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電力監控系統在多協議糧食港區中的設計與應用

更新時間：2023-05-04

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安科瑞陳聰

摘要：針對目前各企業在建設配電系統過程中，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系統，可接入不同廠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。該系統方便相關人員操作與管理，實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。

關鍵詞：多協議轉換；電力監控系統；數據采集

0引言

電力系統是關系到國家、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候要盡可能準確、迅速地解決問題，因此電力系統通信協議標準進行統一是未來電力系統發展的大趨勢，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鍵[1]。但是，現在在我國絕大多數的企業在建設電力監控系統時，所用的已有電力儀器與設備的生產廠家與型號各不相同，導致數據的傳輸方式、采集頻率、通信協議、類型格式等各不相同，給電力系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]，成本將會十分高昂，且很難覆蓋所有需要監測的電力設備，也會對我國許多電力企業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系統，實現數據監測、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，系統運行一年多功能穩定，運行良好。

1關鍵技術研究

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，對數據需要行二次處理[3]，這樣就會給電力數據處理模塊帶來困難。

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，進行統一變化、歸類與聚合，實現對電力對象信息(實時和非實時數據)的加工轉換[5]，成為一個電力對象綜合信息節點。然后，根據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據。這樣對電力的處理進行統一地處理和讀取，后期會大大提升電力數據的處理效率。

1.2數據協議轉換

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，并且隨著電力數據規模的不斷擴展，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。所以電力系統需要對電力數據協議轉換來解決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系統設計與實現

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總線方式采集各種智能儀表與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輸到站控層的服務器與監控終端[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，包括交換機和一些串口服務器。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協議轉化與數據融合

多種采集設備與裝置協議解析轉換和異構數據的統一融合，是多協議電力系統平臺數據采集處理的難點。本系統采用一種可擴展的協議庫方式來解決這一問題，為每個不同協議的設備，編寫一套協議解析方法，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為協議數據轉換融合圖。

圖2協議數據轉換融合圖

2.3系統功能

多協議電力監控系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、管理和控制。系統總體框架包括實時監測、統計分析、異常報警、系統管理、實時采集、設備傳感網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

多協議電力監控系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，設備開關運行狀態的實時監測。另外，對實時監測的數據都會及時地記錄和保存，供報表模塊和今后查詢數據使用。多協議電力監控系統中的報表統計模塊是對企業能源監測數據進行數據匯總統計與數據對比分析，實現企業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)。同時對于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。

在多協議電力監控系統中的實時監測模塊異常報警模塊中，主要通過分析系統的異常數據，如在系統范圍內發生越限預警(電壓、電流越限等)、變位預警、事故報警等需要引起運行生產人員、企業管理人員注意的情況時，系統能夠通過語音、窗口顯示、文字及數據變色等多種方式進行預／報警提示，并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，供運行生產人員和企業管理人員及時地排除生產事故，保障電力系統能夠正常安全的運行。另外，多協議電力監控系統中的實時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功能和對電力能源管理系統運行所需的基礎信息進行集中配置和管理，主要包括：電力系統預警閾值管理，對用能越限預／報警閾值進行配置與管理，系統權限管理和對整個系統進行安全保護措施。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，在多協議電力監控系統中的實時監測模塊異常報警模塊中，設備傳感網作為整個系統的*底層，也是系統*為核心的基礎模塊。這些傳感網需要及時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，是所有系統數據的來源，所以設備傳感網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，在能源信息實時采集模塊中，系統通過有線的方式可對系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、頻率以及開關量信號等，經過邏輯計算和處理后，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，后期進行數據分析都是需要基于這些采集到的*初始的源數據進行的。對于這些*初始的源數據也需要及時保存和記錄，這樣可以提供給后面數據對比分析。

3多協議電力監控系統的應用

本系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。系統實施過程中，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，滿足了港區供配電系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，確保港區供配電系統安全、經濟、合理運行，得到了業主及運營單位的好評。電力監控系統網絡實際的結構圖如圖4所示。

圖4電力監控系統網絡實際的結構圖

本系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對系統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，就需要設計總的控制室對所有的變電模塊進行監控，當某一個變電模塊出現問題時，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，保障電力系統正常的運轉。具體的電力監控系統網絡實際的結構圖如圖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，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據進行處理。系統總體的控制模塊就是分為四個模塊來處理數據，分別是現場參數傳遞子模塊、現場狀態判斷子模塊、顯示和控制參數接受子模塊和現場報警驅動子模塊。現場參數傳遞子模塊主要負責現場電力儀表和電力設備傳遞數據的功能。現場狀態判斷子模塊主要根據電力參數判斷當前系統狀態、調動模塊，并且把數據進行處理和保存。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進行合理地數據分析和異常分析。系統報警驅動子模塊主要負責與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系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，并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變電模塊發現異常，去對應的變電模塊核查并解決異常，保證電力系統正常可靠的進行運轉。

*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*新結構的分布控制系統來保障系統的正常運行。作為電力系統通信模塊，模塊之間通過寬帶和窄帶網絡進行網絡通信，可在很廣的地域內應用。通過現場總線進行通信數據傳輸，電力系統可與現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互連和具有互操作性的系統模塊，這可以及時解決電力系統中的通信問題。

系統實施過程中，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為部分現場設備。

圖6現場設備

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

現場儀器設備通過485、以太網等通信方式，集中安放在各個變／配電站的通信集中器上，通過光纖將采集數據傳輸到終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)一次系統圖展示。2個總配電站和10個分配電站的一次回路系統，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，以及斷路器開關的閉合狀態與每個回路的實時電參數(電壓、電流等)。

圖9一次系統界面顯示圖

2)實時／歷史數據與曲線。從一次系統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(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實時數據與曲線圖

3)設備運行數據與狀態顯示。從一次系統圖上點擊相應的設備名稱后，進入設備運行數據與狀態顯示界面，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據(各類電參數、環境溫度等)、工作狀態與異常報警信息。

圖11設備運行數據與狀態顯示界面

4)能耗數據統計。進入回路信息界面后，可選擇查看該回路的能耗統計報表，如圖12所示。對企業能源監測數據進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、統計和對比分析(同／環比)。實現企業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。在回路信息界面，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告警查詢報表

4安科瑞電力監控解決方案

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系統，實現了變電、配電、用電的安全運行和全面管理。監控范圍包括用戶變電站、開閉所、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系統。該系統是應用電力自動化技術、計算機技術、網絡技術和信息傳輸技術，集保護、監測、控制、通信等功能于一體的開放式、網絡化、單元化、組態化的系統，適用于35kV及以下電壓等級的城網、農網變電站和用戶變電站，可實現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，建筑，學校，商業綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統工程設計、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、網絡通信層和現場設備層，組網方式可為標準網絡結構、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面積等多方面的信息綜合考慮組網方式。