配电物联网设备实物ID的差异化优化配置方法.pdf

DOI：10.14044/j.1674-1757.pcrpc.2023.03.012 收稿日期：20220524基金项目：国网天津市电力公司科技项目资助（KJ20-1-07）。配电物联网设备实物 ID 的差异化优化配置方法张磐1，霍现旭1，葛磊蛟2，李国栋1（1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津300384；2.天津大学电气自动化与信息工程学院，天津300072）摘要：配电物联网设备具有种类多、海量和异构的特点，为对其进行快速有效管理，按照一定的编码规则对配电物联网实物 ID 编码，是一种行之有效的方法之一。然而，数量众多、种类繁杂、层次多样的云/网/边/端配电物联网设备常导致现有的实物 ID 技术应用效率偏低，为此，本文提出了一种配电物联网设备实物 ID 的差异化优化配置方法。首先，通过对配电网边层与端层设备的优化配置，建立配电网设备属性库，并通过标识技术对实体信息进行整合与共享；其次，通过编码技术对设备实体信息代码化，实现了高效快速识别配电物联网设备实体属性；进一步，通过构建配电物联网ID 差异化优化配置模型，实现高效率的配电物联网实物 ID 识别。最后，案例验证了本文所提方法的可行性，实现了电网实物资产的合理化储备，合理控制成本，显著提高了实物 ID 技术在配电物联网中的应用效率。关键词：配电物联网；实物 ID；电网资产；编码；差异化Differentiated Optimal Configuration Method for Physical ID of Distribution Internet ofThings DevicesZHANG Pan1，HUO Xianxu1，GE Leijiao2，LI Guodong1（1.Electric Power Research Institute，State Grid Tianjin Electrical Power Company，Tianjin 300384；China；2.School of Electrical and Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）Abstract：The distribution internet of things(DIoT)devices have such characteristics as multiple variety，mass and heterogeneity.In order to quickly and effectively manage them，it is one of the effective methodsto code the physical ID in accordance with certain coding rules.However，the application efficiency of theexisting physical ID technology is often low due to the large number，various types and layers of cloud/network/side/end distribution devices.Therefore，a kind of differentiated and optimal allocation method forphysical ID of DIoT devices is proposed in this paper.Firstly，through the optimal configuration of the sidelayer and end layer equipment of the distribution network，the property library of the distribution networkequipment is set up，and the entity information is integrated and shared through the identification technology.Secondly，the efficient and rapid identification of the device entity attribute of distribution network of internetof things is achieved by the codification of device entity information through coding technology.Furthermore，through the construction of distribution internet of things ID differentiation optimization configurationmodel，the efficient identification of distribution internet of things physical ID is achieved.Finally，the feasibility of the method proposed in this paper is verified by the case，which realizes the reasonable storage ofgrid physical assets，reasonably controls the cost，and significantly improves the application efficiency ofphysical ID in the distribution internet of things.Keywords：distribution internet of things；physical ID；grid assets；code；differentiation第44卷第3期：0089-00962023年6月电力电容器与无功补偿Power Capacitor&Reactive Power CompensationVol.44，No.3：0089-0096Jun.2023 892023年第3期电力电容器与无功补偿第44卷0引言随着信息技术、智能化技术等在电力行业的不断发展，配电物联网也逐步获得了较好的推广应用1-2。随之而变的配电网设备组成也越来越复杂，其运行、维护、更新、改造的任务越来越多样3-6，配电网物资的体量变得非常庞大，传统散养式的管理模式已无法满足应用需求，转变管理观念、创新资产管理模式、优化管理方式成为国内外电力企业共同的主题。为实现电网实物资产的有效管理，配电网资产实物 ID 技术5成为配电网中一个重要应用技术，该技术将配电网资产实物身份数字化，旨在实现设备信息数据追根溯源、电网资产全周期管理等。随着我国通讯电子技术的发展，基于射频识别（radiofrequency identification，RFID）技术的移动物联网终端，较好地实现了配电网资产电子身份 ID 的非接触式采集，并可将数据快速高效传输到电力业务系统云主站，进一步促进了电网资产全周期管理的发展和实物 ID 技术推广应用。配电网资产实物 ID，类似于给每个配电网设备分配了一个特定的身份识别码6，利用电力企业授权的手持移动终端设备扫描该唯一编码，就可以获取设备全寿命周期的出厂、运行和检修等各项数据信息，可有效加强了电网资产精细化管理能力，提升配电网设备运维水平。文献7提出了一种基于实物 ID 的电网二次设备资产管理方法。基于该方法，能够有效实现对电网资产全过程管理的精细化处理，通过实物 ID，电网中的资产均可拥有特殊标识，方便对其进行数据追溯。文献8提出了一种基于实物 ID 的智能物联统计算法，构建了基于设备信息采集的设备购置费计算模型，并将实物 ID 贯穿电网项目投资管理全流程，实现对项目执行过程中设计、采购、建设等阶段变电站设备购置费用相关信息的自动采集、自动统计。文献9提出了一种基于哈希算法的电网资产实物 ID 编码方法。通过该编码方法，电网中的实物资产均具有唯一身份，实现了电网资产的有效管理。然而，近年来随着配电物联网技术的快速发展，当前配电物联网中实物 ID 的数量庞大且种类繁多，导致了实物 ID 技术在配电物联网中的应用效率低下，常常出现配电物联网设备发生故障时，因设备类型相似度高、拓扑位置信息不全面等，导致工作人员难以精准定位故障位置；另外，实物 ID的信息编码组成复杂，也常常使工作人员的物资收发货率降低，电网物资得不到合理储备，反而增加了配电物联网的运营成本。因此，为有效解决配电物联网设备资产管理信息化面临的种类繁杂、信息混乱、配置不合理等问题，本文提出一种配电物联网实物 ID 差异化优化配置方法。首先，通过对配电物联网系统边层和端层的信息优化配置，将边层和端层设备属性汇入设备属性库；接着，通过以 RFID 技术为代表的非接触式快速识别技术和以 EPC 编码技术为代表的高效编码技术对配电物联网设备实物资产进行高效快速信息化编码处理，实现电网实物资产代码化；进一步，通过具有 RFID 技术的手持式快速扫描装备将实体信息接入互联网，达成配电物联网设备的信息交互；最后，基于上述信息化技术，结合配电物联网云/网/边/端等设备的不同类型，建立了配电物联网实物 ID 差异化优化配置模型，实现了配电物联网中实物资产的信息完整可追溯、跨系统贯通、设备的全寿命周期管理，较好地解决了实物 ID 技术在配电物联网中应用效率低下的问题，合理控制了配电运营成本，大大提高了电网资产精准化管理水平和效率。1配电物联网实物资源信息采集1.1配电网资产实物数据采集面向配电物联网海量且种类繁杂的实物资产，实现差异化优化配置的关键步骤之一是有效的精准资产分类，而分类的基础是对配电物联网设备的运行状况、设备状态、环境情况和其他基础数据进行完整采集。基于以上需求，采用边层与端层相互配合的方法，对配电物联网设备的相关基础数据进行采集。首先，边层基于“边缘操作系统+标准化硬件平台+业务 APP”的技术框架，融合物联网、数据处理、存储、应用等核心能力，结合边缘计算技术可满足配电业务实时性的需求和缓解配电物联网云主站数据传输和处理的压力的特点，实现对配电网客服APP 和生产业务功能的部署；接着，端层基于“通用硬件平台+轻量级物联网操作系统+设备业务应用软件”的技术架构，执行决策命令或采取就地控制，实现与电力客户的友好互动；最后，在配电网物联网云层构建所有配电物联网设备的属性库，对边层和端层设备属性进行汇总。1.2配电物联网资产实物信息整合与共享信息收集完毕后，高效管理的关键是数据的整合和共享。为此，基于配电物联网云层设备属性库 902023年第3期（总第207期）张磐，等配电物联网设备实物ID的差异化优化配置方法中的边层设备属性与端层设备属性，利用标识技术对配电物联网资产实物的信息进行整合和共享，即根据配电物联网实物的特征，通过 RFID 技术或红外感知技术获取实物编码信息，然后通过射频识别阅读器、红外接受器等信息感知设备，按照约定的通讯协议与配电物联网云层进行信息交互，进一步利用多种信息载体的存储功能或显示功能去记录或显示所获知的配电物联网实物的全部数据。1.2.1配电物联网编码数据获知为实现对配电物联网资产实物的编码数据识别，本文采用 RFID 技术，该技术是一种利用无限电信号的近场通讯技术，被广泛应用于电力、交通、能源、化工等领域。配电物联网资产设备的 RFID 常用标签格式见图 110，其在芯片内部和芯片外部都存储着一定位数的实物 ID 编码、数字编码及其对应的二维码。在实际的运维检修业务执行过程中，由于配电物联网资产实物 ID 的 RFID 识别与标签表面二维码扫码识别并行应用，若芯片内码与二维码不一致，将会直接造成实物 ID 关联业务信息的混乱，从而影响后期资产全寿命关联信息追溯11-12的成效，所以下面将对实物 ID 信息进行整合共享。图1RFID常用标签格式Fig.1Common tag formats of RFID1.2.2配电物联网实体信息整合共享获知配电物联网实体 ID 信息后，利用标识技术对配电物联网实体的信息进行整合和共享，然后完成对配电物联网实体资产展开精细化控制和管理，并对其相关信息或者数据进行准确定位。标识技术分为编码和识别两方面，其中，识别一般通过硬件装备实现，现已相对比较成熟，在此不再累述，而编码根据不同场景有多种差异化设计方法，也是标识技术的关键，下文将进行详细阐述。面向配电物联网实物资产的海量、多样等特点，采用唯一的身份编码实物 ID13来完成多种编码信息的多源融合。他能有效克服资产专业化管理的阻碍，实现设备信息的共享。在配电物联网设备运行维护方面，他可协助工作人员快速获知该设备的运行状况，降低故障发生率，同时在系统中存储巡检、维修等记录，实现资产全周期管理，也能提升物资收发货率、统计设备服役情况，达到对电网物资进行合理化储备，实现成本精细化预算等效果。配电物联网资产实物 ID 各层的应用拓扑图见图 2。图2实物ID的应用拓扑Fig.2Application topology of physical ID1）配电网实物资产编码原则为准确识别海量配电物联网资产实物，实物资产应按照规范的设备编码规则，分配给每个实体唯一身份编号，用于描述数据的特征并制定各码段含义规范。一般，配电网实物资产编码是将边层和端层采集到的设备属性信息代码化以描述电网中设备的实体属性或特性，配电物联网设备编码原则见表 1。表1电力设备编码原则Table 1Coding principles for power equipment编码原则唯一性合理性系统性可持续性通用性简短性适应性规范性含义性安全性具体内容确保各代码与其标记实体逐个对应，并提供对应实体的基本信息。设备的分类原则与代码结构相匹配。根据一定的分类原则，将所选实体和特征进行系统化，形成科学合理的分类规则。留有合理的空间，以实现系统的升级改造。保证编码规则与国际现有标准相匹配；能与现有编码系统无缝连接。编码尽量简短，以减少字节占用和提高代码容错率，实现代码高效处理。实质编码，以便填写、存储和读取。编码结构、类型和格式必须一致。采用无实意的顺序码，代码内包含对应实体的基本信息。结合加密和安全技术，确保代码的安全存储与传输。2）电网实物资产编码过程在表 1 配电物联网设备编码原则的基础上，配电网实物资产的编码过程主要包括以下步骤：从配电物联网云层设备属性库中获取边层 912023年第3期电力电容器与无功补偿第44卷和端层设备信息。通过资产编码、WBS 编码、实物编码等多源信息互联融合实现实物全寿命周期身份 ID 的唯一性、合理性编码。根据 EPC 编码结构，对设备属性进行分类。其中，EPC 通用编码结构图见表 2，其通用结构是二进制比特流，内部可分为版本号（标头）和其余 3 段代码（管理者代码、对象分类代码和序列号）共 4部分。表2EPC通用编码结构Table 2EPC universal encoding structure编码结构EPC-64EPC-96EPC-256编码类型标头2228888管理者211526283264128对象分类17131324565656序列代码2434233616012864由表 2 可知，现有数据标准的标头长度分为 2位和 8 位共 2 种，2 位标头有 11、10、01 总计 3 种取值（00 面向 2 位以上标头），8 位标头有 00000001-00111111 共 63 种取值（0000000 面向 8 位以上的标头）；其余数据通过分配不同大小的空间区域来存储实物的各类信息。根据 EPC 规定，定义设备属性的标签数据格式，见图 3。图3设备属性标签数据格式Fig.3Data format of device property label对配电网物联网资产实物进行资产编码。从高效的管理视角出发，配电物联网资产实物 ID编码构成见图 4。其中，物资编码是根据生产用品、非生产物资和库存备件的内在关系为其编制的数字 ID；设备编码基于生产管理系统，以设备为应用对象，提升生产活动管理的精细程度。图4电网资产实物ID编码构成Fig.4Composition of physical ID code for powernetwork assets对配电物联网资产实物 ID 校验码进行计算。其各个位置上的代码值校验公式为i=124iWi=0(mod10)（1）式中：i为自右向左的代码值的位置编号，其取值范围为1i24；i为第个i位置上的代码值；Wi为第i个比特上的加权值。2配电物联网实物ID差异化配置方法配电网内实物资产具有数量大、种类多的特点，导致配电物联网中产生了各种各样的实物 ID，对这些实物 ID 逐个识别势必会造成应用效率不高、预算成本增加以及故障率提高等系列问题14-18。为实现配电物联网实物 ID 的智能识别、跟踪、定位、监管，本文面向上述编码的配电物联网设备，建立了配电物联网 ID 差异化优化配置方法。该方法旨在解决实物 ID 技术在配电物联网中应用效率不高的问题，能够协助运维人员快速获知设备运行状态，降低故障发生率，同时提高物资收发货率，对电网资产进行合理化储备，实现成本精细化预算，加强电网资产精准化管理效率和能力19-21。其主要流程如下：首先，基于已完成标识的配电物联网设备属性数据对配电物联网实物 ID 信息进行差异化的汇总分类管理。其中，配电物联网中的设备主要包括增量设备和库存设备，增量设备是指在物资采购阶段即生成实物 ID 的设备，其二维码见图 5；库存设备是指在物资采购阶段不生成实物标识的设备，包括现役设备、捐赠设备等；对于工程建设过程中材料、部件等组合安装形成的电网资产，如输电线路，也可以是库存设备，其二维码见图 6。图5增量设备二维码Fig.5Incremental device QR codes值得注意的是，实物 ID 信息应和电网资产一一对应，应用于线路杆塔、高空设备等特殊情况下可采用主副标签形式，主副标签分别安装于配电物联网资产本体和附近，二维码标签与设备参数结合图样见图 7。922023年第3期（总第207期）张磐，等配电物联网设备实物ID的差异化优化配置方法图6库存设备二维码Fig.6Stock device QR codes图7二维码标签与设备参数结合图样Fig.7QR code label and plate fusion style基于配电物联网实物 ID 信息，将所有配电物联网实体信息接入互联网的配电网物联网云管理平台，展开信息通信交互，形成物联网 ID 差异化优化配置方法，对实物 ID 进行识别。面向配电物联网实物 ID 差异化优化配置模型，本文提出如下求解方法，用于识别配电物联网实物ID，以辨别电网中的实物资产以及其信息。物联网实物 ID 差异化优化配置模型求解方法步骤如下：1）利用手持式现场运检装置，读取配电物联网云管理平台中配电物联网实物 ID 信息，主要包括二维码以及设备相关参数，并下载和存储于现场运检装备中；2）利用手持式现场运检设备扫描现场实际设备的二维码，并使用 RFID 技术对二维码进行识别，从中获得电网资产实物 ID 校验码，从而辨析配电物联网所属的差异化类型；3）通过公式（1）对配电网物联网资产实物 ID校验码进行计算，并校验是否正确；如果正确，将进行 EPC 编码验证；如果不正确，将进行重新扫描；4）参考 EPC 编码规则，分析计算结果，结合配电物联网资产实物的相关设备参数，获知该资产实物公司代码段、实物类别以及实物流水号；5）通过上述分析所得信息，即可得到不同配电物联网实物资产的边层设备属性与端层设备属性，从而达到通过实物 ID 区分不同配电物联网实物资产的目的。物联网实物 ID 差异化优化配置模型流程图见图 8。图8物联网实物ID差异化优化配置模型流程图Fig.8Flowchart of differential optimized configurationmodel for internet of things physical ID3案例分析为验证本文所提出方法的有效性，以某变电站设备为例，采用本文方法建立配电网资产实物 ID，并对其进行识别。首先对该变电站中设备信息进行采集，主要设备信息包括两部分：1）边层实现对电力系统生产业务和客服 APP 功能的部署；2）端层完成配电网的运行状态、设备状况、环境情况和其他基础数据的采集，并执行决策指令或采取就地控制。以该变电站中开关为例，经过端层信息采集，主要获得的信息见表 3。932023年第3期电力电容器与无功补偿第44卷表3设备信息Table 3Device information编号12345设备信息详情设备来源：国网某电力有限公司，某变电站。变电站电压等级：220 kV设备应用电压等级：110 kV设备用途：备用（存量设备）设备名称：2004开关基于上述设备信息，采用标识技术对设备信息进行整合并进行共享，根据该开关的设备特性，通过 RFID 技术使用读写器对实体进行扫描，并存储其信息。根据配电物联网资产实物 ID 编码原则，基于EPC 通用编码结构对该开关的设备信息进行编码，应当注意的是，该实物 ID 具有唯一性。通过编码技术，设备的数据特性与信息应当能够被完整表示。针对表 3 中 2004 开关的设备信息，该设备的实物 ID 见图 9。图92004开关设备实物IDFig.9Physical ID of 2004 switching device基于实物 ID，生成该设备不同尺寸的二维码见图 10。由于该设备为库存设备，因此其二维码形式应当与图 6 具有相同格式。图102004开关设备二维码Fig.10QR codes 2004 switching device完成配电物联网设备的编码以及二维码设计后，以该信息作为基础，对配电物联网中全部电网实物资产信息进行汇总，并同步上传至互联网，达成配电物联网设备信息交互，实现对设备的智能跟踪、监管、定位，构建配电物联网实物 ID 差异化优化配置模型，并对设备二维码以及设备信息进行融合设计，按照图 7 的设计方式进行设计，本文中选择左右设计型标签格式，见图 11。图112004开关设备左右设计型标签Fig.11Left and right design label of 2004 Switchingdevice针对该标签中的二维码，可以通过相关的扫描设备进行识别，从而获得该设备的实物 ID，对该实物 ID 使用公式（1）进行校验，即可得到该开关设备的来源、额定电压、设备用途等相关信息。进一步对该电力公司设备部 2020 年投入差异化实物 ID 后，一个变电站 23 种设备的操作时间和巡检时间的对比见表 4。表 423种配电网设备差异化实物ID后运行成本Table 4Operatingcostsof23kindsofdistributionnetworkequipmentwithdifferentiatedphysicalIDs序号12变电站23种设备运检常规人工运维差异化实物ID运维操作时间2.12 h0.15 h巡检时间1.5 h0.13 h从对变电站 23 种设备运检的时间不难发现，配电物联网中的设备通过本文构建的配电物联网实物 ID 差异化优化配置模型，实现了电网资产的辨识和数据采集；该模型中对实物 ID 的应用，解决了实物 ID 技术在配电物联网中应用效率低下的问题，通过实物 ID 采集的信息，能够协助现场人员获知设备的运行状态，对此状态进行分析即可降低故障发生的概率，同时提高物资收发货率；另外，实物ID 的差异化使用，实现了电网物资设备的合理化储备，大大减少了电网实物资产的管理成本，提高了电网资产的精准化管理能力。4结语本文提出了一种考虑差异化的基于配电物联网实物 ID 优化配置模型：1）首先，对配电物联网系统的边层采用边缘计算技术、端层执行决策命令或采取就地控制策略，完成与电力客户的友好互动，将边层和端层设备属性汇聚成库；2）然后，基于 EPC 编码技术，对配电物联网资产实体进行编号，将实体特征或属性数字化；3）进一步，实物 ID 以二维码、RFID 标签等作 942023年第3期（总第207期）张磐，等配电物联网设备实物ID的差异化优化配置方法为载体，结合多码信息多源贯通，实现资产的精细化管控；4）最后，汇总配电网实物 ID 信息，构建配电物联网 ID 差异化优化配置模型。仿真部分对变电站中开关设备进行编码，验证了本文所提出的方法能够有效解决实物 ID 技术在配电物联网中效率低下的问题；通过对设备运行情况的分析可以看出，本文方法降低了电网故障率并提高了物资收发货率，实现了成本的合理控制和电网资产精准化高效管理。参考文献1ZHANG Cong，LIU Zilong，CHEN Yuyang，et al.A flexibleand generic gaussian sampler with power sidechannel countermeasures for quantumsecure internet of thingsJ.IEEEInternet of Things 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