基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智能變電站數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高陽 李天豪 王寧 王得燕

摘 要：智能變電站是目前變電站發(fā)展的主要方向。為了實(shí)現(xiàn)變電站的智能化運(yùn)維和管理，采用物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)通過在變電站內(nèi)安裝多種傳感器和智能電表，采集變電站內(nèi)的所有電力設(shè)備、環(huán)境、安防等數(shù)據(jù)，并上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，通過智能變電站數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合及處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、報(bào)警及動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)等自動(dòng)化運(yùn)維管理功能，最終達(dá)到無人值守的目的。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智能變電站;電力數(shù)據(jù);管理系統(tǒng);自動(dòng)化運(yùn)維;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言

在傳統(tǒng)的變電站中，工作人員需要對(duì)變電站中的中低壓電力參數(shù)以及工作環(huán)境狀況（主要包括溫濕度、水浸、煙及偷盜等）進(jìn)行實(shí)時(shí)的巡查，以保證變電站的正常運(yùn)行。這種依靠人力進(jìn)行巡查的方式，人力成本比較高，而且有時(shí)并不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)能夠通過傳感器進(jìn)行傳統(tǒng)非聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品與網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)行數(shù)字化、自動(dòng)化控制和監(jiān)控[1]。通過先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可將變電站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化、智能化改造，對(duì)變電站內(nèi)相關(guān)設(shè)備運(yùn)行及環(huán)境狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和集中管理，實(shí)現(xiàn)全電參量采集、監(jiān)測(cè)，同時(shí)通過智能變電站數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、各類環(huán)境信號(hào)報(bào)警、故障報(bào)警及電能質(zhì)量管理等功能。從而大大節(jié)省人力成本，也能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)變電站出現(xiàn)的問題。變電站運(yùn)行越來越趨于自動(dòng)化，變電站無人值守已經(jīng)成為可能[2]。物聯(lián)網(wǎng)在智能變電站中的應(yīng)用，旨在提高電力系統(tǒng)生成環(huán)節(jié)的信息化水平，以適應(yīng)新時(shí)期規(guī)?；娋W(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際需求[3]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用于變電站，對(duì)站內(nèi)安裝的各種智能電表等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并提供數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，進(jìn)行可視化展示，為運(yùn)維管理提供智能決策。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示，其由4個(gè)部分組成：電力設(shè)備層、數(shù)據(jù)采集層/平臺(tái)層、業(yè)務(wù)處理層、應(yīng)用展示層。系統(tǒng)的最大特點(diǎn)在于采用分層、分布式形式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的解耦及大數(shù)據(jù)處理，同時(shí)采用云服務(wù)形式為各使用者（租戶）創(chuàng)建相互獨(dú)立的應(yīng)用，為電力設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)、用電企業(yè)提供電力設(shè)備管理及運(yùn)維的快捷方式。

電力設(shè)備層主要包含變電站內(nèi)的各種智能電表、綜保設(shè)備、溫濕度傳感器、水浸傳感器、煙霧傳感器、防鼠欄、照明系統(tǒng)、門磁傳感器、視頻監(jiān)控、周界報(bào)警及網(wǎng)關(guān)等設(shè)備。這些設(shè)備負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)變電站內(nèi)的電力數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)和安防信息，通過RS 485總線組成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，按照Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)匯總到網(wǎng)關(guān)設(shè)備，由網(wǎng)關(guān)設(shè)備將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)采集層/平臺(tái)層。通過充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，全面采集各項(xiàng)參數(shù)，便能夠建設(shè)成一個(gè)具備儲(chǔ)存、分析、展示的工作流程[4]。

數(shù)據(jù)采集層/平臺(tái)層主要是指物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)底層終端設(shè)備的管、控、營(yíng)一體化，為上層提供應(yīng)用開發(fā)和統(tǒng)一接口，構(gòu)建終端設(shè)備和業(yè)務(wù)的端到端通道。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在整個(gè)體系架構(gòu)中起著承上啟下的關(guān)鍵作用，提供設(shè)備的接入、管理，數(shù)據(jù)采集、規(guī)則制定、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)及安全管理功能，并通過TCP/MQTT/HTTP等形式提供南向、北向接口，方便設(shè)備的接入以及業(yè)務(wù)層獲取設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

業(yè)務(wù)處理層一般放在公有云上，也可以自建私有云，提供租戶、用戶、消息、接口、安全管理功能，同時(shí)為保證接口數(shù)據(jù)的規(guī)范性，提供數(shù)據(jù)的自動(dòng)序列化/反序列化功能。業(yè)務(wù)處理層對(duì)電力設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)、用電企業(yè)常用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、日數(shù)據(jù)、月數(shù)據(jù)、年數(shù)據(jù)，最大、最小、平均等電力數(shù)據(jù)都提供了相應(yīng)的業(yè)務(wù)接口，通過HTTP/Restful方式向外提供服務(wù)，方便應(yīng)用開發(fā)及數(shù)據(jù)可視化。

應(yīng)用展示層提供PC或移動(dòng)端的數(shù)據(jù)展示，包括用戶登錄、認(rèn)證管理、權(quán)限管理、電力的實(shí)時(shí)、日、月、年及最大、最小、平均數(shù)據(jù)等功能，應(yīng)用開發(fā)僅需聚焦于數(shù)據(jù)展示制作。

2 存儲(chǔ)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以云服務(wù)形式向外提供應(yīng)用，考慮到并發(fā)性及數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)性，在數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)架構(gòu)上，采用三層存儲(chǔ)架構(gòu)：Redis緩存、MySQL結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)、ElasticSearch分布式存儲(chǔ)。其中，Redis緩存用于存儲(chǔ)用戶的登錄、會(huì)話信息，保證多應(yīng)用的統(tǒng)一性、不間斷性，提高系統(tǒng)用戶體驗(yàn)化及交互性;MySQL結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)用于存儲(chǔ)租戶、用戶、設(shè)備基本信息，考慮到配電站數(shù)據(jù)的持續(xù)增長(zhǎng)性，單個(gè)變電站若30 s采集一次數(shù)據(jù)，單日即產(chǎn)生2 880條數(shù)據(jù)，1年即有1 051 200條數(shù)據(jù)，隨著用戶的增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)超過百萬條后，MySQL的存儲(chǔ)性能不能滿足日常的數(shù)據(jù)存取要求，所以設(shè)備數(shù)據(jù)及系統(tǒng)日志采用ElasticSearch進(jìn)行分布式存儲(chǔ);ElasticSearch采用文檔形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，便于配電站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變更，系統(tǒng)的擴(kuò)展性也更高，同時(shí)ElasticSearch支持集群，方便后期的服務(wù)擴(kuò)容。三層存儲(chǔ)架構(gòu)如圖2所示。

3 系統(tǒng)主要使用技術(shù)

系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)+Springboot+MyBatis+ElasticSearch+MySQL整合框架為核心設(shè)計(jì)理念，電力設(shè)備層數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)由ElasticSearch獲取并進(jìn)行存儲(chǔ)。系統(tǒng)以基礎(chǔ)微服務(wù)架構(gòu)為思想，將數(shù)據(jù)獲取單獨(dú)部署。數(shù)據(jù)處理及前端渲染部署在另外一個(gè)服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)互相獨(dú)立。

3.1 Springboot+MyBatis+MySQL

本系統(tǒng)使用Springboot+MyBatis+MySQL搭建Web網(wǎng)站。SpringBoot主要用來簡(jiǎn)化 Spring開發(fā)框架的開發(fā)、配置、調(diào)試、部署工作，同時(shí)在項(xiàng)目?jī)?nèi)集成了大量易于使用且實(shí)用的基礎(chǔ)框架[5]。Springboot省去了自己導(dǎo)入JAR包和配置XML的時(shí)間，利用MyBatis持久層框架，將Java代碼和SQL代碼完全分離，而且支持復(fù)雜對(duì)象的映射（輸入映射、輸出映射），其強(qiáng)大特性之一便是它的動(dòng)態(tài)SQL。通過MyBatis拼接SQL語句來操作MySQL，可以減少很多繁瑣的操作。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)采用OneNet平臺(tái)，該平臺(tái)是中國(guó)移動(dòng)推出的用于物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的專用平臺(tái)。OneNet云的應(yīng)用強(qiáng)大，提供設(shè)備接入、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)列表的導(dǎo)出等功能[6]，可以解決協(xié)議適配、海量連接、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、設(shè)備管理、規(guī)則引擎、事件告警等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)的共性問題，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)成本。其開放第三方API接口，推進(jìn)個(gè)性化應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建，只要終端設(shè)備能聯(lián)網(wǎng)，就能對(duì)數(shù)據(jù)組包，通過HTTP，EDP，MQTT等任意一種方式接入平臺(tái)。

OneNET平臺(tái)提供了通過MQTT協(xié)議調(diào)試API的頁面，操作簡(jiǎn)單明了。MQTT協(xié)議是一個(gè)面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的即時(shí)通信協(xié)議，使用TCP/IP提供網(wǎng)絡(luò)連接，能夠?qū)ω?fù)載內(nèi)容實(shí)現(xiàn)消息屏蔽傳輸。MQTT協(xié)議適用于設(shè)備和平臺(tái)需要保持長(zhǎng)連接的使用場(chǎng)景，其特點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的消息單播以及組播，可以不依賴于其他服務(wù)（下發(fā)命令服務(wù)、推送服務(wù)等）實(shí)現(xiàn)讓設(shè)備以應(yīng)用服務(wù)器的方式對(duì)真實(shí)設(shè)備進(jìn)行管理和控制。

3.3 ElasticSearch

ElasticSearch是一個(gè)建立在Apache Lucene 基礎(chǔ)上的開源、實(shí)時(shí)、分布式的搜索分析引擎[7]。ElasticSearch能夠?yàn)楹Ａ繑?shù)據(jù)提供分布式存儲(chǔ)、搜索和快速分析的服務(wù)。因其強(qiáng)大的搜索與分析能力，已被成功用于很多海量數(shù)據(jù)的處理中[8]。

ElasticSearch具有以下功能。

（1）提供分布式的搜索引擎和數(shù)據(jù)分析引擎，可以快速準(zhǔn)確地找到目標(biāo)信息（分布式：ElasticSearch會(huì)自動(dòng)將海量數(shù)據(jù)分散到多臺(tái)服務(wù)器上去存儲(chǔ)和檢索海量數(shù)據(jù)的處理）。

（2）提供全文檢索、結(jié)構(gòu)化檢索和數(shù)據(jù)分析。

（3）對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行近實(shí)時(shí)的處理（近實(shí)時(shí)：在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索和分析時(shí)，花費(fèi)的時(shí)間為秒級(jí)別）。

ElasticSearch的優(yōu)點(diǎn)是提供了數(shù)據(jù)庫所不能提供的很多功能，例如全文檢索、同義詞處理、相關(guān)度排名、復(fù)雜數(shù)據(jù)分析、海量數(shù)據(jù)的近實(shí)時(shí)處理，而在此可以利用采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析，查看數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)和數(shù)據(jù)對(duì)比等。根據(jù)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)檢索其相關(guān)設(shè)備源，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備，提供警報(bào)。

4 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

本智能變電站數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)一期項(xiàng)目分為6大模塊，包括電力監(jiān)測(cè)、運(yùn)行環(huán)境、安防監(jiān)測(cè)、電能分析、電能報(bào)表、預(yù)警日志等，如圖3所示。

電力監(jiān)測(cè)：包括6個(gè)模塊，主要都是涉及變電站的電力數(shù)據(jù)。根據(jù)所查詢?cè)O(shè)備使用周期、電力指標(biāo)、開始和結(jié)束時(shí)間等條件將電力、電表數(shù)據(jù)、電力極值以及電力運(yùn)行情況分析顯示出來，并將數(shù)據(jù)根據(jù)需求導(dǎo)出。

運(yùn)行環(huán)境：監(jiān)控設(shè)備所處環(huán)境的溫、濕度信息等，以及所有設(shè)備的在線狀況。

安防監(jiān)測(cè)：設(shè)備周界數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，如煙感、門磁、水浸等數(shù)據(jù)信息。

電能分析：查詢所對(duì)應(yīng)配電站的名稱，顯示當(dāng)前配電站的電壓等級(jí)、變壓器臺(tái)數(shù)、負(fù)荷率等基本信息，以及實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的有功功率、無功功率運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備所處環(huán)境的溫、濕度信息等。將相應(yīng)配電站的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化顯示，并及時(shí)更新。

電能報(bào)表：主要涉及變電站內(nèi)相關(guān)電力數(shù)據(jù)的報(bào)表，按日生成，巡查人員交接班使用。

預(yù)警日志：檢測(cè)記錄用戶登錄狀態(tài)和有無異常操作信息。

5 結(jié) 語

我國(guó)電力系統(tǒng)目前正經(jīng)歷著數(shù)字化向智能化方向逐步轉(zhuǎn)變和發(fā)展的過程，在智能電網(wǎng)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用研究不斷深入[9]。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于電力通信系統(tǒng)，不僅可以節(jié)省人力資源，而且還能及時(shí)地獲取中心及偏遠(yuǎn)變電所設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[10]。基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智能變電站數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)變電站電力數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、安防數(shù)據(jù)的在線管理，并提供相關(guān)數(shù)據(jù)可視化分析及故障報(bào)警等功能，實(shí)現(xiàn)基本的變電站無人值守和自動(dòng)化運(yùn)維?；谖锫?lián)網(wǎng)架構(gòu)的智能變電站是智能變電站的基本雛形，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，這些技術(shù)也可以應(yīng)用到智能變電站中，特別是數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，通過對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，在此基礎(chǔ)上展開數(shù)據(jù)質(zhì)量分析及數(shù)據(jù)挖掘，建立符合智能變電站數(shù)據(jù)的模型，從而進(jìn)行節(jié)能、故障預(yù)測(cè)等深入的研究。

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