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，直接與用戶設備相連，為用戶設備供應、分配電能，它的運行情況與區(qū)域內(nèi)的生產(chǎn)、生活息息相關。

物聯(lián)網(wǎng)技術作為一種新型技術體系，自被提出以來，已經(jīng)在眾多領域得到了應用。本文結合物聯(lián)網(wǎng)技術特點，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)四層架構的變電所參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設計方案，通過網(wǎng)關將變電所底層信息傳感設備網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)結合起來形成一個巨大的智能網(wǎng)絡，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構，對系統(tǒng)功能模塊進行設計，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)了變電所的遠程監(jiān)測和管理。

1 系統(tǒng)整體設計

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的四層架構體系，系統(tǒng)由下至上分別由感知層、傳輸層、服務層、應用層構成，其結構如下圖1所示。

圖1 變電所監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

感知層主要獲取變電所低壓端參數(shù)信息。10kV變電所低壓端設備主要有變壓器、次總開關、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)關相連。由于本系統(tǒng)的通訊數(shù)據(jù)量大，且數(shù)據(jù)大都為二進制數(shù)值，因此，采用Modbus RTU的通訊方式，一個Modbus RTU幀最大為256字節(jié)。

表1 變電所低壓端設備參數(shù)表

傳輸層主要對感知層參數(shù)信息進行接入和傳輸，該層的主要設備為網(wǎng)關，網(wǎng)關具有較強的硬件支撐，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)測設備相連，向上通過以太網(wǎng)接口連接Internet。

網(wǎng)關的主要任務就是實現(xiàn)上下兩種網(wǎng)絡數(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。

服務層主要對大量的數(shù)據(jù)進行處理、存儲，為上層實際應用建立了一個高效、可靠的技術支撐平臺，服務層的主要設備包括WEB服務器和數(shù)據(jù)庫服務器。Web服務器完成與網(wǎng)關的通信、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。

數(shù)據(jù)庫服務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)后臺支持數(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。

應用層的設計主要面向用戶，解決用戶端信息處理和人機交互的問題，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，如下圖2所示。系統(tǒng)采用B/S網(wǎng)絡結構模式，遠程用戶通過電腦、平板、手機等終端的瀏覽器就可以登錄系統(tǒng)進行監(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)關等設備的基本信息。也可以對系統(tǒng)用戶權限進行管理。普通用戶只能查看基本的監(jiān)測信息，管理員用戶可以進行相應的操作，如：打印報表、設置報警策、排班管理等。此外，還具有設備管理功能，可以查看設備狀態(tài)信息、修改設備模板，添加登記設備等等。

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系。通過系統(tǒng)框圖可以穿透鏈接到相應變電所模擬屏、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)以及線路開關閉合、斷開狀態(tài)顯示在相應圖形界面上。

2.3 參數(shù)分析

操作人員可以從變電所管理樹查看相應設備的實時參數(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前運行狀況，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)可設置取樣時間間隔為5min、15min、30min、1h等。操作人員可根據(jù)選擇的時間段、參數(shù)對想要查看的參數(shù)信息進行對比分析。

（2）對變電所電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進行持續(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備的運行參數(shù)；電量報表允許操作人員按需要查詢?nèi)我恢鞔巫冸娝哪陥蟊怼⒃聢蟊?、日報表等。通過導出功能可以將查詢內(nèi)容導入到本地計算機中，供操作人員查看。

2.5 異常報警

(1) 預警管理

系統(tǒng)設計了系統(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給變電所管理人員。系統(tǒng)報警是在與服務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)系人通訊錄等進行設置。

(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)務處理。

(3) 歷史報警

當報警解除之后，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 報警模塊設計

報警模塊為變電所穩(wěn)定運行提供保障，在整個系統(tǒng)中具有至關重要的地位。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）技術不斷刷新頁面來獲取報警信息（即無論服務器端數(shù)據(jù)有無變化，都向服務器端定期取數(shù)據(jù)），這不但會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)、浪費服務器資源，而且每次建立或關閉新的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)布機制的服務器推送（Server Push）技術來解決此問題，在報警發(fā)生時向所有的訂閱用戶發(fā)布信息[7]。

無插件的服務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，通過服務器端和瀏覽器保持HTTP通信連接，在服務器端以事件驅(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[8]。

變電所主要有9種報警類型，如表2所示，每種報警類型對應的報警發(fā)生條件都不同，需設置不同的報警策略。

當監(jiān)測到跳閘、離線或某一參數(shù)超過門限時觸發(fā)相應的報警，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的報警策略和報警聯(lián)系人電話，并向預先設置的用戶終端發(fā)送報警信息。

管理人員收到報警信息之后，需進行相應的操作，以解除報警。若超過設置的報警重發(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。報警服務流程如下圖3所示。

表2 變電所報警類型定義

圖3 報警服務流程圖

4 結論

本文結合物聯(lián)網(wǎng)技術，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)四層架構的變電所監(jiān)測系統(tǒng)設計方案，實現(xiàn)了變電所低壓端參數(shù)的遠程實時監(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器推送方式，保證了報警的實時性。

目前該方案已應用于某校區(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)絡登入系統(tǒng)對變電所的運行情況進行監(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，降低了運行維護成本，達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、信息化校園建設提供科學決策和支持。本系統(tǒng)在遠程實時控制方面仍有待進一步完善，在下一步設計與產(chǎn)品研發(fā)中將改進。

本文編自《電氣技術》，標題為“基于物聯(lián)網(wǎng)架構的變電所參數(shù)監(jiān)測報警系統(tǒng)設計”，作者為俞曉華、欽道理 等。