第2章 输变电设备物联网体系的构建

2.1 输变电设备物联网体系架构及全景信息模型

输变电设备物联网体系架构与全景信息模型任务的目标为：建立输变电设备物联网的设备全景信息模型，设计相对完备的、面向演进的异构输变电设备物联网分层分布体系架构，建立可扩展的输变电设备物联网的标识体系。

输变电设备物联网体系架构是设计与实现输变电设备物联网的基础。输变电全景信息是多源异构信息，面向输变电设备全景信息的感知、汇聚与应用，输变电设备物联网应具有对多源异构的全景信息的分层分布式处理以及聚合能力。同时，输变电设备物联网的通信网络可以是电力行业通信专网，也可采用移动公用通信网，这要求输变电设备物联网的通信网络具有异构网络的自治协同能力。

IEC61968与IEC61970虽然提供了输变电设备的公共信息模型，但无法满足输变电设备物联网全景信息建模的需要。输变电设备物联网不同来源信息的数据格式及数据流量具有显著差异，具有多源与高度异构的特征。由于多源数据分散在不同的系统中，彼此之间缺乏联系，信息共享不足，没有进行有效的整合、集成，更没有对在线监测数据和基础数据进行深度的挖掘以形成指导输变电设备管理的知识。因此，需要建立输变电设备全景信息模型，提供一种用对象类和属性及它们之间关系来标识电力系统对象的标准方法，使得输变电物联网全景信息的交互与共享具有统一的参考模型。

根据上述目标及要求，完成的主要工作有：

1）设计了输变电设备物联网体系架构，定义了输变电设备物联网感知层、网络层和应用层的功能及要求，体现了输变电设备物联网全面感知、可靠传输、分层分布式异构数据处理及智能应用的特点。

2）提出了输变电设备全景信息的建模原则与方法，在已有标准CIM（Common Information Model，公用信息模型）的基础上，实现了对资产基本信息模型、在线监测信息模型、资产工作信息模型（运维信息模型）、公共安全信息模型的扩展，建立了具有良好通用性的输变电设备全景信息模型，为输变电设备多源异构信息的共享与集成以及输变电设备全寿命周期管理高级应用提供了支撑。

3）结合电网企业输变电设备编码标准与EPC（Electronic Product Code，产品电子代码）编码标准，建立了输变电设备EPC-96编码规则，实现了对输变电设备的唯一标识以及EPC标签与输变电设备全景信息集成平台数据库中动态数据的链接。

2.1.1 输变电设备物联网体系架构

根据通用物联网架构，分层分布式输变电设备物联网体系架构如图2-1所示。整个架构由感知层、网络层及应用层构成，其中网络层包括通信层和信息整合层。

1.感知层的功能及要求

感知层为输变电设备全寿命周期管理提供信息来源。输变电设备全景信息包括设备采购、工程建设、运行维护、技改报废四个阶段所涉及的信息。

感知层的全景信息包含设备状态信息、基本信息、资产信息和公共安全信息四类，其中设备状态信息分为在线监测信息和运维信息。在线监测信息包含输电线路状态监测信息和变电设备状态监测信息；运维信息包含巡检信息、试验信息、消缺信息等；基本信息包含厂家信息、型号、安装位置等基本信息；资产信息包含在全寿命周期管理的各个阶段，包括成本信息、建设费用、物资管理、承包商等信息；公共安全信息包括气象信息（如温度、湿度、风等）、灾害信息（如地震、泥石流、火山等）和极端天气信息（如雷击、冰灾等）等。

2.网络层的功能与要求

输变电设备物联网的网络层包括通信层和信息整合层。

通信层支撑多源异构全景信息的数据传输、数据接入与数据流协同交互管理。通信层涵盖两个层面：①输变电设备传感网络要求支持异构网络以及移动终端的接入，通信方式包括有线通信、无线通信、移动通信等；②在输变电设备物联网整体层面上，传感网络传输的输变电设备在线监测信息及其他信息系统信息一起构成的全景信息，通过电力系统局域网（光纤网络以及其他有线通信网络）接入信息整合层，并完成存储、分发功能。

信息整合层的功能与要求包括：①实现全景信息的汇聚、存储、处理、融合和发布等功能，根据地理位置分布，信息整合层划分为站级、地市级、省级（输变电设备全景信息集成平台）三级，输变电设备全景信息集成平台支撑全部高级应用功能的实现；②全景信息集成平台采用SOA（Service-Oriented Ar-chitecture，面向服务的体系结构）及ESB（Enterprise Service Bus，企业服务总线），实现多源异构数据的处理、统一建模、标准化接入、验证和数据聚合，为输变电设备全寿命周期管理中的高级应用提供数据服务。

3.应用层的功能与要求

要求实现输变电设备的全寿命周期管理，包括设备状态异常预警、设备智能综合诊断、设备健康状态评价、设备运行风险评估及预测、设备运维决策支持、设备全寿命周期过程管理等功能。具体功能要求为：①设备状态异常预警：对历史上重复出现的不正确的报警点和报警范围进行自动校正，对超出阈值范围的监测数据和出现变化率异常的监测数据点进行二次告警，过滤不合理的告警数据，实现设备状态异常预警；②智能综合诊断：根据感知层的四类信息对设备可能发生的故障进行全方位综合诊断，为故障定位及设备检修提供决策依据；③健康状态评价：对反映设备健康状态的各项指标进行分析评价，得出设备总体健康状态等级；④风险评估及预测：通过风险评估模型得出设备的风险等级，并综合分析设备故障造成的各方面后果，形成对设备的风险评估值，作为输变电设备状态检修的决策依据；⑤运维决策支持：通过综合考虑设备状态评价和风险评估的结果，优化输变电设备维修次序、维修时间和维修等级安排，为生技、调度等各业务部门提供决策支持；⑥全寿命周期过程管理：实现输变电设备全寿命周期管理过程各个环节的相关管理，同时强化全过程的成本和绩效管理，实现成本管理精细化、定额化和标准化，建立能够持续改进的设备管理过程。

2.1.2 输变电设备全景信息模型

1.输变电设备全景信息模型分类

为了分析全寿命周期管理的需求，先将各类信息的需求进行调研，信息需求结果如附录1～附录7所示，再将这些全景信息按建模分类，见表2-1。

在建模过程中，将表2-1中输变电设备全寿命周期管理各阶段所需的信息分为基本信息模型、在线监测信息模型、工作信息模型（运维过程信息模型）、公共安全信息模型四大类进行建模。

2.输变电设备全景信息模型建模方法

基于国际通用的CIM元数据模型，使用Rational Rose工具进行建模。采用元模式技术，明确了建模的类、属性、方法、关联和模式等。通过建立CIM类图，描述各种受管对象以及各对象之间的静态关系。

（1）输变电设备全景信息模型的建模原则

扩展原则如下：

1）根据需建设备模型在IEC61970、IEC61968标准中是否存在决定是否进行属性扩展。若存在，则进行属性扩展。若不存在，则新建一个包，在包内建立类图，针对这些设备扩展新类、建立关联以及描述类与类之间的关联关系；添加新包时，扩展的模型都应放置在此包内或者其包的子包内，以免和原有模型中的类相混淆。

2）尽量保持模型原有结构不变，采用继承的方法从原有类产生新子类，并关联扩充部分与新子类。在需要添加新类时，明确新类的继承、聚合及关联关系，避免修改原来的标准模型，并结合业务实际确定最后的关系。

命名原则：在模型统一的情况下，类和属性命名方式可按英文单词的组合或中文表达，已有类的新属性名称前添加EX_，使名称表达更加清晰。

（2）输变电设备全景信息模型的建模方法

根据本任务提出的建模原则，在建模过程中，采用统一建模语言（UML），通过建立各种类、类之间的关联、类和对象之间的相互配合来完成全景信息建模。其中CIM扩展要考虑三个问题：①是否要建立新的包；②要扩展哪些新类；③要扩展哪些已有类的属性和属性值。建模具体方法如图2-2所示。

1）确定建模对象，判断标准中是否有关于此设备的模型包。

2）判断待扩展新类在模型包内是否存在。若存在，则考虑进行属性扩展；若不存在，则新建关于此类的属性。

3）描述待扩展新类与已有类之间的关系，包括聚合、继承和关联关系。

4）判断新建类属性与扩展类属性的数据类型是否存在。若存在，则选用相关数据类型；若不存在，则新建数据类型。

5）规范化抽象模型，使之更精简、准确。规范模型时应主要根据三个原则：①将属性较多的类解构为多个具有少量属性的类；②消除冗余数据；③尽量选取实例中的名词作为类的名称，并规范类定义的所有关键名词。

（3）输变电设备全景信息模型的建立

基本信息建模。根据CIM的可扩展性特征，主要针对两类基本信息扩展建模：全部设备的EPC编码信息以及标准中部分未建模设备和部件的基本信息。

1）基于EPC编码的资产基础信息建模。

资产基础信息管理需运用到设备的EPC编码，而原有CIM模型中是不存在EPC编码信息的，因此设备的全景信息模型中要对其进行扩展。EPC编码主要包括标头、设备归属、设备分类以及序列号等内容，结合EPC编码信息，根据全寿命周期管理的信息选取原则，在资产基础模型中扩展了EPCTech类，用于描述该编码的EPC标识主要基本信息，包括采用EPC的位数、标头、获取EPC的RFID类型，以及具体某个设备的EPC编码序列号，EPC Tech类关联到资产类上。

针对设备的每个全寿命周期阶段，对Asset类进行了属性扩展，添加了“全寿命周期管理节点（PLMC Node）”属性，定义该类型为枚举类，由计划、招标、选型、签约、付款、预验收、到货、安调、验收、报账、办固定资产、后期维护、报废等构成，用于标记每个资产所处于的周期节点位置，便于资产管理。

2）输变电设备基本信息的扩展建模。

为了支持标准化和集成的需求，对CIM中未涉及的设备基本信息扩展需要在继承原有输变电数据模型的基础上，新增一些设备类的描述，分为以下三种情况：

①面向CIM未建模设备的扩展。某些设备在CIM中根本没有模型与之匹配，需要重新建模，如避雷器、绝缘子、直流电流（电压）互感器。新建立的基础模型的框架包括五方面内容：Electrical Asset（电气资产类）、Electrical Type Asset（电气类型资产类）、Electrical Asset Model（电气资产模型类）、Electrical Properties（电气属性类）和Mechanical Properties（机械属性类）。前三个属性分别继承了Asset、Type Asset、Asset Model三个根类，且聚合于第四个属性类Electrical Properties。前四个类组成电气资产模型框架，电气设备的模型新建都需继承上述框架的四个父类。对于没有可继承的类，可加入自身属性扩展一个新类。

以绝缘子为例，需要扩展的类见表2-2。依据图2-2所示的全景信息模型建模方法进行扩展：ⅰ）首先新建Insulator Asset（绝缘子资产类）、Insulator Asset Model（绝缘子资产模型类）以及Insulator Type Asset（绝缘子类型资产类）；ⅱ）查询手册和相关规定扩展各个类的属性，将每个设备的特有属性，如安装地点、生产日期等参数存放在Insulator Asset；将不同类型绝缘子相同的属性信息抽象出来，存放在Insulator Type Asset里，如绝缘子可分为悬式绝缘子、针式绝缘子、棒形绝缘子等多个类型；ⅲ）扩展一个描述同一型号绝缘子共有属性的类Insulator Asset Model，如同种型号绝缘子的分布电压、直流绝缘电阻、电晕脉冲比值等信息，并新建绝缘子的电气参数属性类Insulator Prop-erties，用于存放绝缘子的公共属性，电气参数属性类与其他三者是聚合的关系。建成后的绝缘子基本信息模型见表2-2，扩展模型如图2-3所示。

②面向设备附属部件的扩展。在某些重要设备中，设备自带了保护装置来判断设备故障情况，通常CIM建模并未涉及此类附属部件。如架空线路资产和电力电缆模型中，因此需要对其附属部件进行扩展。在架空线路资产和电力电缆模型中，现有的CIM模型分别对应架空线资产类（OH Conductor Asset）及电缆资产类（Cable Asset），它们都继承于其父类线型导体资产类（Linear Conductor Asset）。分别新建架空线资产模型类（OH Conductor Asset Model）和电缆资产模型类（Cable Asset Model）继承于线型导体资产模型类（Linear Conductor Asset Model），新建OH Conductor Type Asset（架空线类型资产类）和Cable Type Asset（电缆类型资产类）继承于Linear Conductor Type Asset（线型导体类型资产类），这样就构成了线路资产属性模型的基本框架，然后再将所需要的属性分别放入对应的类即可。扩展后的类与已有类之间的关系及描述见表2-3。

③面向设备容器类的扩展。仿照IEC61970的电厂、变电站间隔等设备容器，建立相应设备容器的子类。输电线路的在线监测信息是针对两根杆塔以及杆塔之间的架空线路的，包括架空线路参数，如导线的基础拉力、覆冰重量等，架空线路资产类、杆类、塔类分别继承于线型导体资产类和结构类。引入设备资产容器“线段”的概念，线段包括两根杆塔及之间的设备，将架空线路资产类、杆类、塔类、避雷器资产类和绝缘子聚合成线段类，继承于设备容器类，针对避雷线、接地装置、监测装置等附属装置，建立附属装置类，直接继承于资产类。扩展后的类与已有类之间的关系及描述见表2-4，建成后的设备容器类扩展模型如图2-4所示。

3.在线监测信息建模

对输变电设备在线监测信息建模进行的是在线监测量测模型的扩展建立。该模型新建在线监测量测类（Online Monitoring Measurement）和在线监测资产参数类（Asset Online Monitoring Properties）两类描述，且前者继承量测类（Measurement），后者关联资产类（Asset）。又由于量测类关联资产类，使得模型覆盖量测全过程。

在线监测量测类几乎包含了IEC61970量测包的所有类。量测类（Meas-urement）描述了量测发生的时间、原因和时间间隔等基本信息；量测类型类（Measurement Type）描述了各种实用的量测类型；量测技术类（Measurement Tech）包含了量测过程用到的具体量测技术，可对各种不同的在线监测技术扩展建模；量测值类（Measurement Value）记录了不同量测获得的结果，由在线监测量测类与其关联建模，且与文档类（Document）关联，形成记录文档。限制集类（Limit Set）、警报集类（Alarm Group）、单位类（Unit）、控制类（Control）和派生类（Value Alias Set）等类起到辅助作用。限制集类和警报集类实现预警功能，当量测值超过设定的限制值时将产生有效报警，单位类规范了量测数据值的单位名称和具体格式。

在线监测资产参数类首先新建在线监测量测类，详细描述资产的在线监测参数，它与资产类关联。然后，再将IEC61970量测包中量测类关联到资产类，从而实现了与量测包中几乎所有类的关联，可以准确描述量测发生的时间、时间间隔、采用的技术、量测原因和结果等信息。扩展后的类与已有类之间的关系及描述见表2-5，建成后的在线监测量测模型如图2-5所示。

（1）运维过程信息建模

运维过程信息即资产工作信息，通过新建工作类（Work）的子包资产工作模型（Work Model）对运维过程信息建模。资产工作模型通过工作类（Work）、工作任务类（Work Task）描述工作任务，用程序类（Procedure）和程序值类（Procedure Value）的值说明工作的步骤和各步骤产生的数据值。

以一项设备维护任务为例，首先确定活动的种类，再由工作类和工作任务类具体来描述。一项活动由多件工作任务类聚集而成。工作任务类关联资产列表（Asset List）、工作人员（Crew）、执行效率（Capability）及条件（Condi-tion）等类。当确定了某项维护任务时，需按工作规范来进行，工作规范中的步骤由程序值类和程序类共同定义：程序类说明这项活动任务的基本步骤内容，而程序值类描述这些步骤中的相关限值，如加压值等。同时程序类与测量值类（Measurement Value）关联，以记录测量值。当活动完成后，由数据集类（Data Set）来记录活动结果。扩展后的类与已有类之间的关系及描述见表2-6，建成后的设备运维过程信息模型如图2-6所示。

各类设备的巡检、试验、诊断以及检修等活动具有信息模型的基本类和属性，活动完成后，巡检数据集类（Inspection DataSet）、试验数据集类（Test Data Set）、诊断数据集类（Diagnosis DataSet）、检修数据集类（Maintenance DataSet）继承于数据集类（Data Set），分别记录四项活动的数据。

巡检、试验、检修或诊断活动发现的设备缺陷，或是设备运行故障需要记录下来，因此需要缺陷事件类（Defect Event）、故障事件类（Failure E-vent）。故障事件类CIM中已有定义，只需要新建缺陷事件类，同时使其继承于活动记录类（Activity Record）。如在缺陷事件类中，扩充缺陷部位、缺陷内容、缺陷程度、缺陷等级、缺陷分类、消缺结论等属性，对一些有固定取值的属性，还应枚举各项可能情况以便于实例化。扩展的缺陷事件类如附录8所示。

诊断模型是对设备进行故障诊断，然后制订出正确的检修计划。需要新建诊断事件类（Diagnosis Event），用于记录诊断事件发生的时间、对象、技术、方法等信息，继承于活动记录类。诊断事件类同样使用枚举类型，记录诊断设备种类、诊断方法、诊断仪器、诊断结果（原因）、对设备性能影响等信息。如附录9所示。

（2）公共安全信息建模

输变电设备的公共安全信息模型需要扩展的类包括气象预警信息类（Weather Alert）、微气象信息类（Micro Climate）、天气预报类（Weather Fore-cast）、不可预测信息类（Unpredictable Event），它们关联于资产类（Asset）、位置类（Location）、区域类（Zone）。扩展后的类与已有类之间的关系及描述见表2-7，建成后的公共安全信息模型如图2-7所示。

根据本任务提出的输变电设备全景信息模型建立的原则及步骤，完成了对资产基本信息模型、资产在线监测信息模型、资产工作信息模型（运维过程信息模型）、公共安全信息模型的扩展建立。所建模型具有较好的通用性，具体的输变电设备能够根据本建模过程建立完备的全景信息模型，为输变电设备全寿命周期管理高级应用提供了支撑和保障。

2.1.3 输变电设备EPC编码

结合电网企业输变电设备编码标准与EPC编码标准，建立了输变电设备EPC-96编码规则。

1.编码方案选择

目前EPC代码有64位、96位和256位三种编码方案，EPC-64编码主要应用在物流行业，而EPC-256是面向未来设计的，具体技术要求和定位暂不明确。为了确保输变电设备都拥有一个EPC代码并使其载体——标签成本尽可能降低，考虑到设备的生命周期比物流行业的生命周期长、设备分类简单、设备信息多、归属复杂等因素，本研究选择EPC-96方案。该编码方案是定义为96位的通用标识符，不依赖于任何已知的、现有的规范或标识方案，既保证后期应用时标签的低成本，又能满足未来设备编码扩展需求。

作为EPC的信息载体，EPC标签是RFID识别应用的重要组成部分，它包括TID（Tag ID）区和DATA区。TID（Tag ID）区表示标签自身的唯一标识，包含标签制造厂商代码、标签硬件类型码、存储器规划码等信息，在电子标签生产时写入，出厂后锁定。DATA区是用户数据区，供用户存放数据，可以进行读写、覆盖等操作。依据EPC标签的数据格式，基于EPC-96的输变电设备编码储存在EPC标签的DATA区。

2.编码原则

鉴于输变电设备物联网中信息的特点，考虑成本、扩展等因素，全面展开信息编码缺乏经济性。同时考虑到标签容量和读写器的性能，大量的信息编码会降低读写和查询的速度，因此提出EPC编制原则如下：

1）符合EPC编码标准与电网企业输变电设备编码标准及编码原则，使编码符合系统性、规范性、唯一性。

2）反映设备的分类信息，如设备的归属、类别等。

3）保证编码的简单性、经济性、可靠性且同时具备可扩展性等。

3.编码规则

EPC编码的通用结构包括4个部分：标头、域名管理者代码、对象分类代码和序列号。标头定义了总长，识别类型和EPC标签编码结构，本研究采用的EPC-96的标头值是00110101（二进制），为固定值；域名管理者代码标识一个组织实体（本质上一个公司、管理者或者其他组织机构），EPC global分配通用管理者代码给实体，确保每一个通用管理者代码是唯一的；对象分类代码用来识别一个物品的种类或“类型”，其在每一个通用管理者代码之下是唯一的；序列号也称序列代码，在每一个对象分类代码之内是唯一的（组织实体负责为每一个对象分类代码分配唯一的、不重复的序列代码）。为了突出显示编码对象和电力设备的属性，本研究将“管理者”和“对象分类”做了名称变换，标头和序列代码不变，变换结果如图2-8所示。

根据图2-8中的编码结构，展开设备编码工作，规定了各部分所包含的信息和所占代码区段。

（1）设备归属

设备归属层分为大电网-（省）电网公司-供电局-厂站，此部分共28位，码段代码分配区间见表2-8。每个部分的代码空间是在考虑扩展的前提下确定的，其详细信息均存储在后台数据库中，所编制的代码作为检索索引使用。

（2）设备分类

分类是具有相同特点物品的集合，而不是物品的固有属性。兼顾EPC中该部分的代码空间和中国南方电网（简称南网）中已有的设备分类方式和结构，本研究规定采用“设备类属+设备类别+电压等级”来标识设备分类，此部分码段共24位。

根据电网的《电网设备信息分类和编码》标准，可知设备属性共有7项；设备类别包含输电设施、变电设施和配电设施，其中输电设施中架空线路包含125项、电缆线路包含97项，变电设施中一次设备有359项、二次设备有342项；电压等级中交流有44项、直流有38项。基于上述各项的数量和扩展性需求，采用分区段的方式编码标识设备属性、设备类别和电压等级。因此在考虑扩展的情况下，分配代码空间，具体的细化方案见表2-9。

（3）序列代码

序列代码的编制原则按照设备归属的最小单位（供电局-厂站）内设备数量顺序进行编制，此部分码段共36位。对于本体设备的部件无设备类别代码的，与本体设备一起进行顺序编码。基于以上原则，基于EPC-96的输变电设备编码规范的具体编码结构见表2-10。

以云南电网大理供电局下关变电站的设备“220kV大下Ⅱ回线2631隔离开关”为例进行说明，根据设备编码的结构和编码方案中各项对应的代码，可得该隔离开关的设备编码，见表2-11。

对于“设备归属”和“设备分类”相同的设备，序列代码的编制分为只有本体、既有本体又有部件两种情况。前者的序列代码按顺序编制；后者的序列代码编制又分为两种情况：部件拥有自身设备类别代码的，不参与其本体设备的序列代码编制，只参与其同类设备类别的序列代码编制；部件无设备类别代码的，则按照顺延本体的序列代码编制。对于“设备归属”和“设备分类”相同的第二个部件无设备类别代码的设备，其序列号顺延上一个同类设备最后一个部件的序列代码顺序编制。可见，EPC编码中的序列代码是在实际编码过程中确定的，以下举例说明。

对于该隔离开关A相、B相、C相的代码，则是按照顺延其本体序列号编制；而对于该隔离开关的部件-电动操动机构和真空辅助开关，则是按照与其本体相同的代码编制方式编制。对于“220kV大下Ⅱ回线2632隔离开关”，其代码延续“220kV大下Ⅱ回线2631隔离开关C相”的代码，其A相、B相、C相的代码的编制方法同“220kV大下Ⅱ回线2631隔离开关”的三相，而其部件-电动操动机构和真空辅助开关的代码编制方法同“220kV大下Ⅱ回线2631隔离开关”的部件。具体代码见表2-12。

依据基于EPC-96的输变电设备编码方案，已对示范变电站的一、二次变电及输电线路设备进行了EPC编码。