慧工地”,支撑世界一流能源互联网企业建设。

3 结束语

存在的问题：施工现场海拔高,气候多变,对于施工过程有较大的影响。在这样的特殊环境下施工,施工工艺复杂,施工过程中的危险性加大。在高原环境下施工,对于施工人员身体素质要求高。普通人员高反严重,不能完成安排的工作任务。设备的可靠性大大降低,设备的维修和更换的运维工作开展困难,同时由于路程的原因也很难及时提供支持。高原地区网络信号差,不稳定,设备要求网络信号带宽较高,有时不能满足设备的正常需求。偏远地区的运营商支持力较弱,不能提供良好的网络服务和及时的运维服务。同时在某些地州的网络信号质量较差,会导致系统运行的不稳定,系统的应用也会受到较大的影响。

展望：在现有基础上,针对工程实际应用,深挖项目管控潜力,完善监控体系,逐步实现对内融合、对外共享、上下衔接、数据共享、分析研判、智慧管控管理功能。为工程精准动态分析、智能综合预测、全面准确监测奠定基础,真正打造基建管理体系全业务链的智慧化“一张网”,全面优化基建管理生态圈。