校園是肩負著教育、科研和社會服務重任的基地，也是能源消耗的大戶，其能耗占國民建筑總能耗的比重也日益增大，建設節約型校園已經成為各高校持續推進的工作。電力作為校園運行的主要能源，越來越受到學校建設和后勤管理部門的重視，部分校區會出現設備老化、供電故障、監控系統落后等問題。

隨著物聯網、云計算、大數據、人工智能、移動技術等先進技術的出現，將這些先進技術與能源及電力傳統業務領域相結合，可以大幅提升能源監管的效率，實現新的節能增長點。在此背景下，對校園進行增容或設備更換改造，并對能源監控系統進行升級具有重要的現實意義。

1 校園供電現狀及存在的問題

上海交通大學共有5個校區，其中閔行校區為主校區，閔行校區又分為西區、中區和東區，西區自1986年開始使用，建設年代較遠。由于科研快速發展，各院系建筑樓宇功能調整，實驗室設備增加，其對應開關站的供電相對緊張，而且部分硬件設備及電力監控系統經過十多年的運行，逐步出現故障報警及功能失效等問題。為防范電力系統運行風險，急需對電力監控系統的網絡、功能等進行一次升級。

1.1 硬件設備

在供電硬件設備方面，站內供電設備使用年限較久，主要元器件嚴重老化，更換維修配件已淘汰，造成供電系統經常出現故障，需要升級改造。

在保護裝置方面，原保護裝置老化、故障較多，在通信規約及數據采集上已經不能滿足現在的系統監控要求，急需更換新的保護裝置對新系統進行支撐。

在通信設施方面，原配電網運行的通信光強故障率較高，不易維護，已嚴重影響配電網絡的有效監控和運行，需在原光纜通信上進行升級和改造。

1.2 電力監控與數據采集系統

原電力監控與數據采集（supervisory control and data acquisition, SCADA）系統已遠遠落后于現在的電網監控技術要求，具體表現在原有的C/S架構已經不能適用于現在云架構系統的需求，嚴重制約了校園配網智能化的發展需求和供電可靠性的發展。

2 校園變電站內設備改造方案

2.1 微機保護裝置改造

校區變電站內原供電保護裝置為Sepam S20，已經運行15年，已經出現監控顯示故障、保護信號誤動作、傳輸數據滯后、監控功能不全、報表統計不準等問題。本次改造綜合保護裝置選用ABB的REF615K，具有保護、控制、測量、信號功能，滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性要求。

裝置支持IEC 61850、IEC 60870-5-103和Modbus?多種通信協議，串口Modbus和網絡Modbus、IEC 61850和Modbus都可同時并列運行。裝置內置的自檢功能持續監視裝置硬件和軟件的運行狀況，時標精度≤1ms。具有掉電保持功能、可靠的硬件閉鎖功能，保證任何情況下都不誤動。具有故障錄波功能，可記錄12個模擬量和64個開關量信號通道、100條故障錄波，最長可達25s。

2.2 高低壓配電柜裝置改造

校區變電站內的部分高低壓配電柜為20世紀90年代建設的，高壓為GG1A型高壓隔離刀柜，無斷路器保護及綜合保護裝置監測，低壓為GGD動力柜，無倉位分割和綜合表計數據采集傳輸，在供電操作和安全保護上，已經不能滿足現有的變電站運行要求。

本次改造選用KYN-37型中置式高壓斷路器柜，配置P3U30綜合保護裝置和PM5350綜合多功能表計，低壓配電柜選用msn抽屜柜，把每個出線回路單獨隔離，做到操作簡便，使用安全，加裝PM810綜合多功能表計，實現實時采集配電線路各項電力參數，通過串口服務器傳輸到電力監控系統上。在系統中加裝有源濾波柜，消除線路的無功功率、奇次諧波，穩定電網運行。

2.3 變壓器改造

校區變電站內原有油浸式變壓器在電網運行中損耗大、故障率高、維護成本大，本次改造選用SCB13型節能變壓器，實現低損耗、高性能的變壓供電效果。

3 校園電力監控平臺升級與應用

3.1 硬件架構

校區內原有電力監控系統是分布式、多層轉發、多層匯聚的網絡拓撲結構。在每個站內，都有工控機來采集數據，然后通過層層轉發，層層匯聚，最后集中在監控中心展示，并與校區多個其他系統有數據接口，如能量管理系統（energy management system, EMS）、抄表系統等。原有系統存在卡頓、告警繁多、重要告警信息被淹沒、報表曲線生成緩慢、數據顯示紊亂等多種問題。

IEC 61850標準是由國際電工委員會第57技術委員會于2004年頒布的、應用于變電站通信網絡和系統的國際標準。IEC 61850標準吸收了IEC 60870系列標準和UCA的經驗，對保護和控制等自動化產品和變電站自動化系統的設計產生深刻的影響。它不僅可以應用在變電站內，而且也能運用于變電站與調度中心之間以及各級調度中心之間。

為了解決上述問題，并且將微機保護裝置采用IEC 61850通信規約接入，直接與服務器進行數據交互，需要在利用校園原有通信網絡的基礎上，升級原電力監控系統。其網絡結構如圖1所示。

為了保證系統安全運行，在開關站內部署1臺電力監控系統服務器、1臺數據服務器和1臺應用服務器，實現數據接收和系統訪問。利用監控中心原有值班操作站，實現對新系統的實時監控和日常值班應用等。在開關站內部署防火墻，配置安全防護策略，通過網絡地址轉換（network address trans- lation, NAT）端口映射，實現新系統校園網訪問。

3.2 軟件架構

監控系統為3層架構，即數據采集層、平臺層、應用層。其軟件架構如圖2所示。

圖1 電力監控系統網絡結構圖

圖2 監控系統軟件架構圖

數據采集層采用IEC 61850通信規約，主要負責規約適配及數據分發，將采集或分發的數據及時送到電力監控系統中；平臺層采用IEC 61850體系設計，將接收的實時數據按IEC 61850模型進行組織存庫和展現，保障系統架構的先進性和數據的互聯互通和開放性。

實現權限安全管理、硬件資源及網絡資源的監測、系統電站初始化及建模、對外提供應用程序接口（application programmable interface, API）等功能；應用層分為移動端和Web調度監管，Web調度監管是調度人員日常電站監測、調度作業、智能運維、用能分析等。

采用與原系統做數據接口的方式，在匯聚層或者采集層配置數據雙發通道，在確保原接口不變的情況下，增加新的轉發接口來接入現有的站點數據。在開關站內配置節點管理機，原電力監控實時數據通過分發機制，經原系統光纖網絡，分發到新系統實時服務，實現數據采集和存儲，并在監控中心實時展現；綜保裝置接入到節點機上，節點機實現雙發機制，通過原系統光纖網絡，將數據發送到新舊電力監控系統，實現系統的更新過渡。

3.3 智慧能源云

智慧能源云服務平臺，把物聯網、云計算、大數據、人工智能、移動技術等先進技術與能源及電力傳統業務領域相結合，為用戶打造創新的智慧能源管理整體解決方案，包括Web端和APP端。平臺功能圍繞著變電站的安全、效率和經濟3個維度構建。它涵蓋了變電站監控、智能運維、能效管理等多方面的運維管理功能，滿足了用戶對于用電安全、節能與可持續發展的需求。其架構如圖3所示。

針對高校用電的特殊性，同時為了保證核心數據安全，專門定制了校園版私有云的平臺模式，取代傳統意義的C/S系統，具有更大的靈活性以及可塑性。主要云端服務器都使用教育網內網，僅Web及APP支持服務器連接外網用于支持用戶訪問，大大增加了安全性及有效性。

設計建模是平臺的核心基礎工作，對校區內的電站進行必要的建模，包括校區/電站、回路/設備、通信/測點、圖形等多方面，使在平臺中的各類模型對應各電站實際的各種工況，才能保證云平臺的各項智能化管理和分析工作有效運行。

圖3 智慧能源云系統架構圖

本次只針對校園電網的管理進行系統升級，系統主要功能如圖4所示，系統主界面如圖5所示。

圖4 系統功能組成圖

圖5 校園智慧能源云系統界面

1）調度中心：包括全景電網、多維監控、調度計劃等功能。平臺對所管轄的全部電站進行同步的監控，提供了氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas insulated switchgear, GIS）信息圖、電站實時數據、電站實時畫面等，實現集中監控、集約化管理、平臺總調度的功能。

2）電網監控：平臺對電站的運行狀態進行全方位的監控，結合電力運行的相關技術，智能化的組態運算，生動展示潮流情況，同步實時數據，根據預先定義參數同步著色畫面圖元，動態模擬展示線路、設備的運行工況等，提供電站概況、主接線圖、實時數據、歷史告警、故障錄波、操作日志、告警統計、運行診斷等功能事項構成實時監控體系。

3）臺賬管理：包括用戶臺賬、電站臺賬、電源臺賬和設備臺賬。用戶臺賬提供管理其服務用戶的功能，電站臺賬提供管理所服務電站的信息，包括基本信息、運維信息、擴展信息、應用信息等。電源臺賬功能提供管理各變電站進線電源的功能。設備臺賬功能提供管理變電站所有電力設備的功能，實現有效的信息化管理和資產設備的全生命周期管理，協助電網監控中的電網運行穩定。

4）平臺監控：包括云節點統計、平臺事件、霧節點管理和資源池工況。云節點統計為用戶提供查看系統云節點相關統計數據。平臺事件為用戶提供查詢在指定時間段內的各類平臺事件的功能。霧節點管理采集層各終端設備的運行情況。資源池工況為用戶提供查詢包括物理節點、邏輯節點上各類云設備的工況情況。

5）智能運維：提供了缺陷管理、工單管理、排班管理、簽到管理、故障搶修、電試管理、巡檢管理、短信預警配置、運行統計等功能，是為了保證電站安全穩定運行、可靠供電、各類電力生產工作有序進行而采用的一種有效的管理手段。對異常事件的過程處理，并對出現的頻率進行統計分析、提供異常事件報表，是智能運維的特色。

6）精細化用能：基于變電站在監控、運營、維護、管理過程中收集的各類數據，經過平臺的智能化整理，提供給用戶在用電質量方面更加精細的數據，從而進行有效的管控，達到以可持續發展為目的的管理方式。具體包括用電對比、用電排行、分時用量統計、分時用量對比、時段方案等功能。

7）開放API：可以與其他系統之間建立互聯互通，通過協議層交互數據，也可以嚴格的身份認證機制和API獲取數據，同時也滿足日后更多系統的升級和集成，如視頻監控系統、路燈系統等。

圖6 移動端運維版系統主界面

8）移動APP：電站衛士，包括運維版和用戶版兩個版本。運維版用于運維人員日常作業，用戶版用于最終業主查看電站運行情況。可以在移動終端實現對系統各個開關站的數據監測、日常運維、設備臺賬以及數據分析等功能。

4 結論

本文闡述的校園供配電系統的升級方案中，電力監控系統的采集層采用IEC 61850通信規約，相比Modbus規約更安全，兼容性更高，大大提高了數據采集及通信的質量。平臺層也采用IEC 61850體系設計，保障系統架構的先進性和數據的互聯互通和開放性。

智慧能源私有云的平臺模式，取代傳統的C/S系統，涵蓋了變電站監控、智能運維、能效管理等多方面的功能，大大增加了平臺的靈活性及可塑性。云端服務器使用教育網內網，僅Web及APP支持服務器連接外網給用戶訪問，大大增加了安全性。

其中，APP功能使用更為便捷，具有包括SCADA、運維、臺賬管理、搶修、巡檢簽到等功能，實現了精細化管理，大大提高了校園電網的智慧化管理水平，為節約型校園建設提供了有力的支撐。

本文編自2020年第9期《電氣技術》，標題為“基于智慧能源云的校園配電系統升級建設”，作者為沈海軍、許少倫。