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(zhǎng)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(duì)緊急情況反映不及時(shí)，早以不能滿足現(xiàn)代化監(jiān)管要求;而采用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層和過程監(jiān)控層兩層結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方式，雖然數(shù)據(jù)傳輸具有一定的實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)吞吐量較大，但一般只能實(shí)現(xiàn)本地監(jiān)管的功能，離開現(xiàn)場(chǎng)就無法獲取實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)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(dòng)化方面，而對(duì)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(diǎn)，針對(duì)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)巨大的智能網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)人與物的溝通和對(duì)話。本文分層介紹了每一層的功能結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，在實(shí)時(shí)報(bào)警模塊上采用了無插件的Server Push方式以保證報(bào)警的實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)了變電所的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理。
1.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
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(cè)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(cè)儀表，它們主要監(jiān)測(cè)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(gè)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(duì)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(cè)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(shí)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(bào)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(gè)以太網(wǎng)幀上傳。
服務(wù)層主要對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)，為上層實(shí)際應(yīng)用建立了一個(gè)高效、可靠的技術(shù)支撐平臺(tái)，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(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示、報(bào)表打印等的數(shù)據(jù)來源。系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分本地?cái)?shù)據(jù)中心和通過公有云存儲(chǔ)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?cái)?shù)據(jù)中心，而公共數(shù)據(jù)則存儲(chǔ)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(chǔ)，可大幅減輕本地?cái)?shù)據(jù)中心存儲(chǔ)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(duì)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(tái)支持?jǐn)?shù)據(jù)建模、內(nèi)建數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)模板及數(shù)據(jù)智能調(diào)度服務(wù)。
應(yīng)用層的設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、參數(shù)分析、數(shù)據(jù)報(bào)表、異常報(bào)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(cè)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(cè)儀表、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)等設(shè)備的基本信息。也可以對(duì)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(cè)信息，管理員用戶可以進(jìn)行相應(yīng)的操作，如打印報(bào)表、設(shè)置報(bào)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
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(cè)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(gè)變電所內(nèi)主、備供變壓器、次總等主要參數(shù)的實(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)提示各個(gè)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(cè)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(shí)時(shí)參數(shù)信息以及參數(shù)的變化曲線。同時(shí)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(diǎn)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(shí)采集的參數(shù)生成變電所參數(shù)的趨勢(shì)圖、對(duì)比趨勢(shì)圖。系統(tǒng)可設(shè)置取樣時(shí)間間隔為5min、15min、30min、lh等。操作人員可根據(jù)選擇的時(shí)問段、參數(shù)對(duì)想要查看的參數(shù)信息進(jìn)行對(duì)比分析。
2)對(duì)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(cè);實(shí)時(shí)監(jiān)視各個(gè)變電所次總、和分回路諧波含量，電壓閃變、擾動(dòng)，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(bào)表
該功能主要是對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)要求的格式生成報(bào)表。報(bào)表功能分為參數(shù)報(bào)表、電量報(bào)表。參數(shù)報(bào)表允許操作人員按時(shí)間段查詢變電所任一設(shè)備的運(yùn)行參數(shù);電量報(bào)表允許操作人員按需要查詢?nèi)我恢鞔巫冸娝哪陥?bào)表、月報(bào)表、日?qǐng)?bào)表等。通過導(dǎo)出功能可以將查詢內(nèi)容導(dǎo)入到本地計(jì)算機(jī)中，供操作人員查看。
2.5 異常報(bào)警
1)預(yù)警管理
系統(tǒng)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)報(bào)警、短信報(bào)警、聲光報(bào)警三種報(bào)警方式，以保證報(bào)警信息能及時(shí)傳達(dá)給變電所管理人員。系統(tǒng)報(bào)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(bào)警是通過手機(jī)短信及時(shí)將報(bào)警信息發(fā)送給報(bào)警聯(lián)系人;聲光報(bào)警是通過安裝于變電所內(nèi)部聲光報(bào)警器來報(bào)警。用戶登錄系統(tǒng)之后可以對(duì)報(bào)警策略、報(bào)警重發(fā)時(shí)間、報(bào)警聯(lián)系人通訊錄等進(jìn)行設(shè)置。
2)報(bào)警處理
報(bào)警處理即系統(tǒng)后臺(tái)對(duì)報(bào)警發(fā)生后數(shù)據(jù)的處理。主要有新增報(bào)警、消除報(bào)警以及刪除報(bào)警的業(yè)務(wù)處理。
3)歷史報(bào)警
當(dāng)報(bào)警解除之后，報(bào)警信息自動(dòng)存入歷史報(bào)警數(shù)據(jù)庫中，包括報(bào)警發(fā)生日期、時(shí)間、編號(hào)、報(bào)警類型、報(bào)警描述等信息。通過歷史報(bào)警功能，用戶可隨時(shí)查看、下載、打印所有歷史報(bào)警信息。
3.報(bào)警模塊設(shè)計(jì)
報(bào)警模塊為變電所穩(wěn)定運(yùn)行提供保障，在整個(gè)系統(tǒng)中具有至關(guān)重要的地位。實(shí)時(shí)報(bào)警信息不同于一般的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，其實(shí)時(shí)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(bào)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(huì)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(bào)警實(shí)時(shí)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(bào)警發(fā)生時(shí)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(dòng)方式主動(dòng)向客戶端推送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)刷新。
變電所主要有9種報(bào)警類型，如表2所示，每種報(bào)警類型對(duì)應(yīng)的報(bào)警發(fā)生條件都不同，需設(shè)置不同的報(bào)警策略。當(dāng)監(jiān)測(cè)到跳閘、離線或某一參數(shù)超過門限時(shí)觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警，報(bào)警接口程序接收到變電所報(bào)警信息之后，從報(bào)警策略表中獲取該報(bào)警類型對(duì)應(yīng)的報(bào)警策略和報(bào)警聯(lián)系人電話，并向預(yù)先設(shè)置的用戶終端發(fā)送報(bào)警信息。管理人員收到報(bào)警信息之后，需進(jìn)行相應(yīng)的操作，以解除報(bào)警。若超過設(shè)置的報(bào)警重發(fā)時(shí)間后報(bào)警仍未解除，系統(tǒng)則會(huì)重新發(fā)送報(bào)警信息。消警之后報(bào)警信息存入歷史報(bào)警庫中。報(bào)警服務(wù)流程如圖3所示。
表2 變電所報(bào)警類型定義
圖3 報(bào)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了變電所低壓端參數(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、參數(shù)分析、數(shù)據(jù)報(bào)表、異常報(bào)警等功能。其中異常報(bào)警模塊采用了無插件的服務(wù)器推送方式，保證了報(bào)警的實(shí)時(shí)性。目前該方案已應(yīng)用于某校區(qū)變電所的監(jiān)測(cè)中，項(xiàng)目包括8個(gè)主變和22個(gè)副變，采用主備供電方式。項(xiàng)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(cuò)誤記錄、故障處置不及時(shí)等問題，存在重大隱患。項(xiàng)目建成后，變電所基本實(shí)現(xiàn)無人值守，管理人員無論何時(shí)何地都可以通過網(wǎng)絡(luò)登入系統(tǒng)對(duì)變電所的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理。通過多種報(bào)警方式，故障信息能及時(shí)傳遞給管理人員，大大縮短了故障處理時(shí)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(shí)該系統(tǒng)作為該校能源監(jiān)管平臺(tái)的一個(gè)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(shí)時(shí)控制方面仍有待進(jìn)一步完善，在下一步設(shè)計(jì)與產(chǎn)品研發(fā)中將改進(jìn)。
