黃驊港直流屏管理系統(tǒng)研究與應(yīng)用

國(guó)能黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司 李建樓

目前黃驊港供電電網(wǎng)現(xiàn)有2座110kV變電站、23座6kV變配電所、24臺(tái)箱式變電站及生活區(qū)10kV供配電網(wǎng)絡(luò)，隨著黃驊港生產(chǎn)規(guī)模和供電系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷提升，不僅變電所數(shù)量日益增多，其分布區(qū)域也持續(xù)擴(kuò)大，同時(shí)電力系統(tǒng)也需要向無(wú)人值守、綜合自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化管理的方向發(fā)展。

直流系統(tǒng)（圖1）在黃驊港變電站中起著非常重要的作用，擔(dān)負(fù)著供給控制、信號(hào)、保護(hù)和自動(dòng)裝置等二次負(fù)荷的電源及作為主要設(shè)備安全電源的任務(wù)，是裝卸電力系統(tǒng)極其重要的動(dòng)力提供和控制監(jiān)護(hù)單元。直流屏系統(tǒng)的電力供應(yīng)在無(wú)故障狀態(tài)下通過(guò)整流后得到[1]，為變電站內(nèi)的斷路器提供合閘直流電源：當(dāng)發(fā)生故障時(shí)所用電中斷的情況下，直流系統(tǒng)的電源將全部由蓄電池組來(lái)提供，為繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置、斷路器執(zhí)行關(guān)合動(dòng)作、載波通信等提供直流電源。

圖1 直流系統(tǒng)組成

黃驊港現(xiàn)有變電站直流屏大部分為2004年設(shè)備，運(yùn)行時(shí)間已達(dá)15年之久。部分核心器件出現(xiàn)不同程度的老化問(wèn)題、缺乏智能控制技術(shù)，可靠性差，存在停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)近年來(lái)黃驊港直流屏系統(tǒng)研究與分析，存在電池工作在長(zhǎng)期浮充備用狀態(tài)、沒(méi)有對(duì)電池的過(guò)充和過(guò)放保護(hù)、無(wú)軟起動(dòng)特性和自起動(dòng)性能不穩(wěn)等缺點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為確保配電設(shè)備性能良好，保證安全運(yùn)行，需電氣維護(hù)人員每天到變電所檢查并及時(shí)處理供配電設(shè)備隱患，以滿足設(shè)備在良好條件下運(yùn)行，因此要浪費(fèi)電氣維護(hù)人員的很多時(shí)間及精力。隨著公司業(yè)務(wù)不斷發(fā)展，對(duì)供電穩(wěn)定性和故障維護(hù)效率的需求也在增長(zhǎng)，對(duì)提高港口自動(dòng)化水平，設(shè)備安全運(yùn)行及設(shè)備有效利用率、延長(zhǎng)直流供電設(shè)備的使用壽命、提高電氣維護(hù)人員工作效率等提出了新的要求。

本文研究了一種直流屏管理系統(tǒng)，不僅能準(zhǔn)確獲知各變電站直流屏實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)在直流屏在發(fā)現(xiàn)故障或故障征兆時(shí)，能準(zhǔn)確預(yù)警故障類型、精確定位故障部位，從而能使維護(hù)人員快速排除故障，再輔以數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和故障記錄，旨在提高設(shè)備安全運(yùn)行及設(shè)備有效利用率，延長(zhǎng)直流供電設(shè)備的使用壽命，幫助現(xiàn)場(chǎng)電氣維護(hù)人員提升工作效率[2]。

1 直流供電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

1.1 直流供電管理系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

黃驊港直流供電管理系統(tǒng)是在現(xiàn)有實(shí)際供電分布和通訊環(huán)境中完成的，要求應(yīng)用服務(wù)器運(yùn)行數(shù)據(jù)負(fù)荷不能過(guò)大且數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存管理要透明化，優(yōu)先采用了C/S即服務(wù)器-客戶機(jī)架構(gòu)。服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的管理，客戶機(jī)負(fù)責(zé)完成與用戶的交互任務(wù)。C/S結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮客戶端PC的處理能力，客戶端響應(yīng)速度快，因很多工作可在客戶端處理后再提交給服務(wù)器，基本滿足黃驊港直流屏管理系統(tǒng)需要。本系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布局，由本地設(shè)備層、中間網(wǎng)絡(luò)層和遠(yuǎn)程控制層三部分組成[3]。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)探析

根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟的定義，物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)二維碼讀取設(shè)備、射頻識(shí)別裝置（RFID）、紅外線感應(yīng)器、定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息化傳感設(shè)備，按照既定協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)合國(guó)能黃驊港供電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境將傳感網(wǎng)絡(luò)劃分為采集層、通訊層、功能層三級(jí)管理，其中功能層包含數(shù)據(jù)處理支撐平臺(tái)和為客戶應(yīng)用端，并以此為基礎(chǔ)依次闡述現(xiàn)場(chǎng)所用物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)。

采集層承擔(dān)物聯(lián)網(wǎng)的觸角，完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、通訊狀態(tài)等物理信息的數(shù)據(jù)采集，相當(dāng)于神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元。該層級(jí)是物聯(lián)網(wǎng)的核心層，由現(xiàn)場(chǎng)各類含有通訊網(wǎng)關(guān)的傳感器或數(shù)據(jù)采集單元組成，有些已將數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、信息收發(fā)、故障診斷等功能集成為一體，智能化程度逐步提升。黃驊港常見(jiàn)的基本感器件如圖爾克RFID射頻讀卡器、SICK激光掃描雷達(dá)、?？低暉岢上駭z像頭、中海達(dá)GPS、無(wú)線電機(jī)振動(dòng)狀態(tài)采集器、二維碼標(biāo)簽識(shí)別設(shè)備等。該級(jí)應(yīng)用到的關(guān)鍵技術(shù)GPRS、WiFi技術(shù)、NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）無(wú)線技術(shù)、射頻通訊、工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、PLC級(jí)下位通訊技術(shù)如控制網(wǎng)通訊等，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品包括無(wú)線振動(dòng)/溫度等各類傳感器、RFID標(biāo)簽、無(wú)線網(wǎng)關(guān)/路由器、PLC云網(wǎng)關(guān)等。

通訊層是信息交互、傳遞的數(shù)據(jù)通路，主要功能是將采集到的大量信息整合到一個(gè)大的智能網(wǎng)絡(luò)里，以供功能層進(jìn)行處理和使用。該層由物聯(lián)接入和網(wǎng)絡(luò)傳輸兩階段實(shí)現(xiàn)，其中物聯(lián)接入可通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)、WiFi、4G/5G技術(shù)、衛(wèi)星通訊等方式實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖紫韧ㄟ^(guò)智能網(wǎng)關(guān)完成接入，再通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將采集層終端感知網(wǎng)絡(luò)與各種應(yīng)用層的平臺(tái)聯(lián)系起來(lái)，為實(shí)現(xiàn)“萬(wàn)物互聯(lián)”的需要，實(shí)際應(yīng)用中通訊層可結(jié)合IPv6、5G、WiFi等通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有線與無(wú)線、寬帶與窄帶、感知網(wǎng)與通信網(wǎng)的全面融合[4]。

系統(tǒng)將功能層細(xì)分為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)層和客戶應(yīng)用層，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)層利用人工智能算法、機(jī)器學(xué)習(xí)、云計(jì)算等技術(shù)對(duì)通訊層的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、挖掘和算法處理，最終形成包含業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)、數(shù)據(jù)處理平臺(tái)、安全管理平臺(tái)為一體的物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)。最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)終端、HMI（人機(jī)交互界面）、手機(jī)App端實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備與前臺(tái)用戶的信息交互。

實(shí)際開(kāi)發(fā)應(yīng)用中，物聯(lián)網(wǎng)各層之間在技術(shù)劃分上是相互獨(dú)立的，但在使用上是相互聯(lián)系的，數(shù)據(jù)在各層之間也是相互傳遞的。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體性，提升應(yīng)用端的服務(wù)效果，資源需在各層間合理調(diào)配。近年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已在智能工業(yè)、智能交通、智慧城市、智慧環(huán)保、公共管理、智能家庭、智慧醫(yī)療等領(lǐng)域中取得了應(yīng)用，其架構(gòu)基本類似。

1.3 系統(tǒng)整體架構(gòu)初步設(shè)計(jì)

為真正實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)化設(shè)計(jì)，功能化、模塊化管理，系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，分別為采集層、傳輸層、業(yè)務(wù)層和應(yīng)用層（圖2）。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.4 直流供電管理系統(tǒng)基本架構(gòu)搭建

直流供電管理系統(tǒng)基本架構(gòu)的搭建分為3部分，逐層搭建。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。對(duì)應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的采集層，現(xiàn)在設(shè)備層的主要功能是連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并通過(guò)傳感裝置對(duì)各類信號(hào)的智能采集和預(yù)處理，形成符合通訊層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議要求的信息。設(shè)備層由直流電源和智能無(wú)線通信裝置組成，智能無(wú)線通信裝置將采集處理后的信息通過(guò)Modbus-RTU和Modbus-TCP協(xié)議并進(jìn)行認(rèn)證加密及自描述后層發(fā)送給傳輸層服務(wù)器，同時(shí)也可接收傳輸層服務(wù)器發(fā)來(lái)的各種控制類指令。

通訊網(wǎng)絡(luò)層。對(duì)應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的傳輸層，兼容多種通信模式，采用GPRS等物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)終端與直流供電管理系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸。

遠(yuǎn)程監(jiān)控層。對(duì)應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層，監(jiān)控層業(yè)務(wù)由前置通信服務(wù)器、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)器、在線采集管理服務(wù)器等硬件設(shè)備和平臺(tái)應(yīng)用軟件組成，負(fù)責(zé)系統(tǒng)平臺(tái)中所有數(shù)據(jù)的運(yùn)算查詢和存儲(chǔ)顯示等操作。支持移動(dòng)終端與監(jiān)控中心Web服務(wù)器進(jìn)行交互，監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與檢索歷史數(shù)據(jù)。

2 無(wú)線通信裝置設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

基于GPRS設(shè)計(jì)了一種智能無(wú)線通信裝置（DTU），可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明轉(zhuǎn)發(fā)（圖3）。智能無(wú)線通信裝置是用于直流供電管理系統(tǒng)連接下位設(shè)備所用的4G全網(wǎng)通網(wǎng)關(guān)，可利用4G網(wǎng)絡(luò)連接至直流供電管理系統(tǒng)，可通過(guò)串口或網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)Modbus數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和傳輸，配置參數(shù)方式多樣、靈活，運(yùn)行安全穩(wěn)定，具備隔離保護(hù)設(shè)計(jì)，適合于惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

圖3 無(wú)線通信裝置組成

其工作原理是，智能無(wú)線通訊裝置首先通過(guò)RS485串口連接到變電所直流電源屏，然后在不改變?cè)瓟?shù)據(jù)內(nèi)容的前提下將從直流電源屏接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包，最后通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。同時(shí)將從遠(yuǎn)程控制中心接收的控制信號(hào)發(fā)送給直流電源屏，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互通。該智能無(wú)線通信裝置可和各種使用串口通信的舊設(shè)備進(jìn)行連接，而不需要對(duì)其作改動(dòng)便能實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電源屏數(shù)據(jù)同一通道的統(tǒng)一傳輸，有效縮減了升級(jí)工作量。

2.1 智能無(wú)線通信裝置（DTU）硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線通信裝置硬件組成部分主要包括CPU控制模塊、無(wú)線通訊模塊以及電源模塊等，采用高性能工業(yè)級(jí)32位通信處理器和無(wú)線模塊。通信端口采用RS485通信口，支持標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)Modbus-RTU、Modbus-TCP通訊協(xié)議，可設(shè)為主站模式，與現(xiàn)場(chǎng)直流電源屏連接；電源接口的工作電源應(yīng)能滿足寬電源范圍9～30V，電源接口內(nèi)置反相保護(hù)和過(guò)壓過(guò)流保護(hù)。

2.2 智能無(wú)線通信裝置（DTU）軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序是基于實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)。主機(jī)采用嵌入式操作系統(tǒng)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)看門狗設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。軟件支持全網(wǎng)通4G/3G/2G通訊，優(yōu)先使用網(wǎng)線直連（WAN）上網(wǎng)。采用完備的防掉線機(jī)制，保證數(shù)據(jù)終端永遠(yuǎn)在線,上電即可進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。內(nèi)嵌私有加密通訊協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與云平臺(tái)的安全無(wú)縫對(duì)接。

2.3 智能無(wú)線通信裝置使用功能

數(shù)據(jù)處理及傳送功能。具備主從功能，DTU即可作為主站通過(guò)RS232/RS485接口向現(xiàn)場(chǎng)直流電源屏讀取信息，又可作為從站通過(guò)RS485接口被現(xiàn)場(chǎng)后臺(tái)監(jiān)控中心讀取信息。

四遙功能。直流供電管理系統(tǒng)通過(guò)DTU實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)的四遙功能。遙信項(xiàng)目包括：交流電源故障（過(guò)壓、欠壓、缺相、失壓）；直流母線過(guò)壓、直流母線欠壓、直流母線絕緣不良；模塊故障；蓄電池組開(kāi)關(guān)脫扣（或熔斷器熔斷）；歷史故障記錄等。遙控項(xiàng)目包括：系統(tǒng)開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)；各充電模塊開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)；均充/浮充電壓設(shè)置、狀態(tài)轉(zhuǎn)換；蓄電池充電電流設(shè)置輸入；輸出報(bào)警設(shè)置等。遙調(diào)項(xiàng)目包括：均充電壓；浮充電壓；控母電壓。

Modbus配置功能?？稍O(shè)置DTU對(duì)直流電源屏的采集間隔和采集數(shù)據(jù)段。設(shè)置完成后DTU會(huì)定時(shí)采集直流電源屏的modbus數(shù)據(jù)并上發(fā)到直流供電管理系統(tǒng)，直流供電管理系統(tǒng)根據(jù)配置的數(shù)據(jù)規(guī)則進(jìn)行解析和展示；遠(yuǎn)程升級(jí)功能。支持互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)利用通訊通道對(duì)DTU的軟件、參數(shù)及通訊規(guī)約進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)升級(jí)，方便設(shè)備管理，遠(yuǎn)程升級(jí)保證DTU內(nèi)的數(shù)據(jù)安全。

3 直流供電管理系統(tǒng)功能開(kāi)發(fā)

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)用戶習(xí)慣進(jìn)行的調(diào)研情況，重點(diǎn)突出使用的簡(jiǎn)潔和友好（圖4），通過(guò)界面操作可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)分析、運(yùn)維管理和系統(tǒng)管理。

圖4 系統(tǒng)功能圖

數(shù)據(jù)采集功能。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線、有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等多種通信方式的融合，可遠(yuǎn)程采集到分布在各變電所里相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。系統(tǒng)能對(duì)直流電源屏運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可實(shí)時(shí)顯示故障信息并觸發(fā)對(duì)應(yīng)的報(bào)警功能，從而實(shí)現(xiàn)直流屏內(nèi)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)；統(tǒng)計(jì)分析功能。以簡(jiǎn)易報(bào)表的形式匯總并展現(xiàn)直流屏歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)和故障記錄的統(tǒng)計(jì)分析；系統(tǒng)管理。包括用戶信息管理、設(shè)備信息管理、角色信息管理。用戶信息管理包括查詢用戶、添加用戶、用戶資料修改、用戶凍結(jié)解凍、刪除用戶、用戶等級(jí)管理等功能，設(shè)備信息管理包括查詢?cè)O(shè)備、添加設(shè)備、設(shè)備資料修改、刪除設(shè)備等功能，角色信息管理具備添加角色資料、角色注冊(cè)功能、刪除角色、角色權(quán)限管理等功能。

4 主要技術(shù)指標(biāo)分析

系統(tǒng)的可用性。直流供電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮在各個(gè)工程環(huán)境中的不同因素，能夠保證在現(xiàn)場(chǎng)安裝后立即適用并穩(wěn)定可靠運(yùn)行，系統(tǒng)月可用率大于99.99%；系統(tǒng)的可靠性。直流供電管理系統(tǒng)具有很高的可靠性，其平均無(wú)故障間隔時(shí)間MTBF大于50000小時(shí)，系統(tǒng)總體大于30000小時(shí)；系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。軟、硬件設(shè)備應(yīng)具有良好的容錯(cuò)能力，當(dāng)各軟、硬件功能與數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的通訊出錯(cuò)，以及當(dāng)運(yùn)行人員或工程師在操作中發(fā)生一般性錯(cuò)誤時(shí)，均不會(huì)引起系統(tǒng)的任何功能喪失或影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。對(duì)意外情況引起的故障系統(tǒng)具備恢復(fù)能力；系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的抗電磁干擾能力，符合IEC、GB標(biāo)準(zhǔn)確保在配電站中穩(wěn)定運(yùn)行；測(cè)量值指標(biāo)。交流采樣測(cè)量值精度：電壓、電流≤0.5%，有功、無(wú)功功率≤1.0%，直流采樣測(cè)量值精度≤0.5%。

目前驊港直流屏監(jiān)控系統(tǒng)已投入正式使用，解決了直流系統(tǒng)不能遠(yuǎn)程智能控制的落后狀態(tài)，改變了之前需要由人員到變電所現(xiàn)場(chǎng)查看和消除故障的低效運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)、無(wú)人值守，極大地提高了設(shè)備管理效率和自動(dòng)化程度。