基于物联网架构的变电所参数监测报警系统设计
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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。 |
