基于物联网架构的变电所参数监测报警系统设计

　　10kV变电所低压配电系统位于电力系统的末端，是最终面向用户的配电网络，直接与用户设备相连，为用户设备供应、分配电能，它的运行情况与区域内的生产、生活息息相关。长期以来由于电力行业重视发电、轻视配电、不管用电，导致低压配电网络的智能化、信息化水平发展较慢。采用人工抄表的方式工作量大，对紧急情况反映不及时，早以不能满足现代化监管要求;而采用现场设备层和过程监控层两层结构的现场监测方式，虽然数据传输具有一定的实时性，数据吞吐量较大，但一般只能实现本地监管的功能，离开现场就无法获取实时的监测信息;文献中所述的数据采集与监控(SCADA)系统虽然技术比较成熟，但这类系统比较庞大，投资规模大、建设复杂，主要应用于大型的电力调度自动化方面，而对于小型变电所配电系统则不太适用;文献中所述的GPRS方式，虽然减少了系统布线，但是这种无线方式是收费的，存在着传输数据量小，数据传输容易丢失的问题。

　　物联网技术作为一种新型技术体系，自被提出以来，已经在众多领域得到了应用。本文结合物联网技术特点，针对10kV变电所低压配电系统提出了一种基于物联网四层架构的变电所参数监测系统设计方案，通过网关将变电所底层信息传感设备网络和互联网结合起来形成一个巨大的智能网络，从而实现人与物的沟通和对话。本文分层介绍了每一层的功能结构，对系统功能模块进行设计，在实时报警模块上采用了无插件的Server Push方式以保证报警的实时性，实现了变电所的远程监测和管理。

　　1.系统整体设计

　　根据物联网的四层架构体系，系统由下至上分别由感知层、传输层、服务层、应用层构成，其结构如图1所示。

图1 基于物联网架构的变电所监测系统结构图

　　感知层主要获取变电所低压端参数信息。10kV变电所低压端设备主要有变压器、次总开关、电容柜、出线柜等，分别安装有不同的监测仪表，它们主要监测的参数如表1所示。这些仪表均提供统一的RS485接口，通过Modbus总线与上层网关相连。由于本系统的通信数据量大，且数据大都为二进制数值，因此，采用Modbus RTU的通信方式，一个Modbus RTU帧最大为256字节。

　　表1 变电所低压端设备参数表

　　传输层主要对感知层参数信息进行接入和传输，该层的主要设备为网关，网关具有较强的硬件支撑，是系统上下层信息交换的枢纽。它向下通过Modbus总线与终端监测设备相连，向上通过以太网接口连接Internet。网关的主要仕务就是实现上下两种网络数据包格式的转换。如果接收到的Modbus数据包为紧急类型的信息，如异常报警信息，则马上转换成以太网帧;而一般数据则等待后续数据包到来后组合成一个以太网帧上传。

　　服务层主要对大量的数据进行处理、存储，为上层实际应用建立了一个高效、可靠的技术支撑平台，服务层的主要设备包括WEB服务器和数据库服务器。Web服务器完成与网关的通信、数据采集、数据解析、数据保存工作，并向客户端提供Web服务。数据库服务器用于存放变电所的监测数据、报警记录、操作信息等，这些数据分别保存在数据库的不同表单中，它是变电所实时监测数据显示、报表打印等的数据来源。系统数据存储分本地数据中心和通过公有云存储接口连接的远程大数据中心。

　　私有数据保存于本地数据中心，而公共数据则存储至远程大数据中心。通过这样保证了海量数据的高并发性访问及存储，可大幅减轻本地数据中心存储数据的压力，又可使公共大数据及非敏感数据对第三方开放，系统提供公共数据访问接口。系统后台支持数据建模、内建数据库存储模板及数据智能调度服务。

　　应用层的设计主要面向用户，解决用户端信息处理和人机交互的问题，利用经过分析处理的感知数据，为用户提供丰富的应用功能。

　　2.系统功能模块介绍

　　该系统主要有实时监测、参数分析、数据报表、异常报警、系统管理等功能模块，如图2所示。系统采用B/S网络结构模式，远程用户通过电脑、平板、手机等终端的浏览器就可以登录系统进行监管。

图2 变电所监测系统用户功能模块框图

　　2.1 系统管理

　　系统管理模块可以查看变电所以及变电所内监测仪表、数据网关等设备的基本信息。也可以对系统用户权限进行管理。普通用户只能查看基本的监测信息，管理员用户可以进行相应的操作，如打印报表、设置报警策、排班管理等。此外，还具有设备管理功能，可以查看设备状态信息、修改设备模板，添加登记设备等。

　　2.2 实时监测

　　系统主要通过变电所地图、变电所系统框图(包括模拟屏监控、变电所监控柜)这几种图形化的界面为用户提供变电所直观的监测信息。

　　变电所地图可以直观的看到区域内各主次变电所的分布情况。用户通过鼠标操作就可以选择查看区域内某个变电所内主、备供变压器、次总等主要参数的实时更新显示。

　　变电所系统框图即变电所供电关系总图，描述了变电所主、备供电线路、开闭所、主次变电所之间的关系。通过系统框图可以穿透链接到相应变电所模拟屏、变电所柜图，系统框图还可以动态提示各个变电所的主要参数和运行数据。变电所模拟屏、柜图即通过模拟屏或者柜图的形式将变电所各类监测仪表的主要数据以及线路开关闭合、断开状态显示在相应图形界面上。

　　2.3 参数分析

　　操作人员可以从变电所管理树查看相应设备的实时参数信息以及参数的变化曲线。同时系统还提供以下两方面数据作为变电所运行状况诊断的分析依据。

　　1)根据不同树节点可以显示变电所当前运行状况，仪表及回路基本信息。并将定时采集的参数生成变电所参数的趋势图、对比趋势图。系统可设置取样时间间隔为5min、15min、30min、lh等。操作人员可根据选择的时问段、参数对想要查看的参数信息进行对比分析。

　　2)对变电所电能质量和电能可靠性状况进行持续的监测;实时监视各个变电所次总、和分回路谐波含量，电压闪变、扰动，频率偏差，不平衡度，功率因数等电能质量问题。

　　2.4 数据报表

　　该功能主要是对监测参数进行统计，并根据要求的格式生成报表。报表功能分为参数报表、电量报表。参数报表允许操作人员按时间段查询变电所任一设备的运行参数;电量报表允许操作人员按需要查询任一主次变电所的年报表、月报表、日报表等。通过导出功能可以将查询内容导入到本地计算机中，供操作人员查看。

　　2.5 异常报警

　　1)预警管理

　　系统设计了系统报警、短信报警、声光报警三种报警方式，以保证报警信息能及时传达给变电所管理人员。系统报警是在与服务器连接的浏览器上以弹出窗口的方式通知值班及管理人员;短信报警是通过手机短信及时将报警信息发送给报警联系人;声光报警是通过安装于变电所内部声光报警器来报警。用户登录系统之后可以对报警策略、报警重发时间、报警联系人通讯录等进行设置。

　　2)报警处理

　　报警处理即系统后台对报警发生后数据的处理。主要有新增报警、消除报警以及删除报警的业务处理。

　　3)历史报警

　　当报警解除之后，报警信息自动存入历史报警数据库中，包括报警发生日期、时间、编号、报警类型、报警描述等信息。通过历史报警功能，用户可随时查看、下载、打印所有历史报警信息。

　　3.报警模块设计

　　报警模块为变电所稳定运行提供保障，在整个系统中具有至关重要的地位。实时报警信息不同于一般的实时数据，其实时性要求更高，如果采用一般的轮询(Polling)技术不断刷新页面来获取报警信息(即无论服务器端数据有无变化，都向服务器端定期取数据)，这不但会产生大量数据、浪费服务器资源，而且每次建立或关闭新的HTTP连接都有一定的延迟，这种延迟将大大的影响报警实时性。因此采用了基于订阅/发布机制的服务器推送(Server Push)技术来解决此问题，在报警发生时向所有的订阅用户发布信息。

　　无插件的服务器推送方式既不需要客户端周期性的轮询，也不需要在浏览器里安装任何插件，通过服务器端和浏览器保持HTTP通信连接，在服务器端以事件驱动方式主动向客户端推送数据，实现数据的实时刷新。

　　变电所主要有9种报警类型，如表2所示，每种报警类型对应的报警发生条件都不同，需设置不同的报警策略。当监测到跳闸、离线或某一参数超过门限时触发相应的报警，报警接口程序接收到变电所报警信息之后，从报警策略表中获取该报警类型对应的报警策略和报警联系人电话，并向预先设置的用户终端发送报警信息。管理人员收到报警信息之后，需进行相应的操作，以解除报警。若超过设置的报警重发时间后报警仍未解除，系统则会重新发送报警信息。消警之后报警信息存入历史报警库中。报警服务流程如图3所示。

　　表2 变电所报警类型定义

图3 报警服务流程图

　　4.结论

　　本文结合物联网技术，提出了一种基于物联网四层架构的变电所监测系统设计方案，实现了变电所低压端参数的远程实时监测、参数分析、数据报表、异常报警等功能。其中异常报警模块采用了无插件的服务器推送方式，保证了报警的实时性。目前该方案已应用于某校区变电所的监测中，项目包括8个主变和22个副变，采用主备供电方式。项目建成之前，该校区变电所主要采用人工巡检的方式，每天需安排多名值班人员轮流巡检，人力成本高，每年光人工费用就需要几百万，而且容易出现漏检、错误记录、故障处置不及时等问题，存在重大隐患。项目建成后，变电所基本实现无人值守，管理人员无论何时何地都可以通过网络登入系统对变电所的运行情况进行监测和管理。通过多种报警方式，故障信息能及时传递给管理人员，大大缩短了故障处理时间，节省上百万开支。该系统提升了变电所的供电保障，降低了运行维护成本，达到了减员增效的目的，同时该系统作为该校能源监管平台的一个子系统，结合其他水、电、路灯、空调节能管理系统，将大数据互相融合、智能分析，为节约型、智能化、信息化校园建设提供科学决策和支持。本系统在远程实时控制方面仍有待进一步完善，在下一步设计与产品研发中将改进。