基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的變電所參數(shù)監(jiān)測報警系統(tǒng)設(shè)計

　　10kV變電所低壓配電系統(tǒng)位于電力系統(tǒng)的末端，是最終面向用戶的配電網(wǎng)絡(luò)，直接與用戶設(shè)備相連，為用戶設(shè)備供應(yīng)、分配電能，它的運(yùn)行情況與區(qū)域內(nèi)的生產(chǎn)、生活息息相關(guān)。長期以來由于電力行業(yè)重視發(fā)電、輕視配電、不管用電，導(dǎo)致低壓配電網(wǎng)絡(luò)的智能化、信息化水平發(fā)展較慢。采用人工抄表的方式工作量大，對緊急情況反映不及時，早以不能滿足現(xiàn)代化監(jiān)管要求;而采用現(xiàn)場設(shè)備層和過程監(jiān)控層兩層結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場監(jiān)測方式，雖然數(shù)據(jù)傳輸具有一定的實時性，數(shù)據(jù)吞吐量較大，但一般只能實現(xiàn)本地監(jiān)管的功能，離開現(xiàn)場就無法獲取實時的監(jiān)測信息;文獻(xiàn)中所述的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)雖然技術(shù)比較成熟，但這類系統(tǒng)比較龐大，投資規(guī)模大、建設(shè)復(fù)雜，主要應(yīng)用于大型的電力調(diào)度自動化方面，而對于小型變電所配電系統(tǒng)則不太適用;文獻(xiàn)中所述的GPRS方式，雖然減少了系統(tǒng)布線，但是這種無線方式是收費(fèi)的，存在著傳輸數(shù)據(jù)量小，數(shù)據(jù)傳輸容易丟失的問題。

　　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為一種新型技術(shù)體系，自被提出以來，已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點，針對10kV變電所低壓配電系統(tǒng)提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)四層架構(gòu)的變電所參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，通過網(wǎng)關(guān)將變電所底層信息傳感設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來形成一個巨大的智能網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)人與物的溝通和對話。本文分層介紹了每一層的功能結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行設(shè)計，在實時報警模塊上采用了無插件的Server Push方式以保證報警的實時性，實現(xiàn)了變電所的遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理。

　　1.系統(tǒng)整體設(shè)計

　　根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的四層架構(gòu)體系，系統(tǒng)由下至上分別由感知層、傳輸層、服務(wù)層、應(yīng)用層構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的變電所監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　感知層主要獲取變電所低壓端參數(shù)信息。10kV變電所低壓端設(shè)備主要有變壓器、次總開關(guān)、電容柜、出線柜等，分別安裝有不同的監(jiān)測儀表，它們主要監(jiān)測的參數(shù)如表1所示。這些儀表均提供統(tǒng)一的RS485接口，通過Modbus總線與上層網(wǎng)關(guān)相連。由于本系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)量大，且數(shù)據(jù)大都為二進(jìn)制數(shù)值，因此，采用Modbus RTU的通信方式，一個Modbus RTU幀最大為256字節(jié)。

　　表1 變電所低壓端設(shè)備參數(shù)表

　　傳輸層主要對感知層參數(shù)信息進(jìn)行接入和傳輸，該層的主要設(shè)備為網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)具有較強(qiáng)的硬件支撐，是系統(tǒng)上下層信息交換的樞紐。它向下通過Modbus總線與終端監(jiān)測設(shè)備相連，向上通過以太網(wǎng)接口連接Internet。網(wǎng)關(guān)的主要仕務(wù)就是實現(xiàn)上下兩種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包格式的轉(zhuǎn)換。如果接收到的Modbus數(shù)據(jù)包為緊急類型的信息，如異常報警信息，則馬上轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)幀;而一般數(shù)據(jù)則等待后續(xù)數(shù)據(jù)包到來后組合成一個以太網(wǎng)幀上傳。

　　服務(wù)層主要對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲，為上層實際應(yīng)用建立了一個高效、可靠的技術(shù)支撐平臺，服務(wù)層的主要設(shè)備包括WEB服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。Web服務(wù)器完成與網(wǎng)關(guān)的通信、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)保存工作，并向客戶端提供Web服務(wù)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于存放變電所的監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警記錄、操作信息等，這些數(shù)據(jù)分別保存在數(shù)據(jù)庫的不同表單中，它是變電所實時監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示、報表打印等的數(shù)據(jù)來源。系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲分本地數(shù)據(jù)中心和通過公有云存儲接口連接的遠(yuǎn)程大數(shù)據(jù)中心。

　　私有數(shù)據(jù)保存于本地數(shù)據(jù)中心，而公共數(shù)據(jù)則存儲至遠(yuǎn)程大數(shù)據(jù)中心。通過這樣保證了海量數(shù)據(jù)的高并發(fā)性訪問及存儲，可大幅減輕本地數(shù)據(jù)中心存儲數(shù)據(jù)的壓力，又可使公共大數(shù)據(jù)及非敏感數(shù)據(jù)對第三方開放，系統(tǒng)提供公共數(shù)據(jù)訪問接口。系統(tǒng)后臺支持?jǐn)?shù)據(jù)建模、內(nèi)建數(shù)據(jù)庫存儲模板及數(shù)據(jù)智能調(diào)度服務(wù)。

　　應(yīng)用層的設(shè)計主要面向用戶，解決用戶端信息處理和人機(jī)交互的問題，利用經(jīng)過分析處理的感知數(shù)據(jù)，為用戶提供豐富的應(yīng)用功能。

　　2.系統(tǒng)功能模塊介紹

　　該系統(tǒng)主要有實時監(jiān)測、參數(shù)分析、數(shù)據(jù)報表、異常報警、系統(tǒng)管理等功能模塊，如圖2所示。系統(tǒng)采用B/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，遠(yuǎn)程用戶通過電腦、平板、手機(jī)等終端的瀏覽器就可以登錄系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)管。

圖2 變電所監(jiān)測系統(tǒng)用戶功能模塊框圖

　　2.1 系統(tǒng)管理

　　系統(tǒng)管理模塊可以查看變電所以及變電所內(nèi)監(jiān)測儀表、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)等設(shè)備的基本信息。也可以對系統(tǒng)用戶權(quán)限進(jìn)行管理。普通用戶只能查看基本的監(jiān)測信息，管理員用戶可以進(jìn)行相應(yīng)的操作，如打印報表、設(shè)置報警策、排班管理等。此外，還具有設(shè)備管理功能，可以查看設(shè)備狀態(tài)信息、修改設(shè)備模板，添加登記設(shè)備等。

　　2.2 實時監(jiān)測

　　系統(tǒng)主要通過變電所地圖、變電所系統(tǒng)框圖(包括模擬屏監(jiān)控、變電所監(jiān)控柜)這幾種圖形化的界面為用戶提供變電所直觀的監(jiān)測信息。

　　變電所地圖可以直觀的看到區(qū)域內(nèi)各主次變電所的分布情況。用戶通過鼠標(biāo)操作就可以選擇查看區(qū)域內(nèi)某個變電所內(nèi)主、備供變壓器、次總等主要參數(shù)的實時更新顯示。

　　變電所系統(tǒng)框圖即變電所供電關(guān)系總圖，描述了變電所主、備供電線路、開閉所、主次變電所之間的關(guān)系。通過系統(tǒng)框圖可以穿透鏈接到相應(yīng)變電所模擬屏、變電所柜圖，系統(tǒng)框圖還可以動態(tài)提示各個變電所的主要參數(shù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)。變電所模擬屏、柜圖即通過模擬屏或者柜圖的形式將變電所各類監(jiān)測儀表的主要數(shù)據(jù)以及線路開關(guān)閉合、斷開狀態(tài)顯示在相應(yīng)圖形界面上。

　　2.3 參數(shù)分析

　　操作人員可以從變電所管理樹查看相應(yīng)設(shè)備的實時參數(shù)信息以及參數(shù)的變化曲線。同時系統(tǒng)還提供以下兩方面數(shù)據(jù)作為變電所運(yùn)行狀況診斷的分析依據(jù)。

　　1)根據(jù)不同樹節(jié)點可以顯示變電所當(dāng)前運(yùn)行狀況，儀表及回路基本信息。并將定時采集的參數(shù)生成變電所參數(shù)的趨勢圖、對比趨勢圖。系統(tǒng)可設(shè)置取樣時間間隔為5min、15min、30min、lh等。操作人員可根據(jù)選擇的時問段、參數(shù)對想要查看的參數(shù)信息進(jìn)行對比分析。

　　2)對變電所電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測;實時監(jiān)視各個變電所次總、和分回路諧波含量，電壓閃變、擾動，頻率偏差，不平衡度，功率因數(shù)等電能質(zhì)量問題。

　　2.4 數(shù)據(jù)報表

　　該功能主要是對監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，并根據(jù)要求的格式生成報表。報表功能分為參數(shù)報表、電量報表。參數(shù)報表允許操作人員按時間段查詢變電所任一設(shè)備的運(yùn)行參數(shù);電量報表允許操作人員按需要查詢?nèi)我恢鞔巫冸娝哪陥蟊?、月報表、日報表等。通過導(dǎo)出功能可以將查詢內(nèi)容導(dǎo)入到本地計算機(jī)中，供操作人員查看。

　　2.5 異常報警

　　1)預(yù)警管理

　　系統(tǒng)設(shè)計了系統(tǒng)報警、短信報警、聲光報警三種報警方式，以保證報警信息能及時傳達(dá)給變電所管理人員。系統(tǒng)報警是在與服務(wù)器連接的瀏覽器上以彈出窗口的方式通知值班及管理人員;短信報警是通過手機(jī)短信及時將報警信息發(fā)送給報警聯(lián)系人;聲光報警是通過安裝于變電所內(nèi)部聲光報警器來報警。用戶登錄系統(tǒng)之后可以對報警策略、報警重發(fā)時間、報警聯(lián)系人通訊錄等進(jìn)行設(shè)置。

　　2)報警處理

　　報警處理即系統(tǒng)后臺對報警發(fā)生后數(shù)據(jù)的處理。主要有新增報警、消除報警以及刪除報警的業(yè)務(wù)處理。

　　3)歷史報警

　　當(dāng)報警解除之后，報警信息自動存入歷史報警數(shù)據(jù)庫中，包括報警發(fā)生日期、時間、編號、報警類型、報警描述等信息。通過歷史報警功能，用戶可隨時查看、下載、打印所有歷史報警信息。

　　3.報警模塊設(shè)計

　　報警模塊為變電所穩(wěn)定運(yùn)行提供保障，在整個系統(tǒng)中具有至關(guān)重要的地位。實時報警信息不同于一般的實時數(shù)據(jù)，其實時性要求更高，如果采用一般的輪詢(Polling)技術(shù)不斷刷新頁面來獲取報警信息(即無論服務(wù)器端數(shù)據(jù)有無變化，都向服務(wù)器端定期取數(shù)據(jù))，這不但會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)、浪費(fèi)服務(wù)器資源，而且每次建立或關(guān)閉新的HTTP連接都有一定的延遲，這種延遲將大大的影響報警實時性。因此采用了基于訂閱/發(fā)布機(jī)制的服務(wù)器推送(Server Push)技術(shù)來解決此問題，在報警發(fā)生時向所有的訂閱用戶發(fā)布信息。

　　無插件的服務(wù)器推送方式既不需要客戶端周期性的輪詢，也不需要在瀏覽器里安裝任何插件，通過服務(wù)器端和瀏覽器保持HTTP通信連接，在服務(wù)器端以事件驅(qū)動方式主動向客戶端推送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時刷新。

　　變電所主要有9種報警類型，如表2所示，每種報警類型對應(yīng)的報警發(fā)生條件都不同，需設(shè)置不同的報警策略。當(dāng)監(jiān)測到跳閘、離線或某一參數(shù)超過門限時觸發(fā)相應(yīng)的報警，報警接口程序接收到變電所報警信息之后，從報警策略表中獲取該報警類型對應(yīng)的報警策略和報警聯(lián)系人電話，并向預(yù)先設(shè)置的用戶終端發(fā)送報警信息。管理人員收到報警信息之后，需進(jìn)行相應(yīng)的操作，以解除報警。若超過設(shè)置的報警重發(fā)時間后報警仍未解除，系統(tǒng)則會重新發(fā)送報警信息。消警之后報警信息存入歷史報警庫中。報警服務(wù)流程如圖3所示。

　　表2 變電所報警類型定義

圖3 報警服務(wù)流程圖

　　4.結(jié)論

　　本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)四層架構(gòu)的變電所監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，實現(xiàn)了變電所低壓端參數(shù)的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測、參數(shù)分析、數(shù)據(jù)報表、異常報警等功能。其中異常報警模塊采用了無插件的服務(wù)器推送方式，保證了報警的實時性。目前該方案已應(yīng)用于某校區(qū)變電所的監(jiān)測中，項目包括8個主變和22個副變，采用主備供電方式。項目建成之前，該校區(qū)變電所主要采用人工巡檢的方式，每天需安排多名值班人員輪流巡檢，人力成本高，每年光人工費(fèi)用就需要幾百萬，而且容易出現(xiàn)漏檢、錯誤記錄、故障處置不及時等問題，存在重大隱患。項目建成后，變電所基本實現(xiàn)無人值守，管理人員無論何時何地都可以通過網(wǎng)絡(luò)登入系統(tǒng)對變電所的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測和管理。通過多種報警方式，故障信息能及時傳遞給管理人員，大大縮短了故障處理時間，節(jié)省上百萬開支。該系統(tǒng)提升了變電所的供電保障，降低了運(yùn)行維護(hù)成本，達(dá)到了減員增效的目的，同時該系統(tǒng)作為該校能源監(jiān)管平臺的一個子系統(tǒng)，結(jié)合其他水、電、路燈、空調(diào)節(jié)能管理系統(tǒng)，將大數(shù)據(jù)互相融合、智能分析，為節(jié)約型、智能化、信息化校園建設(shè)提供科學(xué)決策和支持。本系統(tǒng)在遠(yuǎn)程實時控制方面仍有待進(jìn)一步完善，在下一步設(shè)計與產(chǎn)品研發(fā)中將改進(jìn)。