電力監(jiān)控系統(tǒng)在多協(xié)議糧食港區(qū)中的設計與應用

張心志

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：針對目前各企業(yè)在建設配電系統(tǒng)過程中，使用不同廠家、多種型號的電力儀器與設備，導致通信協(xié)議不統(tǒng)一，升級改造和運營維護困難等問題。設計一種支持多協(xié)議的電力監(jiān)控系統(tǒng)，可接入不同廠家的電力儀表和設備，具有數(shù)據(jù)監(jiān)測、異常報警、數(shù)據(jù)分析處理、報表展示等功能。該系統(tǒng)方便相關人員操作與管理，實現(xiàn)配電系統(tǒng)的智能化監(jiān)控。該系統(tǒng)已在外高橋某港區(qū)中成功應用，節(jié)省了大量的人力物力，并保證了傳輸系統(tǒng)的可靠性。

關鍵詞：多協(xié)議轉換；電力監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集

0引言

      電力系統(tǒng)是關系到國家、民生的重要因素，由于電力系統(tǒng)的重要性決定了電力系統(tǒng)要盡可能地保證穩(wěn)定和安全運行，在遇到系統(tǒng)事故的時候要盡可能準確、迅速地解決問題，因此電力系統(tǒng)通信協(xié)議標準進行統(tǒng)一是未來電力系統(tǒng)發(fā)展的大趨勢，在電力資源監(jiān)控方面，電力監(jiān)控系統(tǒng)可靠、準確、高效地運行是達到這一目標的基礎和關鍵[1]。但是，現(xiàn)在在我國絕大多數(shù)的企業(yè)在建設電力監(jiān)控系統(tǒng)時，所用的已有電力儀器與設備的生產廠家與型號各不相同，導致數(shù)據(jù)的傳輸方式、采集頻率、通信協(xié)議、類型格式等各不相同，給電力系統(tǒng)的建設帶來很大的困難。如果簡單地更換統(tǒng)一基礎電力設備[2]，成本將會十分高昂，且很難覆蓋所有需要監(jiān)測的電力設備，也會對我國許多電力企業(yè)正常的生產經營造成很大的影響。

為解決以上問題，本文通過運用多協(xié)議轉換和數(shù)據(jù)融合處理等技術，設計一種支持多協(xié)議的電力監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測、異常報警、數(shù)據(jù)分析處理、報表展示等功能，并在外高橋某港區(qū)中成功進行了應用。應用實施過程中，涉及到智能電表、保護裝置、溫控器、直流屏等儀器設備，包含了施耐德、ABB、威勝等多個品牌，近10種不同型號，系統(tǒng)運行一年多功能穩(wěn)定，運行良好。

1關鍵技術研究

1.1數(shù)據(jù)融合處理

      隨著目前電網(wǎng)的規(guī)模的不斷擴大，電力數(shù)據(jù)也越來越多，通過傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理不能非常高效地解決電力數(shù)據(jù)處理的問題。另外，現(xiàn)在的電力設備都是采集自不同的國家和不同的廠商，型號都是不相同的，所以在采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)時，對數(shù)據(jù)需要先進行二次處理[3]，這樣就會給電力數(shù)據(jù)處理模塊帶來困難。

      本文研究一種直接基于電力對象(變壓器、斷路器、母線、負荷回路等)進行電力數(shù)據(jù)融合處理的方法，制定出了一套電力一次對象數(shù)據(jù)標準[4]。首先建立電力元數(shù)據(jù)模型，以電力設備為基本單元，針對所采集的不同信息源，從元模型庫中調用相應的元模型，進行統(tǒng)一變化、歸類與聚合，實現(xiàn)對電力對象信息(實時和非實時數(shù)據(jù))的加工轉換[5]，成為一個電力對象綜合信息節(jié)點。然后，根據(jù)對象之間的關系處理為對象信息樹，并進行按需訪問的控制與管理不同的電力數(shù)據(jù)。這樣對電力的處理進行統(tǒng)一地處理和讀取，后期會大大提升電力數(shù)據(jù)的處理效率。

1.2數(shù)據(jù)協(xié)議轉換

       目前，由于不同廠商設計出不同類型的電力設備，它們之間的通信協(xié)議都不相同，電力數(shù)據(jù)的格式和電力數(shù)據(jù)的含義也都不同，并且隨著電力數(shù)據(jù)規(guī)模的不斷擴展，電力產品的不斷更新替換，這給電力公司的管理和維護帶來很大的不便。所以電力系統(tǒng)需要對電力數(shù)據(jù)協(xié)議轉換來解決這些不統(tǒng)一的設備問題。通過對不同協(xié)議進行分類，再根據(jù)通信包中數(shù)據(jù)格式的重新定義和解析，將各種不同設備的協(xié)議數(shù)據(jù)轉換成規(guī)定好的統(tǒng)一格式的協(xié)議進行傳輸，可以根據(jù)需要進行擴展，兼容現(xiàn)有設備或加入更新設備。

2系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1系統(tǒng)架構

      本系統(tǒng)總體架構設計采用站控層、通信層和間隔層三層架構。在間隔層以485總線方式采集各種智能儀表與設備運行中的實時數(shù)據(jù)，經通信層的串口服務器、交換機等設備通過以太網(wǎng)傳輸?shù)秸究貙拥姆掌髋c監(jiān)控終端[6]，系統(tǒng)總體架構設計圖如圖1所示。系統(tǒng)總體架構中站控層主要負責服務器、監(jiān)控終端和一些硬件設備例如打印機設備。通信層主要是負責系統(tǒng)中的總體通信服務，包括交換機和一些串口服務器。間隔層主要是負責系統(tǒng)中的智能儀表與設備的管理。

圖1電力監(jiān)控系統(tǒng)圖

2.2協(xié)議轉化與數(shù)據(jù)融合

      多種采集設備與裝置協(xié)議解析轉換和異構數(shù)據(jù)的統(tǒng)一融合，是多協(xié)議電力系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)采集處理的難點。本系統(tǒng)采用一種可擴展的協(xié)議庫方式來解決這一問題，為每個不同協(xié)議的設備，編寫一套協(xié)議解析方法，以DLL文件的形式存放在協(xié)議庫中，使用時選擇調用對應設備的協(xié)議解析DLL，可方便地進行添加和維護。經過協(xié)議解析后的數(shù)據(jù)，根據(jù)建立的元數(shù)據(jù)模型，加工為結構規(guī)范、含義明確的數(shù)據(jù)供系統(tǒng)使用。圖2為協(xié)議數(shù)據(jù)轉換融合圖。

圖2協(xié)議數(shù)據(jù)轉換融合圖

2.3系統(tǒng)功能

     多協(xié)議電力監(jiān)控系統(tǒng)能夠對重要設備的運行狀態(tài)以及用能消耗過程進行集中監(jiān)視、管理和控制。系統(tǒng)總體框架包括實時監(jiān)測、統(tǒng) 計分析、異常報警、系統(tǒng)管理、實時采集、設備傳感網(wǎng)和能源信息七大部分，系統(tǒng)功能總體框架圖如圖3所示。

圖3系統(tǒng)功能框架圖

      多協(xié)議電力監(jiān)控系統(tǒng)中的實時監(jiān)測模塊主要就是實時監(jiān)測電力設備的電參量(電壓、電流、有功／無功功率、功率因素等)和運行開關量狀態(tài)等數(shù)據(jù)。以配電一次接線圖的形式直觀顯示各回路的實時電參量(電流／電壓)；當日24小時內的電壓、電流、有功／無功功率曲線圖；各線路合、分閘狀態(tài)，設備開關運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。另外，對實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)都會及時地記錄和保存，供報表模塊和今后查詢數(shù)據(jù)使用。多協(xié)議電力監(jiān)控系統(tǒng)中的報表統(tǒng)計模塊是對企業(yè)能源監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計與數(shù)據(jù)對比分析，實現(xiàn)企業(yè)用電力監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯總與統(tǒng)計，按需生成統(tǒng)計報表，并提供報表打印和文件導出功能，文件包括．xls、．xlsx和．txt等格式。另外，針對電參量統(tǒng)計數(shù)據(jù)還需要進行分析：提供回路的單一電參數(shù)、多參數(shù)的查詢、統(tǒng)計和對比分析(同／環(huán)比)。同時對于異常數(shù)據(jù)事件還需要進行另外的異常數(shù)據(jù)分析，具有對異常數(shù)據(jù)事件的需要及時地保存和備份，可以隨時進行異常數(shù)據(jù)查詢、回顧和打印異常數(shù)據(jù)事件。異常數(shù)據(jù)還需要對不同的時間段進行匯總和分析，防止有類似的事件發(fā)生。

在多協(xié)議電力監(jiān)控系統(tǒng)中的實時監(jiān)測模塊異常報警模塊中，主要通過分析系統(tǒng)的異常數(shù)據(jù)，如在系統(tǒng)范圍內發(fā)生越限預警(電壓、電流越限等)、變位預警、事故報警等需要引起運行生產人員、企業(yè)管理人員注意的情況時，系統(tǒng)能夠通過語音、窗口顯示、文字及數(shù)據(jù)變色等多種方式進行預／報警提示，并可根據(jù)需要對異常事件進行及時地數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)打印記錄，供運行生產人員和企業(yè)管理人員及時地排除生產事故，保障電力系統(tǒng)能夠正常安全的運行。另外，多協(xié)議電力監(jiān)控系統(tǒng)中的實時監(jiān)測模塊系統(tǒng)管理模塊主要提供一些基本的系統(tǒng)管理服務功能和對電力能源管理系統(tǒng)運行所需的基礎信息進行集中配置和管理，主要包括：電力系統(tǒng)預警閾值管理，對用能越限預／報警閾值進行配置與管理，系統(tǒng)權限管理和對整個系統(tǒng)進行安全保護措施。不同級別的操作人員對系統(tǒng)具有不同的使用權限和范圍，避免越權操作。不同的用戶需要進行不同操作管理，每一個用戶配置的操作權限也不相同。

另外，在多協(xié)議電力監(jiān)控系統(tǒng)中的實時監(jiān)測模塊異常報警模塊中，設備傳感網(wǎng)作為整個系統(tǒng)的*底層，也是系統(tǒng)*為核心的基礎模塊。這些傳感網(wǎng)需要及時地從供電系統(tǒng)中采集能耗信息數(shù)據(jù)，用于監(jiān)控和分析系統(tǒng)的運行狀況，是所有系統(tǒng)數(shù)據(jù)的來源，所以設備傳感網(wǎng)的基本運行是保障電力監(jiān)控系統(tǒng)安全運行的*重要的基礎。同時，在能源信息實時采集模塊中，系統(tǒng)通過有線的方式可對系統(tǒng)各節(jié)點的電參量數(shù)據(jù)進行及時地采集，采集的數(shù)據(jù)包括：電壓、電流、有功／無功功率、有功電度、功率因素、頻率以及開關量信號等，經過邏輯計算和處理后，存儲至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，供后續(xù)數(shù)據(jù)分析與處理。采集到的數(shù)據(jù)是系統(tǒng)中*初始的源數(shù)據(jù)，后期進行數(shù)據(jù)分析都是需要基于這些采集到的*初始的源數(shù)據(jù)進行的。對于這些*初始的源數(shù)據(jù)也需要及時保存和記錄，這樣可以提供給后面數(shù)據(jù)對比分析。

3多協(xié)議電力監(jiān)控系統(tǒng)的應用

      本系統(tǒng)在外高橋某港區(qū)進行了應用，自2017年正式投入運行以來，已順利運行1年多。系統(tǒng)實施過程中，涉及到智能電表、保護裝置、溫控器、直流屏等儀器設備，包含了施耐德、ABB、威勝等多個品牌，近10種不同型號，滿足了港區(qū)供配電系統(tǒng)的能源監(jiān)控管理需求，實現(xiàn)了實時在線監(jiān)測、異常預警和統(tǒng)計分析等功能，確保港區(qū)供配電系統(tǒng)安全、經濟、合理運行，得到了業(yè)主及運營單位的好評。電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡實際的結構圖如圖4所示。

圖4電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡實際的結構圖

       本系統(tǒng)在設計網(wǎng)絡結構時，考慮到不同變電模塊之間的配電處理都是獨立的模塊，一旦出現(xiàn)模塊異常，不能及時處理異常會對系統(tǒng)的總體運行產生一定的影響。所以為了保障電力模塊處于正常的運轉狀態(tài)，就需要設計總的控制室對所有的變電模塊進行監(jiān)控，當某一個變電模塊出現(xiàn)問題時，總的控制室就需要通知相對應的維護部門去對有問題的變電模塊進行維修，保障電力系統(tǒng)正常的運轉。具體的電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡實際的結構圖如圖5所示。

圖5電力監(jiān)控系統(tǒng)控制模塊圖

        本系統(tǒng)在處理不同模塊之間數(shù)據(jù)時，是基于多個不同模塊來操作運行的，所以需要設計一個總體的控制處理模塊對數(shù)據(jù)進行處理。系統(tǒng)總體的控制模塊就是分為四個模塊來處理數(shù)據(jù)，分別是現(xiàn)場參數(shù)傳遞子模塊、現(xiàn)場狀態(tài)判斷子模塊、顯示和控制參數(shù)接受子模塊和現(xiàn)場報警驅動子模塊?，F(xiàn)場參數(shù)傳遞子模塊主要負責現(xiàn)場電力儀表和電力設備傳遞數(shù)據(jù)的功能。現(xiàn)場狀態(tài)判斷子模塊主要根據(jù)電力參數(shù)判斷當前系統(tǒng)狀態(tài)、調動模塊，并且把數(shù)據(jù)進行處理和保存。顯示和控制參數(shù)接受子模塊主要負責系統(tǒng)模塊與上位機的數(shù)據(jù)通信和顯示功能。這樣可以方便工作人員準確地對系統(tǒng)工作狀態(tài)進行合理地數(shù)據(jù)分析和異常分析。系統(tǒng)報警驅動子模塊主要負責與報警裝置進行數(shù)據(jù)通信，對異常的數(shù)據(jù)信息需要及時地通過系統(tǒng)報警驅動子模塊進行異常報警。這樣總控室可以及時地發(fā)現(xiàn)異常報警信息，并且維護部門也可以通過報警驅動子模塊及時地發(fā)現(xiàn)哪一個變電模塊發(fā)現(xiàn)異常，去對應的變電模塊核查并解決異常，保證電力系統(tǒng)正?？煽康倪M行運轉。

*后，電力系統(tǒng)的通信模塊是系統(tǒng)運行的核心模塊，由于所有數(shù)據(jù)都是依靠通信模塊進行工作和運轉的，所以需要保證通信模塊正常合理的工作。本系統(tǒng)中采用了一類*新結構的分布控制系統(tǒng)來保障系統(tǒng)的正常運行。作為電力系統(tǒng)通信模塊，模塊之間通過寬帶和窄帶網(wǎng)絡進行網(wǎng)絡通信，可在很廣的地域內應用。通過現(xiàn)場總線進行通信數(shù)據(jù)傳輸，電力系統(tǒng)可與現(xiàn)場智能儀表進行正常的通信和操作。而且本通信模塊具有開放的系統(tǒng)互連和具有互操作性的系統(tǒng)模塊，這可以及時解決電力系統(tǒng)中的通信問題。

系統(tǒng)實施過程中，涉及到智能電表、保護裝置、溫控器、直流屏等儀器設備，包含了施耐德、ABB、威勝等多個品牌，近10種不同型號，圖6為部分現(xiàn)場設備。

圖6現(xiàn)場設備

表1列舉了項目中涉及的所有設備型號與安裝分布位置。

表1采集設備分布表

現(xiàn)場儀器設備通過485、以太網(wǎng)等通信方式，集中安放在各個變／配電站的通信集中器上，通過光纖將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端服務器上進行處理，圖7為分站通信設備，圖8為終端通信處理設備。

圖7分站通信設備

圖8終端通信處理設備

1)一次系統(tǒng)圖展示。2個總配電站和10個分配電站的一次回路系統(tǒng)，如圖9所示。每個回路顯示測控該回路設備的在線／離線狀態(tài)，以及斷路器開關的閉合狀態(tài)與每個回路的實時電參數(shù)(電壓、電流等)。

圖9一次系統(tǒng)界面顯示圖

2)實時／歷史數(shù)據(jù)與曲線。從一次系統(tǒng)圖上點擊相應的回路，可進入具體回路信息界面，該界面可以查看各項實時／歷史電參數(shù)(三相電壓、三相電流、功率、頻率、功率因數(shù)、電能等)、該回路繼保設備上測控的運行狀態(tài)與報警信號以及顯示一段時間內的線電壓／電流／功率的曲線圖，如圖10所示。

圖10實時數(shù)據(jù)與曲線圖

3)設備運行數(shù)據(jù)與狀態(tài)顯示。從一次系統(tǒng)圖上點擊相應的設備名稱后，進入設備運行數(shù)據(jù)與狀態(tài)顯示界面，如圖11所示。該界面可以查看關鍵設備，如直流屏、變壓器等的實時運行數(shù)據(jù)(各類電參數(shù)、環(huán)境溫度等)、工作狀態(tài)與異常報警信息。

圖11設備運行數(shù)據(jù)與狀態(tài)顯示界面

4)能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計。進入回路信息界面后，可選擇查看該回路的能耗統(tǒng)計報表，如圖12所示。對企業(yè)能源監(jiān)測數(shù)據(jù)進行匯總統(tǒng)計與對比分析，提供回路的單一電參數(shù)、多參數(shù)的查詢、統(tǒng)計和對比分析(同／環(huán)比)。實現(xiàn)企業(yè)用能數(shù)據(jù)的匯總與統(tǒng)計，按需生成統(tǒng)計報表，并提供報表打印和文件導出功能(．xls、．xlsx或．txt等格式)。

圖12能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表

5)告警查詢。在回路信息界面，可根據(jù)告警類型、起始結束時間等條件，選擇查看該回路相關的告警統(tǒng)計信息，如圖13所示，并提供報表打印和文件導出功能(．xls、．xlsx或．txt等格式)。

圖13告警查詢報表

4安科瑞電力監(jiān)控解決方案

4.1概述

      針對用戶變電站（一般為35kV及以下電壓等級），通過微機保護裝置、開關柜綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產品、電能質量在線監(jiān)測裝置、配電室環(huán)境監(jiān)控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動化的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了變電、配電、用電的安全運行和全面管理。監(jiān)控范圍包括用戶變電站、開閉所、變電所及配電室等。

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)是安科瑞電氣股份有限公司根據(jù)電力系統(tǒng)自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發(fā)出的一套分層分布式變電站監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是應用電力自動化技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術和信息傳輸技術，集保護、監(jiān)測、控制、通信等功能于一體的開放式、網(wǎng)絡化、單元化、組態(tài)化的系統(tǒng)，適用于35kV及以下電壓等級的城網(wǎng)、農網(wǎng)變電站和用戶變電站，可實現(xiàn)對變電站的控制和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為變電站安全、穩(wěn)定、經濟運行提供了堅實的保障。

4.2應用場所

適用于軌道交通，工業(yè)，建筑，學校，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統(tǒng)工程設計、施工和運行維護。

4.3系統(tǒng)架構

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡通信層和現(xiàn)場設備層，組網(wǎng)方式可為標準網(wǎng)絡結構、光纖星型網(wǎng)絡結構、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡結構，根據(jù)用戶用電規(guī)模、用電設備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。

4.4系統(tǒng)功能

（1）實時監(jiān)測：直觀顯示配電網(wǎng)的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路有關故障、告警等信號。

（2）電參量查詢：在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細電參量。

（3）曲線查詢：可以直接查看各電參量曲線。

（4）運行報表：查詢各回路或設備特定時間的運行參數(shù)。

（5）實時告警：具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠對配電回路遙信變位，保護動作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。

（6）歷史事件查詢：對事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

（7）電能統(tǒng)計報表：系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況。

（8）用戶權限管理：設置了用戶權限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。

（9）網(wǎng)絡拓撲圖：支持實時監(jiān)視并診斷各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結構。

（10）電能質量監(jiān)測：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測。

（11）遙控功能：可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的設備進行遠程遙控操作。

（12）故障錄波：可在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況。

（13）事故追憶：可自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時穩(wěn)態(tài)信息。

（14）Web訪問：展示頁面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息，設備通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。

（15）APP訪問：設備數(shù)據(jù)頁面顯示各設備的電參量數(shù)據(jù)以及曲線。

4.5系統(tǒng)硬件配置

5結束語

       本文設計的基于多協(xié)議的電力監(jiān)控系統(tǒng)，通過數(shù) 據(jù)協(xié)議轉換與數(shù)據(jù)融合處理技術，解決了不同設備間 多協(xié)議數(shù)據(jù)的采集與處理問題，具有較高的實用性可 擴展性，同時避免了更換設備的費用，減少了系統(tǒng)維護 成本，滿足經濟性和易維護性的要求。該系統(tǒng)已在某 港區(qū)進行了應用，且經過長時間的運行驗證，證明了系 統(tǒng)的可靠性。

參考文獻

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[5] 鄧文佶.一種基于多協(xié)議的糧食港區(qū)電力監(jiān)控系統(tǒng)的設計與應用.

[6] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)應用手冊2020.06版.

作者簡介

       張心志，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。