電力監控系統在多協(xié)議糧食港區中的設計與應用

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)在建設配電系統過(guò)程中，使用不同廠(chǎng)家、多種型號的電力儀器與設備，導致通信協(xié)議不統一，升級改造和運營(yíng)維護困難等問(wèn)題。設計一種支持多協(xié)議的電力監控系統，可接入不同廠(chǎng)家的電力儀表和設備，具有數據監測、異常報警、數據分析處理、報表展示等功能。該系統方便相關(guān)人員操作與管理，實(shí)現配電系統的智能化監控。該系統已在外高橋某港區中成功應用，節省了大量的人力物力，并保證了傳輸系統的可靠性。

關(guān)鍵詞：多協(xié)議轉換；電力監控系統；數據采集

0引言

      電力系統是關(guān)系到國家、民生的重要因素，由于電力系統的重要性決定了電力系統要盡可能地保證穩定和安全運行，在遇到系統事故的時(shí)候要盡可能準確、迅速地解決問(wèn)題，因此電力系統通信協(xié)議標準進(jìn)行統一是未來(lái)電力系統發(fā)展的大趨勢，在電力資源監控方面，電力監控系統可靠、準確、高效地運行是達到這一目標的基礎和關(guān)鍵[1]。但是，現在在我國絕大多數的企業(yè)在建設電力監控系統時(shí)，所用的已有電力儀器與設備的生產(chǎn)廠(chǎng)家與型號各不相同，導致數據的傳輸方式、采集頻率、通信協(xié)議、類(lèi)型格式等各不相同，給電力系統的建設帶來(lái)很大的困難。如果簡(jiǎn)單地更換統一基礎電力設備[2]，成本將會(huì )十分高昂，且很難覆蓋所有需要監測的電力設備，也會(huì )對我國許多電力企業(yè)正常的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)造成很大的影響。

為解決以上問(wèn)題，本文通過(guò)運用多協(xié)議轉換和數據融合處理等技術(shù)，設計一種支持多協(xié)議的電力監控系統，實(shí)現數據監測、異常報警、數據分析處理、報表展示等功能，并在外高橋某港區中成功進(jìn)行了應用。應用實(shí)施過(guò)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(gè)品牌，近10種不同型號，系統運行一年多功能穩定，運行良好。

1關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1數據融合處理

      隨著(zhù)目前電網(wǎng)的規模的不斷擴大，電力數據也越來(lái)越多，通過(guò)傳統的數據采集處理不能非常高效地解決電力數據處理的問(wèn)題。另外，現在的電力設備都是采集自不同的國家和不同的廠(chǎng)商，型號都是不相同的，所以在采集數據和處理數據時(shí)，對數據需要先進(jìn)行二次處理[3]，這樣就會(huì )給電力數據處理模塊帶來(lái)困難。

      本文研究一種直接基于電力對象(變壓器、斷路器、母線(xiàn)、負荷回路等)進(jìn)行電力數據融合處理的方法，制定出了一套電力一次對象數據標準[4]。首先建立電力元數據模型，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(jìn)行統一變化、歸類(lèi)與聚合，實(shí)現對電力對象信息(實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數據)的加工轉換[5]，成為一個(gè)電力對象綜合信息節點(diǎn)。然后，根據對象之間的關(guān)系處理為對象信息樹(shù)，并進(jìn)行按需訪(fǎng)問(wèn)的控制與管理不同的電力數據。這樣對電力的處理進(jìn)行統一地處理和讀取，后期會(huì )大大提升電力數據的處理效率。

1.2數據協(xié)議轉換

       目前，由于不同廠(chǎng)商設計出不同類(lèi)型的電力設備，它們之間的通信協(xié)議都不相同，電力數據的格式和電力數據的含義也都不同，并且隨著(zhù)電力數據規模的不斷擴展，電力產(chǎn)品的不斷更新替換，這給電力公司的管理和維護帶來(lái)很大的不便。所以電力系統需要對電力數據協(xié)議轉換來(lái)解決這些不統一的設備問(wèn)題。通過(guò)對不同協(xié)議進(jìn)行分類(lèi)，再根據通信包中數據格式的重新定義和解析，將各種不同設備的協(xié)議數據轉換成規定好的統一格式的協(xié)議進(jìn)行傳輸，可以根據需要進(jìn)行擴展，兼容現有設備或加入更新設備。

2系統設計與實(shí)現

2.1系統架構

      本系統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(xiàn)方式采集各種智能儀表與設備運行中的實(shí)時(shí)數據，經(jīng)通信層的串口服務(wù)器、交換機等設備通過(guò)以太網(wǎng)傳輸到站控層的服務(wù)器與監控終端[6]，系統總體架構設計圖如圖1所示。系統總體架構中站控層主要負責服務(wù)器、監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中的總體通信服務(wù)，包括交換機和一些串口服務(wù)器。間隔層主要是負責系統中的智能儀表與設備的管理。

圖1電力監控系統圖

2.2協(xié)議轉化與數據融合

      多種采集設備與裝置協(xié)議解析轉換和異構數據的統一融合，是多協(xié)議電力系統平臺數據采集處理的難點(diǎn)。本系統采用一種可擴展的協(xié)議庫方式來(lái)解決這一問(wèn)題，為每個(gè)不同協(xié)議的設備，編寫(xiě)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(shí)選擇調用對應設備的協(xié)議解析DLL，可方便地進(jìn)行添加和維護。經(jīng)過(guò)協(xié)議解析后的數據，根據建立的元數據模型，加工為結構規范、含義明確的數據供系統使用。圖2為協(xié)議數據轉換融合圖。

圖2協(xié)議數據轉換融合圖

2.3系統功能

     多協(xié)議電力監控系統能夠對重要設備的運行狀態(tài)以及用能消耗過(guò)程進(jìn)行集中監視、管理和控制。系統總體框架包括實(shí)時(shí)監測、統 計分析、異常報警、系統管理、實(shí)時(shí)采集、設備傳感網(wǎng)和能源信息七大部分，系統功能總體框架圖如圖3所示。

圖3系統功能框架圖

      多協(xié)議電力監控系統中的實(shí)時(shí)監測模塊主要就是實(shí)時(shí)監測電力設備的電參量(電壓、電流、有功／無(wú)功功率、功率因素等)和運行開(kāi)關(guān)量狀態(tài)等數據。以配電一次接線(xiàn)圖的形式直觀(guān)顯示各回路的實(shí)時(shí)電參量 (電流／電壓)；當日24小時(shí)內的電壓、電流、有功／無(wú)功功率曲線(xiàn)圖；各線(xiàn)路合、分閘狀態(tài)，設備開(kāi)關(guān)運行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監測。另外，對實(shí)時(shí)監測的數據都會(huì )及時(shí)地記錄和保存，供報表模塊和今后查詢(xún)數據使用。多協(xié)議電力監控系統中的報表統計模塊是對企業(yè)能源監測數據進(jìn)行數據匯總統計與數據對比分析，實(shí)現企業(yè)用電力監測數據的匯總與統計，按需生成統計報表，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，針對電參量統計數據還需要進(jìn)行分析：提供回路的單一電參數、多參數的查詢(xún)、統計和對比分析(同／環(huán)比)。同時(shí)對于異常數據事件還需要進(jìn)行另外的異常數據分析，具有對異常數據事件的需要及時(shí)地保存和備份，可以隨時(shí)進(jìn)行異常數據查詢(xún)、回顧和打印異常數據事件。異常數據還需要對不同的時(shí)間段進(jìn)行匯總和分析，防止有類(lèi)似的事件發(fā)生。

在多協(xié)議電力監控系統中的實(shí)時(shí)監測模塊異常報警模塊中，主要通過(guò)分析系統的異常數據，如在系統范圍內發(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(chǎn)人員、企業(yè)管理人員注意的情況時(shí)，系統能夠通過(guò)語(yǔ)音、窗口顯示、文字及數據變色等多種方式進(jìn)行預／報警提示，并可根據需要對異常事件進(jìn)行及時(shí)地數據記錄和數據打印記錄，供運行生產(chǎn)人員和企業(yè)管理人員及時(shí)地排除生產(chǎn)事故，保障電力系統能夠正常安全的運行。另外，多協(xié)議電力監控系統中的實(shí)時(shí)監測模塊系統管理模塊主要提供一些基本的系統管理服務(wù)功能和對電力能源管理系統運行所需的基礎信息進(jìn)行集中配置和管理，主要包括：電力系統預警閾值管理，對用能越限預／報警閾值進(jìn)行配置與管理，系統權限管理和對整個(gè)系統進(jìn)行安全保護措施。不同級別的操作人員對系統具有不同的使用權限和范圍，避免越權操作。不同的用戶(hù)需要進(jìn)行不同操作管理，每一個(gè)用戶(hù)配置的操作權限也不相同。

另外，在多協(xié)議電力監控系統中的實(shí)時(shí)監測模塊異常報警模塊中，設備傳感網(wǎng)作為整個(gè)系統的*底層，也是系統*為核心的基礎模塊。這些傳感網(wǎng)需要及時(shí)地從供電系統中采集能耗信息數據，用于監控和分析系統的運行狀況，是所有系統數據的唯一來(lái)源，所以設備傳感網(wǎng)的基本運行是保障電力監控系統安全運行的*重要的基礎。同時(shí)，在能源信息實(shí)時(shí)采集模塊中，系統通過(guò)有線(xiàn)的方式可對系統各節點(diǎn)的電參量數據進(jìn)行及時(shí)地采集，采集的數據包括：電壓、電流、有功／無(wú)功功率、有功電度、功率因素、頻率以及開(kāi)關(guān)量信號等，經(jīng)過(guò)邏輯計算和處理后，存儲至系統數據庫中，供后續數據分析與處理。采集到的數據是系統中*初始的源數據，后期進(jìn)行數據分析都是需要基于這些采集到的*初始的源數據進(jìn)行的。對于這些*初始的源數據也需要及時(shí)保存和記錄，這樣可以提供給后面數據對比分析。

3多協(xié)議電力監控系統的應用

      本系統在外高橋某港區進(jìn)行了應用，自2017年正式投入運行以來(lái)，已順利運行1年多。系統實(shí)施過(guò)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(gè)品牌，近10種不同型號，滿(mǎn)足了港區供配電系統的能源監控管理需求，實(shí)現了實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測、異常預警和統計分析等功能，確保港區供配電系統安全、經(jīng)濟、合理運行，得到了業(yè)主及運營(yíng)單位的好評。電力監控系統網(wǎng)絡(luò )實(shí)際的結構圖如圖4所示。

圖4電力監控系統網(wǎng)絡(luò )實(shí)際的結構圖

       本系統在設計網(wǎng)絡(luò )結構時(shí)，考慮到不同變電模塊之間的配電處理都是獨立的模塊，一旦出現模塊異常，不能及時(shí)處理異常會(huì )對系統的總體運行產(chǎn)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(jìn)行監控，當某一個(gè)變電模塊出現問(wèn)題時(shí)，總的控制室就需要通知相對應的維護部門(mén)去對有問(wèn)題的變電模塊進(jìn)行維修，保障電力系統正常的運轉。具體的電力監控系統網(wǎng)絡(luò )實(shí)際的結構圖如圖5所示。

圖5電力監控系統控制模塊圖

        本系統在處理不同模塊之間數據時(shí)，是基于多個(gè)不同模塊來(lái)操作運行的，所以需要設計一個(gè)總體的控制處理模塊對數據進(jìn)行處理。系統總體的控制模塊就是分為四個(gè)模塊來(lái)處理數據，分別是現場(chǎng)參數傳遞子模塊、現場(chǎng)狀態(tài)判斷子模塊、顯示和控制參數接受子模塊和現場(chǎng)報警驅動(dòng)子模塊?，F場(chǎng)參數傳遞子模塊主要負責現場(chǎng)電力儀表和電力設備傳遞數據的功能?，F場(chǎng)狀態(tài)判斷子模塊主要根據電力參數判斷當前系統狀態(tài)、調動(dòng)模塊，并且把數據進(jìn)行處理和保存。顯示和控制參數接受子模塊主要負責系統模塊與上位機的數據通信和顯示功能。這樣可以方便工作人員準確地對系統工作狀態(tài)進(jìn)行合理地數據分析和異常分析。系統報警驅動(dòng)子模塊主要負責與報警裝置進(jìn)行數據通信，對異常的數據信息需要及時(shí)地通過(guò)系統報警驅動(dòng)子模塊進(jìn)行異常報警。這樣總控室可以及時(shí)地發(fā)現異常報警信息，并且維護部門(mén)也可以通過(guò)報警驅動(dòng)子模塊及時(shí)地發(fā)現哪一個(gè)變電模塊發(fā)現異常，去對應的變電模塊核查并解決異常，保證電力系統正?？煽康倪M(jìn)行運轉。

*后，電力系統的通信模塊是系統運行的核心模塊，由于所有數據都是依靠通信模塊進(jìn)行工作和運轉的，所以需要保證通信模塊正常合理的工作。本系統中采用了一類(lèi)*新結構的分布控制系統來(lái)保障系統的正常運行。作為電力系統通信模塊，模塊之間通過(guò)寬帶和窄帶網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )通信，可在很廣的地域內應用。通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行通信數據傳輸，電力系統可與現場(chǎng)智能儀表進(jìn)行正常的通信和操作。而且本通信模塊具有開(kāi)放的系統互連和具有互操作性的系統模塊，這可以及時(shí)解決電力系統中的通信問(wèn)題。

系統實(shí)施過(guò)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(gè)品牌，近10種不同型號，圖6為部分現場(chǎng)設備。

圖6現場(chǎng)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

現場(chǎng)儀器設備通過(guò)485、以太網(wǎng)等通信方式，集中安放在各個(gè)變／配電站的通信集中器上，通過(guò)光纖將采集數據傳輸到終端服務(wù)器上進(jìn)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)一次系統圖展示。2個(gè)總配電站和10個(gè)分配電站的一次回路系統，如圖9所示。每個(gè)回路顯示測控該回路設備的在線(xiàn)／離線(xiàn)狀態(tài)，以及斷路器開(kāi)關(guān)的閉合狀態(tài)與每個(gè)回路的實(shí)時(shí)電參數(電壓、電流等)。

圖9一次系統界面顯示圖

2)實(shí)時(shí)／歷史數據與曲線(xiàn)。從一次系統圖上點(diǎn)擊相應的回路，可進(jìn)入具體回路信息界面，該界面可以查看各項實(shí)時(shí)／歷史電參數(三相電壓、三相電流、功率、頻率、功率因數、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(shí)間內的線(xiàn)電壓／電流／功率的曲線(xiàn)圖，如圖10所示。

圖10實(shí)時(shí)數據與曲線(xiàn)圖

3)設備運行數據與狀態(tài)顯示。從一次系統圖上點(diǎn)擊相應的設備名稱(chēng)后，進(jìn)入設備運行數據與狀態(tài)顯示界面，如圖11所示。該界面可以查看關(guān)鍵設備，如直流屏、變壓器等的實(shí)時(shí)運行數據(各類(lèi)電參數、環(huán)境溫度等)、工作狀態(tài)與異常報警信息。

圖11設備運行數據與狀態(tài)顯示界面

4)能耗數據統計。進(jìn)入回路信息界面后，可選擇查看該回路的能耗統計報表，如圖12所示。對企業(yè)能源監測數據進(jìn)行匯總統計與對比分析，提供回路的單一電參數、多參數的查詢(xún)、統計和對比分析(同／環(huán)比)。實(shí)現企業(yè)用能數據的匯總與統計，按需生成統計報表，并提供報表打印和文件導出功能(．xls、．xlsx或．txt等格式)。

圖12能耗數據統計報表

5)告警查詢(xún)。在回路信息界面，可根據告警類(lèi)型、起始結束時(shí)間等條件，選擇查看該回路相關(guān)的告警統計信息，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(xún)報表

4安科瑞電力監控解決方案

4.1概述

      針對用戶(hù)變電站（一般為35kV及以下電壓等級），通過(guò)微機保護裝置、開(kāi)關(guān)柜綜合測控裝置、電氣接點(diǎn)無(wú)線(xiàn)測溫產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線(xiàn)監測裝置、配電室環(huán)境監控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動(dòng)化的綜合監控系統，實(shí)現了變電、配電、用電的安全運行和全面管理。監控范圍包括用戶(hù)變電站、開(kāi)閉所、變電所及配電室等。

Acrel-2000Z電力監控系統是安科瑞電氣股份有限公司根據電力系統自動(dòng)化及無(wú)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控管理系統。該系統是應用電力自動(dòng)化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，集保護、監測、控制、通信等功能于一體的開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò )化、單元化、組態(tài)化的系統，適用于35kV及以下電壓等級的城網(wǎng)、農網(wǎng)變電站和用戶(hù)變電站，可實(shí)現對變電站全方位的控制和管理，滿(mǎn)足變電站無(wú)人或少人值守的需求，為變電站安全、穩定、經(jīng)濟運行提供了堅實(shí)的保障。

4.2應用場(chǎng)所

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

4.3系統架構

Acrel-2000Z電力監控系統采用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡(luò )通信層和現場(chǎng)設備層，組網(wǎng)方式可為標準網(wǎng)絡(luò )結構、光纖星型網(wǎng)絡(luò )結構、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )結構，根據用戶(hù)用電規模、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系統功能

（1）實(shí)時(shí)監測：直觀(guān)顯示配電網(wǎng)的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測各回路電參數信息，動(dòng)態(tài)監視各配電回路有關(guān)故障、告警等信號。

（2）電參量查詢(xún)：在配電一次圖中，可以直接查看該回路詳細電參量。

（3）曲線(xiàn)查詢(xún)：可以直接查看各電參量曲線(xiàn)。

（4）運行報表：查詢(xún)各回路或設備指定時(shí)間的運行參數。

（5）實(shí)時(shí)告警：具有實(shí)時(shí)告警功能，系統能夠對配電回路遙信變位，保護動(dòng)作、事故跳閘等事件發(fā)出告警。

（6）歷史事件查詢(xún)：對事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

（7）電能統計報表：系統具備定時(shí)抄表匯總統計功能，用戶(hù)可以自由查詢(xún)自系統正常運行以來(lái)任意時(shí)間段內各配電節點(diǎn)的用電情況。

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

（9）網(wǎng)絡(luò )拓撲圖：支持實(shí)時(shí)監視并診斷各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )結構。

（10）電能質(zhì)量監測：可以對整個(gè)配電系統范圍內的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續性的監測。

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

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

（13）事故追憶：可自動(dòng)記錄事故時(shí)刻前后一段時(shí)間的所有實(shí)時(shí)穩態(tài)信息。

（14）Web訪(fǎng)問(wèn)：展示頁(yè)面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點(diǎn)位數量等概況信息，設備通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。

（15）APP訪(fǎng)問(wèn)：設備數據頁(yè)面顯示各設備的電參量數據以及曲線(xiàn)。

4.5系統硬件配置

5結束語(yǔ)

       本文設計的基于多協(xié)議的電力監控系統，通過(guò)數 據協(xié)議轉換與數據融合處理技術(shù)，解決了不同設備間 多協(xié)議數據的采集與處理問(wèn)題，具有較高的實(shí)用性可 擴展性，同時(shí)避免了更換設備的費用，減少了系統維護 成本，滿(mǎn)足經(jīng)濟性和易維護性的要求。該系統已在某 港區進(jìn)行了應用，且經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的運行驗證，證明了系 統的可靠性。

參考文獻

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[6] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)應用手冊2020.06版.

王曉昭，女，本科，江蘇安科瑞電器制造有限公司，主要從事工業(yè)絕緣監測的研究和應用

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