设备管理_物联网、大数据技术在输变电设备运维检修中的应用

物联网 大数据技术在输变电设备运维检修中的应用 王有元输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 目录 一 电网设备的运检智能化 二 物联网的应用 三 大数据的应用 四 全寿命周期管理技术 运检智能化的背景 电网设备运检智能化是指 电网能实时掌控关键设备的运行状态 在尽量少的人工干预下 及时发现 快速诊断和消除故障隐患 快速隔离故障 实现自我恢复 使电网具有自适应和自愈能力 提高设备的可靠性和利用率 参考文献 李雪 我国输变电设备智能化发展对策研究 J 电力工程 2013 18 运检智能化的含义 利用电子或光纤传感器 微处理器和数字通讯技术 对设备运行状态 设备健康水平进行状态观测 实现状态可视化 采用标准协议 借助快速通讯网络 将状态信息上传至各控制层 在一定的智能控制层 按照最优控制理论和算法 形成控制信息和决策 再回馈到智能设备 完成设备动作 实时进行监控 决策和动作行为 实现电网互动化 实现优化控制和坚强自愈 参考文献 常康 薛峰 杨卫东 中国智能电网基本特征及其技术进展评述 J 电力系统自动化 2009 33 17 李乃湖 倪以信 孙舒捷 等 智能电网及其关键技术综述 J 南方电网技术 2010 4 3 运检智能化的内容 目前 国内外关于电网设备运检智能化的研究工作仍处于起步阶段 缺乏对于电网运检智能化的系统性研究 相关核心技术仍不够成熟完善 如缺乏基于多源信息融合分析的智能状态评估模型 先进的智能决策模型 成熟的物联网技术和云计算技术等 开展电网设备运检智能化的研究工作具有迫切性和必要性 需要加强研究力度 不断完善电网设备运检智能化的相关技术 最终运用于智能电网 国内外现状 提高电网设备运检智能化发展水平 涉及到规划 设计 建设 运行 调度和生产管理等环节 并综合以下四方面重要技术 参考文献 余贻鑫 栾文鹏 智能电网的基本理念 J 天津大学学报 2011 44 5 378 384 物联网 大数据技术及其应用 基于多源信息融合分析的智能状态评估与诊断技术 运行风险控制和安全预警的智能决策技术 设备信息的感知和一体化融合技术 运检智能化的实施方法 目录 一 电网设备的运检智能化 二 物联网的应用 三 大数据的应用 四 全寿命周期管理技术 物联网 IBM公司提出 智慧的地球 这一概念 建议新政府投资新一代的智慧型基础设施 诸如智能铁路 智能高速公路 智能电网等基础设施 即将感应器嵌入到电网 铁路 公路 建筑等各种物体中 并且通过现有网络链接 形成物联网 美国奥巴马就任美国总统后 对IBM提出的 智慧地球 概念给予了积极回应并上升至国家战略 智慧的地球 物联网 互联网 物联网 物联网被称为21世纪最具影响的技术之一 是改变世界的十大新兴技术之首 美国 技术评论 物联网概念的问世 打破了之前的传统思维 过去的思路 物理基础设施和IT基础设施彼此分离 一方面是机场 公路 建筑物 电网 而另一方面是数据中心 个人电脑 宽带网络等 物联网时代 物理基础设施和IT基础设施相互融合 钢筋混凝土 电缆将与芯片 宽带整合为统一的基础设施 智能电网和物联网都是国家的战略新兴产业 智能电网是物联网重要的应用领域 2010年 国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定 将物联网和智能电网都列在其中 2010年国务院政府工作报告 中指出 积极推进新能源汽车 加快物联网的研发应用 大力开发低碳技术 加强智能电网建设 智能电网发展对电力物联网的需求 智能电网发展对电力物联网的需求 智能电网的实现 依赖于电网各个环节重要运行参数的在线监测和实时信息掌控 物联网作为推动智能电网发展的信息感知和 物物互联 重要技术手段 已经在电力设备状态监测 智能巡检 用电信息采集 智能用电等方面得到一定范围的应用 从2009年开始 国家电网公司先后启动了电力用户用电信息采集 智能变电站 状态监测与检修 智能调度 配网自动化 智能用电等试点工作 有力地推动了智能电网的建设 也促进了物联网在智能电网中的应用 3个要素 2个特征 泛在化 智能化 全面感知 可靠传递 智能处理 物联网 通过各种电信网络与互联网的融合 将物体的信息实时准确地传递出去 利用各种智能计算技术 对海量的数据和信息进行分析和处理 对物体实施智能化的控制 协同处理 决策支持 算法库 专家库 传感器网络部署泛在化通信网络覆盖泛在化 利用RFID 传感器等随时随地获取物体信息 关键技术 一 物联网技术 物联网的要素与特征 物联网的概念 InternetofThings 技术层面 物联网是指物体通过智能感应装置 经过传输网络 到达指定的信息处理中心 最终实现物与物 人与物之间的自动化信息交互与处理的智能网络 应用层面 物联网是指把世界上所有的物体都联接到一个网络中 形成 物联网 然后 物联网 又与现有的互联网结合 实现人类社会与物理系统的整合 达到更加精细和动态的方式管理生产和生活 物联网的要素与特征 物联网的三要素全面感知 利用RFID 传感器 二维码等随时随地获取物体信息 可靠传递 通过各种电信网络与互联网的融合 将物体的信息实时准确地传递出去 智能处理 利用各种智能计算技术 对海量的数据和信息进行分析和处理 对物体实施智能化的控制 物联网的两个特征泛在化 传感器网络部署泛在化 通信网络覆盖泛在化 智能化 协同处理 决策支持 算法库 专家库 电力物联网 以通信技术 计算机技术 电力电子技术和传感技术为基础的电力物联网技术为建设智能电网提供了必要的技术手段 电力物联网的主要内容 1 电网广域信息的测量电力物联网将承担电网广域信息测量的重要任务 构成了电力系统监视控制和数据采集 SCADA 系统的基础 为 五遥 遥测 遥信 遥控 遥视 遥调 的实现提供了重要保障 提高了电力系统的监测 控制与灵活调度能力 35kV及以上电网的电压 电流矢量测量光纤网络 10kV配网及农网的电压 电流信息的无线传感网络 电力物联网的主要内容 2 多元发电系统信息监测与优化控制针对常规机组 可以通过安装在机组内的传感器 实时监测机组运行时的技术指标和相关参量 结合电网运行的情况 实现快速调节和深度调峰 提高机组灵活运行和稳定控制水平 对于新能源发电系统 可以通过气象数据采集装置 实现新能源发电功率预测和优化控制 通过对常规和新能源电源信息的实时监测 实现多元发电系统之间的优化控制 达到安全 高效利用新能源电力的目标 电力物联网的主要内容 3 输变电设备安全监测与智能评估输变电设备物联网是智能电网的重要组成部分 它不仅具有通用物联网的感知 识别 定位 跟踪和管理能力 而且具备对输变电设备的在线监测 故障诊断 状态评估 维修决策等功能 输变电设备物联网是智能电网由系统智能化向设备智能化的延伸 将实现输变电设备的信息体系 监测体系 评估体系和管理体系的统一与规范 电力物联网的主要内容 4 电力资产全寿命周期管理应用电力设备的RFID技术 实现对电力资产的全寿命周期管理 在电力设备上设置RFID电子标签 可以实现对电力资产信息的身份识别和集约化管理 为监管电力设备的维护情况 寿命参数变化和实现电力资产调配的智能化 管理的高效化提供重要的技术保证 利用无线传感技术 提高设备信息交互和人员安全 维护和试验人员通过PDA 可准确获得设备上传感器节点收集的技术参数和相关信息 并可通过无线通信网络与远方的作业人员和调度指挥人员实现互动 一方面减少了操作风险 另一方面也提高了工作效率 生产管理人员通过GPS和视频传输系统实时了解作业人员的具体位置和作业过程 有利于强化工作监督 规范标准化作业和进行远程技术指导 电力物联网的主要内容 5 智能用电系统与优化管理基于物联网的智能用电管理系统 智能电表 通过WSN准确获取电量信息 结合光纤 电力载波等现代通信技术把信息传输给计量中心 同时实现与用户的用电信息交互 根据用电信息交互系统 实现需求侧管理 采用最经济与最安全的输配电方式将电能输送给终端用户 输变电设备物联网是电力物联网的重要内容之一 是智能电网技术发展的有力支撑 输变电设备物联网 输变电设备物联网是规范统一输变电设备运行管理相关技术强有力的手段 电网设备状态 运行和故障等信息的网络化共享是实现电力网中各设备之间的信息交互 远程控制 远程诊断等的必然要求物联网利用智能传感器 RFID技术 无线传感网络 GPS等技术实现物体之间的信息交互 作为 智能信息感知末梢 将推动电网设备运检智能化的发展 包括 感知层 整合层 通信层 传感器共享 应用层 数据传输 信息融合 安全互访 实现电网设备各种监测状态信息的共享互通 提高设备状态评估和智能诊断水平 为周期成本最优提供辅助决策 输变电设备物联网 输变电设备物联网的关键技术 输变电设备物联网体系架构及全景信息模型 输变电设备物联网的关键技术 建立电网设备物联网体系架构及全景信息模型需要解决的问题 电网设备物联网缺乏统一的体系架构 已有物联网架构缺乏针对性 基于IEC61968及IEC61970的电网设备公共信息模型无法满足全景信息建模的需要 现有的电网设备编码标识方案过于简单 编码规则不够完善 电网设备全景信息建模及其扩展方法 多种信息模型分类 信息来源研究 建模原则及扩展方法 建模流程 电网设备体系架构与全景信息模型 完整的电网设备全景信息模型 通用电网设备标识体系和编码方案 分层分布式体系架构 基于CIM的电网设备全景信息建模 输变电设备物联网体系架构 输变电设备物联网的关键技术 电网设备物联网体系架构综合考虑电网运行环境及信息传输特点 以应用为导向 遵循时空性 互联性 扩展性和安全性原则 网络层包含通信层和信息整合层 以满足电网设备物联网海量 异构 多维数据通信和处理的需要 输变电设备物联网体系架构及全景信息模型输变电设备全景信息模型输变电设备物联网全景信息模型包括台帐 工况 状态 地理及环境等信息 适应不同类型的设备 复杂的工况 多种运行状态 各种地理条件 多变的环境的标准数据模型 输变电设备物联网的关键技术 输变电设备物联网体系架构及全景信息模型 输变电设备物联网的关键技术 电网设备EPC编码是电网设备的唯一标识 可有效链接EPC标签与电网设备全景信息集成平台数据库中的动态数据 码段分配表 220kV断路器编码举例 基于EPC 96编码规则 可覆电力系统绝大多数电网设备 输变电设备物联网的通信模型与接口体系架构 输变电设备物联网的关键技术 电网设备物联网异构结构无缝连接与可靠传递 电网设备物联网 电网设备物联网通信模型及接口 电网设备物联网的通信模型 电网设备物联网通信网络体系架构 信息通信模型 通信网络拓扑结构 输变电设备物联网的通信模型与接口体系架构输变电设备物联网通信模型 输变电设备物联网的关键技术 电网设备物联网感知层的信息通信模型以信息通信的层次结构为依据 逐层架构 解决物联网与电网设备相结合的模型架构问题 输变电设备物联网的通信模型与接口体系架构电网设备物联网感知层的信息通信模型可有效解决设备之间的协同通信问题 输变电设备物联网的关键技术 电网设备传感网通信信息建模 实现在线监测装置的分层 动态重构的通信模型 输变电设备物联网的通信模型与接口体系架构包含接入网与汇聚网的通信网络结构可提高电网设备物联网通信传输可靠性 输变电设备物联网的关键技术 汇聚层采用数据流重定向技术 实现统一的通信控制策略 输变电设备一体化智能监测装置 输变电设备物联网的关键技术 无法满足电网设备全景信息对状态信息监测与数据共享的要求 电网设备物联网一体化智能监测技术 输变电设备一体化智能监测装置 输变电设备物联网的关键技术 物联网技术引入到电网设备在线监测中提高了对设备的感知能力 降低设备状态检修的盲目性与风险性 实现设备优化管理 从而提高了电网设备在线监测性能水平 实现了统一规范标准监测体系 智能化 监测主IED之间可以相互协作 采用分布式计算技术 实现采集数据的就地智能化处理 监测主IED可以接入多个传感器 通过规约转换 采用数据聚集 数据融合等技术 获得准确的设备运行状态 实现设备的关联分析 提高设备故障诊断 定位 预警的准确性 网络化 监测主IED之间及与站控层之间支持标准的网络通信功能 具有智能体的特征 输变电设备一体化智能监测装置输变电设备物联网监测对象及参数 输变电设备物联网的关键技术 变电设备物联网监测对象及参数 输变电设备物联网的关键技术 输变电设备物联网一体化智能监测装置 输变电设备物联网的关键技术 输变电设备物联网的关键技术 智能传感器可以动态接入主IED 一体化智能监测装置具有分布自治能力具备了主IED之间 传感层关联传感器之间信息交互的横向流量通道 实现了 物与物 物与人 之间通信需求主IED互相备用 兼容接入各类传感器 提高了智能监测装置可靠性 变电站设备智能监测传感网络 变电站设备智能监测传感网络 输变电设备物联网的关键技术 采用了无线Mesh网络接力与电力OPGW光传输相结合为主 公共通信网为辅的网络解决方案 减少了OPGW开口次数 实现了无线点对点3km 无线接力30km及最高30Mbps的物理层传输速率 输电线路智能监测传感网络 输电线路智能监测传感网络 输变电设备物联网的关键技术 分布式计算示意图 分布式计算 利用智能监测传感网络实现对海量数据的就地处理和分层管理 便于数据共享和关联分析 从而解决大量数据的上传与计算负荷分配不均等关键技术难题 采用的分布式计算方法过程如下 输变电设备物联网的关键技术 故障智能诊断流程图 故障智能诊断 智能监测传感网络基于故障智能诊断方法 就地诊断故障 输变电设备全景信息集成平台 输变电设备物联网的关键技术 建立电网设备全景信息集成平台需要解决的问题 传统的SOAP方法效率低下 实现复杂难以满足高效的数据操作要求 全景信息具有多源异构的特点 阻碍了各数据源之间信息的交流和共享 模型对象数量庞大 关联关系复杂 造成模型编码困难 无法对信息模型的有效管理与校验 电网设备全景信息的多源异构数据聚合方法 消除多源异构信息的语义异构 建立局部本体和全局本体的映射 电网设备全景信息模型管理与校验方法 消除多源异构信息的语义异构 消除多源异构信息的语义异构 消除多源异构信息的语义异构 基于Restful快捷服务总线的电网设备全景信息集成平台 输变电设备全景信息集成平台总体方案案 输变电设备物联网的关键技术 输变电设备全景信息集成平台框架 输变电设备物联网的关键技术 信息集成平台构建技术采用SOAP与Restful协同的方法 使平台更具灵活性 扩展性 可灵活扩展的信息集成平台构建技术 分散 异构 平台 Restful服务模型 数据 高效 简单 轻量级 灵活 Restful ESB 基于SOAP与Restful协同的平台构建策略 多源 非标准 紧耦合 不灵活 可扩展性差 松耦合 分布式 标准 统一 解决 输变电设备物联网的关键技术 Restful服务 快捷服务总线 读取 增加 删除 删除 实现对分布式数据的轻量级访问 支撑 流程管理 流程监控 基于消息驱动的轻量级服务总线动态管理与监控技术 可为各种智能应用业务提供统一的服务接口和数据流程 可灵活扩展的信息集成平台构建技术 输变电设备物联网的关键技术 电网设备全景信息的多源异构数据聚合方法 解决全景信息中多源异构数据聚合的语义异构问题 电网设备全景信息的多源异构数据聚合方法 局部本体之间无映射 改进混合本体法与传统混合本体法区别 查询数据源转换为查询相应局部本体 实现映射重用 消除语义异构 OWL 网络本体语言 SWRL 语义WEB规则语言 输变电设备物联网的关键技术 聚合实例 数据聚合结果 2 3 1 电网设备全景信息的多源异构数据聚合方法 输变电设备物联网的关键技术 电网设备全景信息模型多态自动转换方法 电网设备全景信息模型与信息物理数据库自动转换方法 EMF Eclipse的模型框架 自动导出 全景信息模型 数据源 标准CIM文件 输变电设备物联网的关键技术 电网设备全景信息模型校验方法 版本一致性 类列表完备性 类属性完备性 命名规则 校验结果 电网设备全景信息模型多态自动转换方法 输变电设备物联网的关键技术 目录 一 电网设备的运检智能化 二 物联网的应用 三 大数据的应用 四 全寿命周期管理技术 关键技术 二 大数据技术 21世纪是数据信息大发展的时代 移动互联 社交网络 电子商务等极大拓展了互联网的边界和应用范围 各种数据正在迅速膨胀并变大 互联网 社交 搜索 电商 移动互联网 微博 物联网 传感器 智慧地球 车联网 GPS 医学影像 安全监控 金融 银行 股市 保险 电信 通话 短信 都在疯狂产生着数据 大数据 的诞生 半个世纪以来 随着计算机技术全面融入社会生活 信息爆炸已经积累到了一个开始引发变革的程度 它不仅使世界充斥着比以往更多的信息 而且其增长速度也在加快 信息爆炸的学科如天文学和基因学 创造出了 大数据 这个概念 如今 这个概念几乎应用到了所有人类智力与发展的领域中 关键技术 二 大数据技术 2012年3月份美国奥巴马政府发布了 大数据研究和发展倡议 投资2亿以上美元 正式启动 大数据发展计划 计划在科学研究 环境 生物医学等领域利用大数据技术进行突破 奥巴马政府的这一计划被视为美国政府继信息高速公路 InformationHighway 计划之后在信息科学领域的又一重大举措 2012年5月 联合国发表名为 大数据促发展 挑战与机遇 的政务白皮书中 指出大数据对于联合国和各国政府来说是一个历史性的机遇 还探讨了如何利用包括社交网络在内大数据资源造福人类 联合国的大数据白皮书还建议联合国成员国建设 脉搏实验室 PulseLabs 网络开发大数据的潜在价值 随着一系列标志性事件的发生和建立 人们越发感觉到大数据时代的力量 因此2013年被许多国外媒体和专家称为 大数据元年 关键技术 二 大数据技术 关键技术 二 大数据技术 关键技术 二 大数据技术 关键技术 二 大数据技术 大数据质量保障关键技术 构建数据质量体系研究传统数据质量体系在大数据环境下适应性 构建新型大数据质量层次架构 分层分类指标及综合指标建立数据质量评价模型提出不同应用场景的电力大数据质量评价模型 分析适应不同应用场景的检测模式 规则库 算法库 评价指标及其之间的关系 数据的高效访问 集成 存储关键技术 数据获取和转换装置 批处理查询 互动查询 流处理 数据仓库 HIVE 分布式文件系统 HDFS 分布式协作服务 关系数据ETL工具 日志收集工具 大数据管理平台 YARN资源管理 数据访问服务 查询 检索 基于HADOOP大数据技术架构 面向分析数据仓库 HIVE 动态扩展文件系统 HDFS 高效并行查询 MapReduce Tez 超网格化设备点 线特征数据重点维度基于多维R树一级索引二级索引基于相邻密度对象聚类 低层边缘特征提取 边缘特征组合得到部位特征 部位特征组合得到目标特征 图像 视频图谱等 多级综合索引 非结构化数据特征提取 基于深度学习的特征提取 大数据挖掘分析核心算法 可视化组件库曲线图各类曲线图动画效果KPI仪表盘数字图形化指针型表格链接报警看板简报通知To DoList控制组件日期选择选择框定制组件 人机交互 组态工具 脚本引擎 可视化组件 配置管理 可视化技术 输变电设备状态评估数据特点 设备种类多 变压器 断路器 架空线路 电缆 数据类型多 带电 离线试验 在线监测 缺陷 故障数据 电网数据 气象 台账 来源多 生产管理系统 能源管理系统 调度管理系统 智能巡检系统 时间尺度多 当前 历史 数据量大 TB PB 增长速度快 5T 年 省级电网公司 有时限要求 数据可及时处理 具备大数据特征 设备状态评估 如何有效利用 大数据为输变电设备状态的有效评估带来了机遇和挑战 大数据 BigData 无法在一定时间内用传统数据库软件工具对其内容进行抓取 管理和处理的数据集合 输变电设备状态评估数据特点 跨平台数据接入和转换机制及关键技术 标准接口 生产管理系统 PMS 状态监测系统 电网GIS平台 EMS系统 气象信息系统 雷电监测系统 数据源 机器人 无人机巡检 设备状态评估系统 数据清洗 噪声平滑 离群点识别 数据检验 缺失值填充 规则库 数据标记 规则封装 数据预处理 数据转换 数据泛化 数据规范化 属性构造 数据转换 数据质量评价 数据评价 跨平台数据获取 转换装置技术实现框架 结构化数据 非结构化数据 历史准 实时数据 电网空间数据 信息外网 信息内网 隔离装置 系统推送 数据库访问 文件访问 数据获取 数据服务 跨平台JDBC ODBC接口文件传输接口企业消息总线 规范的数据 规范的数据 数据规范 数据治理 设备运检数据的规范化建模 跨平台获取异构数据的转换及量化融合数据校验及无效数据智能剔除 关联性分析 考虑生产厂家的油色谱分析 以H2为例 统计数据 某省220kV及以上变压器台账数据共计376台设备 厂家14117条油色谱数据 厂家25315条油色谱数据 结论 不同厂家的油色谱中H2含量的概率分布使用Q Q概率图进行分布检验后 均证明符合威布尔分布 可推定油色谱中H2的含量分布是与生产厂家无关的假设是合理的 其他气体的类似结论可通过相同方式得到 评估指标体系 特征参量与状态间的表征规律特征参量的优选指标体系的建立 关联性分析 故障诊断和预测 故障诊断特征参量预测故障预测 故障诊断 参量预测 故障预测 故障诊断和预测 故障诊断和预测 故障诊断和预测 随机矩阵模型RMM绝缘热性能 绝缘电性能 进行状态检修 变压器内部已存在轻微放电缺陷 并存在一定程度固体绝缘的劣化 应该密切跟踪色谱的变化情况 及时安排停电试验 覆冰预测 气象系统 最大风速平均温度湿度 地理信息系统 经度纬度海拔 在线监测系统 导线张力导线倾角风速 海量历史数据 时间变化模型聚类分类关联性分析 数据模型 数据是否异常覆冰预测 雷电预警 状态差异化评价 K为比例系数C为曲率系数HI为状态评价分值P为平均故障率 故障概率计算 故障模式因果关系差异化评价故障概率计算 风险评估 指标体系风险量化不良工况修正 剩余寿命预测 指标体系寿命损失模型不良工况修正 变压器寿命评估 断路器寿命评估 检修决策 检修方式方案优选检修顺序 检修策略效能评估 评价规则建立检修效果评价效能评估 状态检修辅助决策系统 目录 一 电网设备的运检智能化 二 物联网的应用 三 大数据的应用 四 全寿命周期管理技术 获得电网设备寿命周期费用最经济 设备综合产能最高的理想目标 技术手段 经济手段 管理手段 组织手段 对电网设备的规划 设计 制造 选型 购置 安装 使用 维护 维修 改造 更新直至报废的全过程进行管理 关键技术 三 全寿命周期管理技术 关键技术 三 全寿命周期管理技术 事故维修阶段1950年以前主要方式设备发生了故障或事故以后才进行维修 事前维修阶段1950 1970年 预防性维修阶段 生产维修阶段 维修预防阶段 设备综合管理阶段1971年至今 以设备的一生为研究对象 追求全寿命周期成本的最优化 设备管理的演变历程 关键技术 三 全寿命周期管理技术 传统的设备管理 主要是指设备在役期间的运行维修管理 其出发点是设备可靠性的角度出发 具有为保障设备稳定可靠运行而进行的维修管理的相关内涵 包括设备资产的物质运动形态 即设备的安装 使用 维修直至拆换 体现出的是设备的物质运动状态