電力監控係統在多協議糧食港區中的設計與應用

簡婷

韦德1946网址 上海嘉定 201801

摘要：針對目前各企業(ye) 在建設配電係統過程中，使用不同廠家、多種型號的電力儀(yi) 器與(yu) 設備，導致通信協議不統一，升級改造和運營維護困難等問題。設計一種支持多協議的電力監控係統，可接入不同廠家的電力儀(yi) 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。該係統方便相關(guan) 人員操作與(yu) 管理，實現配電係統的智能化監控。該係統已在外高橋某港區中成功應用，節省了大量的人力物力，並保證了傳(chuan) 輸係統的可靠性。

關(guan) 鍵詞：多協議轉換；電力監控係統；數據采集

0引言

      電力係統是關(guan) 係到國家、民生的重要因素，由於(yu) 電力係統的重要性決(jue) 定了電力係統要盡可能地保證穩定和安全運行，在遇到係統事故的時候要盡可能準確、迅速地解決(jue) 問題，因此電力係統通信協議標準進行統一是未來電力係統發展的大趨勢，在電力資源監控方麵，電力監控係統可靠、準確、高效地運行是達到這一目標的基礎和關(guan) 鍵[1]。但是，現在在我國絕大多數的企業(ye) 在建設電力監控係統時，所用的已有電力儀(yi) 器與(yu) 設備的生產(chan) 廠家與(yu) 型號各不相同，導致數據的傳(chuan) 輸方式、采集頻率、通信協議、類型格式等各不相同，給電力係統的建設帶來很大的困難。如果簡單地更換統一基礎電力設備[2]，成本將會(hui) 十分高昂，且很難覆蓋所有需要監測的電力設備，也會(hui) 對我國許多電力企業(ye) 正常的生產(chan) 經營造成很大的影響。

為(wei) 解決(jue) 以上問題，本文通過運用多協議轉換和數據融合處理等技術，設計一種支持多協議的電力監控係統，實現數據監測、異常報警、數據分析處理、報表展示等功能，並在外高橋某港區中成功進行了應用。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(yi) 器設備，包含了施耐德、ABB、威勝等多個(ge) 品牌，近10種不同型號，係統運行一年多功能穩定，運行良好。

1關(guan) 鍵技術研究

1.1數據融合處理

      隨著目前電網的規模的不斷擴大，電力數據也越來越多，通過傳(chuan) 統的數據采集處理不能非常高效地解決(jue) 電力數據處理的問題。另外，現在的電力設備都是采集自不同的國家和不同的廠商，型號都是不相同的，所以在采集數據和處理數據時，對數據需要先進行二次處理[3]，這樣就會(hui) 給電力數據處理模塊帶來困難。

      本文研究一種直接基於(yu) 電力對象(變壓器、斷路器、母線、負荷回路等)進行電力數據融合處理的方法，製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(wei) 基本單元，針對所采集的不同信息源，從(cong) 元模型庫中調用相應的元模型，進行統一變化、歸類與(yu) 聚合，實現對電力對象信息(實時和非實時數據)的加工轉換[5]，成為(wei) 一個(ge) 電力對象綜合信息節點。然後，根據對象之間的關(guan) 係處理為(wei) 對象信息樹，並進行按需訪問的控製與(yu) 管理不同的電力數據。這樣對電力的處理進行統一地處理和讀取，後期會(hui) 大大提升電力數據的處理效率。

1.2數據協議轉換

       目前，由於(yu) 不同廠商設計出不同類型的電力設備，它們(men) 之間的通信協議都不相同，電力數據的格式和電力數據的含義(yi) 也都不同，並且隨著電力數據規模的不斷擴展，電力產(chan) 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。所以電力係統需要對電力數據協議轉換來解決(jue) 這些不統一的設備問題。通過對不同協議進行分類，再根據通信包中數據格式的重新定義(yi) 和解析，將各種不同設備的協議數據轉換成規定好的統一格式的協議進行傳(chuan) 輸，可以根據需要進行擴展，兼容現有設備或加入更新設備。

2係統設計與(yu) 實現

2.1係統架構

      本係統總體(ti) 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(yi) 表與(yu) 設備運行中的實時數據，經通信層的串口服務器、交換機等設備通過以太網傳(chuan) 輸到站控層的服務器與(yu) 監控終端[6]，係統總體(ti) 架構設計圖如圖1所示。係統總體(ti) 架構中站控層主要負責服務器、監控終端和一些硬件設備例如打印機設備。通信層主要是負責係統中的總體(ti) 通信服務，包括交換機和一些串口服務器。間隔層主要是負責係統中的智能儀(yi) 表與(yu) 設備的管理。

圖1電力監控係統圖

2.2協議轉化與(yu) 數據融合

      多種采集設備與(yu) 裝置協議解析轉換和異構數據的統一融合，是多協議電力係統平台數據采集處理的難點。本係統采用一種可擴展的協議庫方式來解決(jue) 這一問題，為(wei) 每個(ge) 不同協議的設備，編寫(xie) 一套協議解析方法，以DLL文件的形式存放在協議庫中，使用時選擇調用對應設備的協議解析DLL，可方便地進行添加和維護。經過協議解析後的數據，根據建立的元數據模型，加工為(wei) 結構規範、含義(yi) 明確的數據供係統使用。圖2為(wei) 協議數據轉換融合圖。

圖2協議數據轉換融合圖

2.3係統功能

     多協議電力監控係統能夠對重要設備的運行狀態以及用能消耗過程進行集中監視、管理和控製。係統總體(ti) 框架包括實時監測、統 計分析、異常報警、係統管理、實時采集、設備傳(chuan) 感網和能源信息七大部分，係統功能總體(ti) 框架圖如圖3所示。

圖3係統功能框架圖

      多協議電力監控係統中的實時監測模塊主要就是實時監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(guan) 量狀態等數據。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(nei) 的電壓、電流、有功／無功功率曲線圖；各線路合、分閘狀態，設備開關(guan) 運行狀態的實時監測。另外，對實時監測的數據都會(hui) 及時地記錄和保存，供報表模塊和今後查詢數據使用。多協議電力監控係統中的報表統計模塊是對企業(ye) 能源監測數據進行數據匯總統計與(yu) 數據對比分析，實現企業(ye) 用電力監測數據的匯總與(yu) 統計，按需生成統計報表，並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行分析：提供回路的單一電參數、多參數的查詢、統計和對比分析(同／環比)。同時對於(yu) 異常數據事件還需要進行另外的異常數據分析，具有對異常數據事件的需要及時地保存和備份，可以隨時進行異常數據查詢、回顧和打印異常數據事件。異常數據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生。

在多協議電力監控係統中的實時監測模塊異常報警模塊中，主要通過分析係統的異常數據，如在係統範圍內(nei) 發生越限預警(電壓、電流越限等)、變位預警、事故報警等需要引起運行生產(chan) 人員、企業(ye) 管理人員注意的情況時，係統能夠通過語音、窗口顯示、文字及數據變色等多種方式進行預／報警提示，並可根據需要對異常事件進行及時地數據記錄和數據打印記錄，供運行生產(chan) 人員和企業(ye) 管理人員及時地排除生產(chan) 事故，保障電力係統能夠正常安全的運行。另外，多協議電力監控係統中的實時監測模塊係統管理模塊主要提供一些基本的係統管理服務功能和對電力能源管理係統運行所需的基礎信息進行集中配置和管理，主要包括：電力係統預警閾值管理，對用能越限預／報警閾值進行配置與(yu) 管理，係統權限管理和對整個(ge) 係統進行安全保護措施。不同級別的操作人員對係統具有不同的使用權限和範圍，避免越權操作。不同的用戶需要進行不同操作管理，每一個(ge) 用戶配置的操作權限也不相同。

另外，在多協議電力監控係統中的實時監測模塊異常報警模塊中，設備傳(chuan) 感網作為(wei) 整個(ge) 係統的*底層，也是係統*為(wei) 核心的基礎模塊。這些傳(chuan) 感網需要及時地從(cong) 供電係統中采集能耗信息數據，用於(yu) 監控和分析係統的運行狀況，是所有係統數據的來源，所以設備傳(chuan) 感網的基本運行是保障電力監控係統安全運行的*重要的基礎。同時，在能源信息實時采集模塊中，係統通過有線的方式可對係統各節點的電參量數據進行及時地采集，采集的數據包括：電壓、電流、有功／無功功率、有功電度、功率因素、頻率以及開關(guan) 量信號等，經過邏輯計算和處理後，存儲(chu) 至係統數據庫中，供後續數據分析與(yu) 處理。采集到的數據是係統中*初始的源數據，後期進行數據分析都是需要基於(yu) 這些采集到的*初始的源數據進行的。對於(yu) 這些*初始的源數據也需要及時保存和記錄，這樣可以提供給後麵數據對比分析。

3多協議電力監控係統的應用

      本係統在外高橋某港區進行了應用，自2017年正式投入運行以來，已順利運行1年多。係統實施過程中，涉及到智能電表、保護裝置、溫控器、直流屏等儀(yi) 器設備，包含了施耐德、ABB、威勝等多個(ge) 品牌，近10種不同型號，滿足了港區供配電係統的能源監控管理需求，實現了實時在線監測、異常預警和統計分析等功能，確保港區供配電係統安全、經濟、合理運行，得到了業(ye) 主及運營單位的好評。電力監控係統網絡實際的結構圖如圖4所示。

圖4電力監控係統網絡實際的結構圖

       本係統在設計網絡結構時，考慮到不同變電模塊之間的配電處理都是獨立的模塊，一旦出現模塊異常，不能及時處理異常會(hui) 對係統的總體(ti) 運行產(chan) 生一定的影響。所以為(wei) 了保障電力模塊處於(yu) 正常的運轉狀態，就需要設計總的控製室對所有的變電模塊進行監控，當某一個(ge) 變電模塊出現問題時，總的控製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，保障電力係統正常的運轉。具體(ti) 的電力監控係統網絡實際的結構圖如圖5所示。

圖5電力監控係統控製模塊圖

        本係統在處理不同模塊之間數據時，是基於(yu) 多個(ge) 不同模塊來操作運行的，所以需要設計一個(ge) 總體(ti) 的控製處理模塊對數據進行處理。係統總體(ti) 的控製模塊就是分為(wei) 四個(ge) 模塊來處理數據，分別是現場參數傳(chuan) 遞子模塊、現場狀態判斷子模塊、顯示和控製參數接受子模塊和現場報警驅動子模塊。現場參數傳(chuan) 遞子模塊主要負責現場電力儀(yi) 表和電力設備傳(chuan) 遞數據的功能。現場狀態判斷子模塊主要根據電力參數判斷當前係統狀態、調動模塊，並且把數據進行處理和保存。顯示和控製參數接受子模塊主要負責係統模塊與(yu) 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係統工作狀態進行合理地數據分析和異常分析。係統報警驅動子模塊主要負責與(yu) 報警裝置進行數據通信，對異常的數據信息需要及時地通過係統報警驅動子模塊進行異常報警。這樣總控室可以及時地發現異常報警信息，並且維護部門也可以通過報警驅動子模塊及時地發現哪一個(ge) 變電模塊發現異常，去對應的變電模塊核查並解決(jue) 異常，保證電力係統正常可靠的進行運轉。

*後，電力係統的通信模塊是係統運行的核心模塊，由於(yu) 所有數據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。本係統中采用了一類*新結構的分布控製係統來保障係統的正常運行。作為(wei) 電力係統通信模塊，模塊之間通過寬帶和窄帶網絡進行網絡通信，可在很廣的地域內(nei) 應用。通過現場總線進行通信數據傳(chuan) 輸，電力係統可與(yu) 現場智能儀(yi) 表進行正常的通信和操作。而且本通信模塊具有開放的係統互連和具有互操作性的係統模塊，這可以及時解決(jue) 電力係統中的通信問題。

係統實施過程中，涉及到智能電表、保護裝置、溫控器、直流屏等儀(yi) 器設備，包含了施耐德、ABB、威勝等多個(ge) 品牌，近10種不同型號，圖6為(wei) 部分現場設備。

圖6現場設備

表1列舉(ju) 了項目中涉及的所有設備型號與(yu) 安裝分布位置。

表1采集設備分布表

現場儀(yi) 器設備通過485、以太網等通信方式，集中安放在各個(ge) 變／配電站的通信集中器上，通過光纖將采集數據傳(chuan) 輸到終端服務器上進行處理，圖7為(wei) 分站通信設備，圖8為(wei) 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)一次係統圖展示。2個(ge) 總配電站和10個(ge) 分配電站的一次回路係統，如圖9所示。每個(ge) 回路顯示測控該回路設備的在線／離線狀態，以及斷路器開關(guan) 的閉合狀態與(yu) 每個(ge) 回路的實時電參數(電壓、電流等)。

圖9一次係統界麵顯示圖

2)實時／曆史數據與(yu) 曲線。從(cong) 一次係統圖上點擊相應的回路，可進入具體(ti) 回路信息界麵，該界麵可以查看各項實時／曆史電參數(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與(yu) 報警信號以及顯示一段時間內(nei) 的線電壓／電流／功率的曲線圖，如圖10所示。

圖10實時數據與(yu) 曲線圖

3)設備運行數據與(yu) 狀態顯示。從(cong) 一次係統圖上點擊相應的設備名稱後，進入設備運行數據與(yu) 狀態顯示界麵，如圖11所示。該界麵可以查看關(guan) 鍵設備，如直流屏、變壓器等的實時運行數據(各類電參數、環境溫度等)、工作狀態與(yu) 異常報警信息。

圖11設備運行數據與(yu) 狀態顯示界麵

4)能耗數據統計。進入回路信息界麵後，可選擇查看該回路的能耗統計報表，如圖12所示。對企業(ye) 能源監測數據進行匯總統計與(yu) 對比分析，提供回路的單一電參數、多參數的查詢、統計和對比分析(同／環比)。實現企業(ye) 用能數據的匯總與(yu) 統計，按需生成統計報表，並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。在回路信息界麵，可根據告警類型、起始結束時間等條件，選擇查看該回路相關(guan) 的告警統計信息，如圖13所示，並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安科瑞電力監控解決(jue) 方案

4.1概述

      針對用戶變電站（一般為(wei) 35kV及以下電壓等級），通過微機保護裝置、開關(guan) 櫃綜合測控裝置、電氣接點無線測溫產(chan) 品、電能質量在線監測裝置、配電室環境監控設備、弧光保護裝置等設備組成綜合自動化的綜合監控係統，實現了變電、配電、用電的安全運行和全麵管理。監控範圍包括用戶變電站、開閉所、變電所及配電室等。

Acrel-2000Z電力監控係統是韦德1946网址根據電力係統自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發出的一套分層分布式變電站監控管理係統。該係統是應用電力自動化技術、計算機技術、網絡技術和信息傳(chuan) 輸技術，集保護、監測、控製、通信等功能於(yu) 一體(ti) 的開放式、網絡化、單元化、組態化的係統，適用於(yu) 35kV及以下電壓等級的城網、農(nong) 網變電站和用戶變電站，可實現對變電站的控製和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為(wei) 變電站安全、穩定、經濟運行提供了堅實的保障。

4.2應用場所

適用於(yu) 軌道交通，工業(ye) ，建築，學校，商業(ye) 綜合體(ti) 等35kV及以下用戶端供配電自動化係統工程設計、施工和運行維護。

4.3係統架構

Acrel-2000Z電力監控係統采用分層分布式設計，可分為(wei) 三層：站控管理層、網絡通信層和現場設備層，組網方式可為(wei) 標準網絡結構、光纖星型網絡結構、光纖環網網絡結構，根據用戶用電規模、用電設備分布和占地麵積等多方麵的信息綜合考慮組網方式。

4.4係統功能

（1）實時監測：直觀顯示配電網的運行狀態，實時監測各回路電參數信息，動態監視各配電回路有關(guan) 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：查詢各回路或設備時間的運行參數。

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

（6）曆史事件查詢：對事件記錄進行存儲(chu) 和管理，方便用戶對係統事件和報警進行曆史追溯，查詢統計、事故分析。

（7）電能統計報表：係統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自係統正常運行以來任意時間段內(nei) 各配電節點的用電情況。

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

（9）網絡拓撲圖：支持實時監視並診斷各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個(ge) 係統網絡結構。

（10）電能質量監測：可以對整個(ge) 配電係統範圍內(nei) 的電能質量和電能可靠性狀況進行持續性的監測。

（11）遙控功能：可以對整個(ge) 配電係統範圍內(nei) 的設備進行遠程遙控操作。

（12）故障錄波：可在係統發生故障時，自動準確地記錄故障前、後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後一段時間的所有實時穩態信息。

（14）Web訪問：展示頁麵顯示變電站數量、變壓器數量、監測點位數量等概況信息，設備通信狀態，用電分析和事件記錄。

（15）APP訪問：設備數據頁麵顯示各設備的電參量數據以及曲線。

4.5係統硬件配置

5結束語

       本文設計的基於(yu) 多協議的電力監控係統，通過數 據協議轉換與(yu) 數據融合處理技術，解決(jue) 了不同設備間 多協議數據的采集與(yu) 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，減少了係統維護 成本，滿足經濟性和易維護性的要求。該係統已在某 港區進行了應用，且經過長時間的運行驗證，證明了係 統的可靠性。

參考文獻

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[6] 安科瑞企業(ye) 微電網應用手冊(ce) 2020.06版.

作者簡介：簡婷，女，本科，現就職於(yu) 韦德1946网址，主要研究方向為(wei) 電力監控係統。