面向电力抽水蓄能行业的智慧物联体系技术研究

阎 峻，黄建德，蒋池剑，朱 佳，李雪强

（1.国网新源控股有限公司，北京 100032；2.华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江 台州 317200）

近年来，物联网相关技术引起了全球广泛关注，成为目前世界科技发展的战略制高点。国内“十四五”规划和2035年远景目标纲要进一步加强了对数字化发展、工业互联网和数字化转型等的表述，规划内容也更明确集中。

当前，抽水蓄能行业相关公司已建设生产管理系统、生产实时系统、大坝安全监测信息管理系统等，现有系统基本满足抽水蓄能公司基建和生产运行阶段的业务需求，但各系统各自独立部署，系统间缺少信息交互和应用融合；同时还存在系统数据格式不统一、数据重复录入等问题，导致数据贯通、数据共享、状态评价、业务协同及分析决策较为困难，不能满足抽水蓄能公司业务集约化管理与电力物联网建设支撑的需求。

整体而言，抽水蓄能行业当前的物联网业务建设缺乏顶层规划，存在试点系统越来越多、系统孤岛不断增长的现象，存在重复投入研究、重复建设的情况。因此，有必要从抽水蓄能行业层面对各抽水蓄能电站的物联网业务需求进行梳理分析，对物联网应用场景进行统一规划，以便更好地指导基建期、运行期各抽水蓄能电站的物联网业务系统建设，统筹各抽水蓄能电站的试点建设工作，以减少重复投资，降低后期运维难度，提升项目建设效益，为基建期和运行期基层员工减负。

1 抽水蓄能物联网体系架构设计

1.1 总体架构分析

国家电网公司在各专业现有采集感知基础设施的基础上，满足公司战略目标落地和各专业业务发展需要，按照“精准感知、边缘智能、统一物联、开放共享”的设计思路，借鉴互联网建设模式，提出智慧物联体系“云管边端”总体架构[1]。

按照国网公司智慧物联体系总体架构，物联管理平台实现对各型边缘物联代理、采集终端等统一接入和数据采集，向企业中台、业务系统等提供标准化数据，且不长期存储业务数据。即所有终端设备需通过物联管理平台进行接入，各业务系统需通过物联管理平台实现数据采集和使用。目前电站中大量业务系统多已投入使用多年，从采集终端到业务应用一体化部署，若采用总部互联网部的智慧物联体系建设方案，会存在2方面主要问题。

1）现有运行的业务系统部分功能会被物联管理平台替代，各业务应用需基于物联管理平台进行开发，会导致各业务系统建设商建设的积极性降低。

除夕这一天，达斡尔民族还有摆灵位 （Aor-Jugebe）的习俗。当年若哪家长辈逝世了，从当年算起连续三个春节从农历三十至正月初三，要摆放已故长辈的灵位。灵位摆放在南炕的炕头，这个位置是长辈住的位置，在这个位置上要把干干净净的被褥枕头铺好，一旁摆着的小桌子上要放置烟袋、酒、糕点和水果等物品。从农历三十晚上到正月初三，本村和远方亲朋来家中拜年，首先要给灵位嗑头、敬酒、献烟。

2）物联管理平台需承担现有多个专业系统的软件功能，包括设备配置、参数设置、通信设置等，各业务系统已稳定运行多年，物联管理平台重新开发相关功能需投入大量人力，并需经过稳定运行检验，投资和时间成本较大。

基于以上原因，设计并开发面向抽水蓄能物联网平台定位于电站级统一数据中心，通过兼容现有业务系统建设和运行模式，实现数据统一汇聚，为数据共享共用奠定基础，可采用物联网平台直接接入采集数据、物联网平台集成业务系统数据2种方式，以达到不改变现有业务系统运行方式，逐步实现物联接入的目的。在不改造已有业务系统的情况下，物联网平台采用通过数据交换接口的方式或直接读取数据库的方式[2-5]，实现已有业务系统的数据汇聚。基于物联管理平台和一体化管控平台构建电站统一设备运行管理数据汇聚中心，实现设备状态信息集中存储管理，以及构建跨业务系统的智能业务应用。针对配置加密芯片的无线采集节点（汇聚节点），通过安全接入网关，实现数据接入业务系统。

针对新建及改造业务系统，引入边缘物联代理和安全接入网关，进行终端设备接入，以满足国网公司电力物联网相关安全接入要求，具体接入情况如下。

1）采集节点通过无线局域网方式通信，需通过边缘物联代理和安全接入网关，接入业务系统或物联管理平台。

2）集节点通过4G方式通信，需配置专用的接入点（APN）SIM卡，且需在电站侧租用运营商的电力专用APN通道，通过APN网络接入边缘物联代理，并通过安全接入网关接入业务系统或物联管理平台。

3）对于全程有线方式，可直接接入业务系统或物联管理平台。

1.2 抽水蓄能物联网架构设计

抽水蓄能行业智慧物联体系基本架构[6]包括4个逻辑层：感知层、网络层、平台层、应用层，如图1所示。

图1 总体框架

1.2.1 感知层

针对以上问题，需开展感知终端、智能业务终端、边缘物联代理等的部署应用，能够实现在多种场合满足基建、运行、经营管理等环节信息获取的实时性、准确性、全面性等要求，为各项电站生产运营的规范化管理能力提供有效支撑。

抽蓄电站业务终端包括测控类智能业务终端、监测类智能业务终端，以及无人机、机器人、智能摄像头等。

1）测控类智能业务终端。主要包括抽蓄电厂监控装置、自动发电控制/自动电压控制装置（AGC/AVC装置）、调速装置、励磁装置、测速装置、振摆保护装置等，完成对抽蓄电厂机组、开关站、公用和闸门等监控对象的运行工况信息的测量与控制，将相应的工况信息发送给计算机监控系统，并接受监控系统的控制调节指令，控制相应的执行元件调节水轮机组的运行情况，保证电站按照调控安全稳定运行。

2）监测类智能业务终端。包括智能数据采集装置、一体化无线传感采集终端及低功耗无线采集终端。按专业又可分为发电设备监测终端、水情测报终端、大坝安全监测终端等，主要用于对抽蓄电站机组设备状态、水情、雨情、气象及大坝安全监测类传感器的自动化采集，将数据通过有线或无线的方式发送给相应的机组在线监测、水情测报、大坝安全监测等软件业务系统。

3）无人机。随着无人机技术的成熟及成本的降低，无人机已越来越多地在电力行业应用到电力巡线、线路架设、异物除障、线路规划和三维建模等各领域。

在基建期、运行期的电站，都存在室外环境复杂等问题，通过无人机开展室外环境的巡查工作，具有机动灵活、自主飞行、环境适应能力强等优势。通过无人机的应用，可不受恶劣天气影响，随时巡航，有利于增加重点区域的巡检次数。适合在复杂环境执行任务，通过机载高清拍摄设备，可定期对电站各室外环境进行重点排查。同时，通过配置定制的挂载装置，拓展无人机的使用场景。降低巡检工作人员的巡检工作强度，提高巡检效率，提升工作体验。

4）智能巡检机器人。抽水蓄能电站全厂设备分布在上下库、地下厂房、开关站等位置，分布区域广，设备形式多样，电气环境、地理环境差别较大，平常主要通过运行人员进行日常及精细巡检，巡检任务重，人力成本高，易存在巡视盲点，利用智能巡检机器人极强的复杂环境适应能力、人工智能算法，可以大幅降低巡检的人力成本，提高对设备健康状态的持续、科学的大数据分析，提升设备状态评估及预测的精度。

1.2.2 网络层

网络层是物联网架构的中间环节，是架设在感知层与平台层之间的桥梁，主要负责信息接入、传输与承载。

在抽蓄电站物联网业务中，部署在现场的各类业务终端应因地制宜，选择合适的（有线/无线）本地通信方式连接到边缘物联代理。边缘物联代理可经有线、无线专网或经无线公网等远程通信网络，最终接入平台层的物联管理平台。

因各电站建成时期不同，导致各电站在建设时的网络规划情况各不相同。且电站建成后，由于厂区洞室环境的复杂性，很难进行有线网络（工业以太网）的新增铺设。随着机器人、移动终端、无线传感等技术应用需求的激增，网络通信成为了制约新型技术应用和发展的瓶颈。

本地通信网络在原有工业以太网、RS-485等有线接入网络的基础上，重点开展LoRa、ZigBee等无线通信技术的应用，满足各类无线传感器的接入需求。

远程通信网络在原有光纤传输网的基础上，重点开展4G/5G公网、NB-IoT、电力无线专网等无线通信技术的应用，满足边缘物联代理、机器人、无人机等终端的接入需求。

1.2.3 平台层

通过将物联管理平台（具备模型管理、连接管理、设备管理、消息处理、能力开放、应用管理）与一体化管控平台融合，形成物联数据中心，使其具备标准的物联接入和业务系统数据接入2种能力，以支撑已有业务系统数据接入和新建（改造）业务场景数据接入，建成电站级数据中心满足数据统一采集、共享共用的建设目标。

根据国网公司智慧物联体系的要求，物联管理平台实现对各型边缘物联代理、采集终端等设备的统一在线管理和远程运维，应具备6大功能：模型管理、连接管理、设备管理、消息处理、能力开发和应用管理。

其中物联管理平台的“应用管理”，包括应用包及配置文件上传、应用上架发布、应用状态查询及管理、应用升级、容器和APP下发安装、应用业务配置等。具体而言，即对边缘物理代理中APP的在线更新和远程运维。

此外，物联数据中心还具备数据清洗转换、数据存储、数据分析计算、数据共享分发和数据可视化、门户网站和业务应用管理等功能，实现数据从采集到应用的全流程管控，即具备数据中心的全部功能。

1.2.4 应用架构

构建数据中心、数据处理、数据模型、能力开放和人机交互等在内的基础支撑能力。基于基础支撑能力，围绕建设需求，开展基建工程应用、运维检修应用、水工管理应用、综合安全管理应用和安全业务应用等。

2 结束语

本文提出了电力抽水蓄能行业智慧物联体系架构，通过总体架构分析与设计，构建出数据统一采集、数据全面共享、设备统一控制的电力抽水蓄能物联网物联体系，满足了多样化的电力物联网业务需求，实现“数据贯通、数据共享、业务协同”的目标。

针对当前抽蓄电站的业务现状及未来业务发展的需求，物联网技术的应用，应以数据接入和共享为出发点，以提高企业经营效率、发挥数据价值为目标，应分以下2个阶段开展抽蓄电站物联网各项应用的建设和发展。

第一阶段通过选取需求比较迫切的建设场景，开展物联网业务建设试点，积累建设经验，再逐步向各业务需求拓展，避免大面积展开造成投资浪费。

第二阶段拟以建设电站数据中心为目标，通过增量终端的建设，逐步实现新增终端通过边缘物联代理和物联管理平台，通过业务系统接入，实现数据标准化接入汇聚。从而实现电站主要业务系统（主机及输变电设备状态监测、大坝安全监测、工器具、人员定位等）的数据汇聚和规范管理，并基于数据平台开展智能业务应用的开发。

目前物联网技术和应用建设，在抽水蓄能公司仍处于初期阶段，具有较大的提升和应用空间，通过不断加强终端接入、数据共享、应用创新，物联网技术将极大提升电站数字化、智能化水平，提升抽水蓄能电站建设运行管理水平。