二次控制設(shè)備直流電源智能系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)研究

國網(wǎng)上海浦東供電公司 吳明明 徐 鼎 楊 瑩 朱巧中 邴 冰

1 成果產(chǎn)生的背景

二次設(shè)備的直流系統(tǒng)維護(hù)也是日常運(yùn)維中重要的內(nèi)容。運(yùn)維遺漏或故障隱患未發(fā)覺的情況時(shí)有發(fā)生。由于二次設(shè)備的直流系統(tǒng)的特點(diǎn)，存在以下問題。

一是二次設(shè)備的直流系統(tǒng)分布廣，故障頻發(fā)，故障搶修時(shí)間長，嚴(yán)重影響供電持續(xù)性和可靠性；二是二次設(shè)備的直流系統(tǒng)故障比較隱蔽，很難使用檢測設(shè)備監(jiān)測；三是二次設(shè)備的直流系統(tǒng)故障比較分散，在二次設(shè)備中，絕大多數(shù)設(shè)備都是直流電源供電，而且直流系統(tǒng)幾乎分布到所有屏柜，往往一條回路連接多個(gè)設(shè)備，常會(huì)出現(xiàn)寄生回路，受到周圍環(huán)境影響較大，查找故障時(shí)存在很多不確定性，為二次設(shè)備安全運(yùn)行帶來較大難度。直流系統(tǒng)很難感知故障，且無法感知故障點(diǎn)；四是二次設(shè)備的直流系統(tǒng)不可以無故停運(yùn)，即使是在出現(xiàn)故障時(shí)，也不可以退出運(yùn)行，為查找故障帶來很大的難度。

二次設(shè)備的直流系統(tǒng)故障主要分為以下兩類。一類是直流系統(tǒng)本身故障，直流系統(tǒng)本身故障又分為設(shè)備故障及直流故障和線路故障；設(shè)備故障多數(shù)為蓄電池老化、充電模塊和監(jiān)控設(shè)備故障；線路故障包括直流斷線、直流短路、直流接地以及直流串交流等；二類是二次設(shè)備老化裂變引起直流系統(tǒng)故障，這種故障主要表現(xiàn)接在直流系統(tǒng)上的設(shè)備無故突然負(fù)荷增大或者減小，一般是二次設(shè)備老化或者故障，部分電路失效或者功能模塊故障等[1]。

2 成果原理說明

本項(xiàng)目成果主要包括用于二次控制設(shè)備直流電源監(jiān)測系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和云平臺(tái)管理，總的數(shù)據(jù)流程為感知終端采集數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、邊緣計(jì)算設(shè)備通信管理、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方式、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)功能、區(qū)塊鏈存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、平臺(tái)處理分析數(shù)據(jù)。

2.1 現(xiàn)場感知采集終端通信管理

感知終端主要功能除了數(shù)據(jù)采集還起到了通信管理的功能。感知終端通信硬件接口為RS485接口，為數(shù)據(jù)總線方式連接，每個(gè)感知終端設(shè)備通過地址編碼識(shí)別，每個(gè)端口最多可以接32個(gè)設(shè)備，感知終端裝置配置了4個(gè)端口[2]，如圖1所示。

圖1 感知終端設(shè)備通信模塊

圖2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集圖

感知終端設(shè)備通信模塊功能特點(diǎn)：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)對(duì)時(shí)、SOE 查詢、邊緣計(jì)算功能、通信管理、無線通信功能、數(shù)據(jù)緩存等。

通信管理技術(shù)分為以下三種：一是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)順序發(fā)送原則、告警數(shù)據(jù)采用分級(jí)管理，緊急優(yōu)先的原則。二是邊緣計(jì)算有數(shù)據(jù)續(xù)接的功能，如果通信短時(shí)間中斷，可以緩存丟失數(shù)據(jù)，等通信恢復(fù)時(shí)續(xù)發(fā)，確保后臺(tái)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。三是通信故障告警功能，當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)通信出現(xiàn)故障時(shí)，能及時(shí)發(fā)出告警信息，提醒維護(hù)人員快速處理，同樣通信故障恢復(fù)正常也能發(fā)出提示信息，確認(rèn)通信恢復(fù)正常。

2.2 邊緣計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

邊緣計(jì)算硬件組成：主控模塊、RS485通信模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、WI-FI 通信模塊、5G 網(wǎng)絡(luò)模塊等部分組成。分別配置了RS485通信控制軟件、網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件、物聯(lián)網(wǎng)控制軟件和故障數(shù)據(jù)模型。邊緣計(jì)算功能，可就地完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析運(yùn)算。支持邊緣計(jì)算功能遠(yuǎn)程部署和管理[3]。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)構(gòu)架

采用Java 作為服務(wù)器端開發(fā)工具，應(yīng)用IOT Studio 作為前端開發(fā)工具，設(shè)計(jì)了二次控制設(shè)備直流電源監(jiān)測系統(tǒng)平臺(tái)。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，包括數(shù)據(jù)采集、歷史及實(shí)時(shí)波形、運(yùn)行狀態(tài)分析、故障告警等功能?；贑ovenantSQL實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)；建立了二次控制設(shè)備直流電源監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型，并基于海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及故障數(shù)據(jù)模型比對(duì)分析等算法，對(duì)二次控制設(shè)備直流電源監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。實(shí)現(xiàn)了二次控制設(shè)備直流電源監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的全方位分析和故障監(jiān)測預(yù)警。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

支持豐富的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，北向支持MQTT/CoAP 等物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，可接入主流的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，如阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。數(shù)據(jù)緩存和斷線續(xù)傳，裝置可緩存終端數(shù)據(jù)，當(dāng)北向通信短時(shí)中斷并恢復(fù)后，可續(xù)傳數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通信：一是代理通過南向通信接口所連接的電力物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的通信，通信協(xié)議為MQTT/CoAP。二是南向通信接口支持接入的設(shè)備包括：HZ17X 電力物聯(lián)網(wǎng)終端；支持MODBUS 協(xié)議的第三方IED 設(shè)備。通信管理機(jī)通信方式說明見表1，接入的商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)目前支持：阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)；遠(yuǎn)景EnOS2.0平臺(tái)；UbiCloud 綜合用電管理平臺(tái)。

表1 通信管理機(jī)通信方式說明

搶采集單元的測量數(shù)據(jù)通過NB-IoT 通道（或WI-FI、4G 通道）上送數(shù)據(jù)到云平臺(tái)，也可通過LoRa 或RS485通道接入本地通信網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)上送數(shù)據(jù)到云平臺(tái)。具有故障預(yù)警、故障錄波等功能，可智能區(qū)分電氣短路故障、負(fù)載過流與非過流斷電幾種不同工況。提供多種通信選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，除提供NB-IoT 通信方式外，還可選擇RS485、WIFI、4G Cat1、LoRa 等通訊方式。支持Modbus RTU、IEC60870-5-104、Modbus TCP、MQTT 等多種通訊協(xié)議，可方便接入阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)及第三方MQTT Broker。遙測數(shù)據(jù)定時(shí)上傳云平臺(tái)，遙信變位主動(dòng)上送到云平臺(tái)，支持?jǐn)?shù)據(jù)緩存和斷點(diǎn)續(xù)傳。

2.4 后臺(tái)數(shù)據(jù)處理和解析

2.4.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)緩存和斷線續(xù)傳：當(dāng)北向通信發(fā)生短時(shí)中斷時(shí)，網(wǎng)關(guān)本地緩存采集數(shù)據(jù)，通信恢復(fù)后自動(dòng)上送數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。設(shè)備屬性上報(bào)：支持物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)備屬性自動(dòng)上報(bào)，自動(dòng)上報(bào)的設(shè)備屬性可包含傳統(tǒng)電力SCADA 系統(tǒng)的遙測、遙信、遙脈。凍結(jié)數(shù)據(jù)：支持設(shè)備屬性凍結(jié)值帶時(shí)標(biāo)上送。SOE：支持順序事件記錄主動(dòng)上送。統(tǒng)計(jì)報(bào)表：提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，可任意配置要統(tǒng)計(jì)的設(shè)備屬性集合，實(shí)現(xiàn)就地統(tǒng)計(jì)計(jì)算后上傳統(tǒng)計(jì)結(jié)果到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。故障錄波：通過服務(wù)方式和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)交互，實(shí)現(xiàn)故障錄波列表和故障錄波數(shù)據(jù)上送。定值管理：通過服務(wù)方式提供定值上送和設(shè)置功能。對(duì)時(shí)：和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)同步對(duì)時(shí)，同時(shí)和所連接的設(shè)備同步對(duì)時(shí)。

2.4.2 數(shù)據(jù)解析

故障報(bào)警管理。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)配電室設(shè)備運(yùn)行故障的監(jiān)視功能，實(shí)現(xiàn)即時(shí)告警，精確定位。通過故障管理功能，用戶可對(duì)告警進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，系統(tǒng)提供了故障智能診斷功能，以提高故障發(fā)現(xiàn)、故障處理的效率，減少故障造成的影響，更加有效地保障安全運(yùn)行；云平臺(tái)為用戶提供了告警的實(shí)時(shí)監(jiān)控瀏覽與查詢[4]。

報(bào)警規(guī)則。遙測量告警：選擇需配置的配電回路及該配電回路所需報(bào)警的變量類型，可配置配電系統(tǒng)遙測量的實(shí)時(shí)告警規(guī)則，以及配置各報(bào)警類型的報(bào)警值，報(bào)警級(jí)別，報(bào)警信息[5]。遙信量報(bào)警：配置開關(guān)量的報(bào)警規(guī)則，可以是分段報(bào)警或是閉合報(bào)警，也可設(shè)置變位報(bào)警。報(bào)警推送規(guī)則：告警可設(shè)定等級(jí)，可分組/分區(qū)。不同的告警可設(shè)定通知給不同的用戶。告警通知支持實(shí)時(shí)短信、App 通知等方式。當(dāng)平臺(tái)采集到告警信息后，根據(jù)所設(shè)置的告警通知規(guī)則，將告警信息發(fā)送到相關(guān)運(yùn)維人員的手機(jī)里，從而使得運(yùn)維管理人員在第一時(shí)間內(nèi)了解運(yùn)行狀態(tài)、獲知故障信息，并及時(shí)地處理故障[6]。

3 成果實(shí)施效果說明

本項(xiàng)目成果的使用有利于系統(tǒng)自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測二次監(jiān)控設(shè)備的直流系統(tǒng)通信，通過故障模型的對(duì)比和故障現(xiàn)象數(shù)據(jù)的分析，能將潛在的直流系統(tǒng)故障提前發(fā)現(xiàn)和采取相應(yīng)的技術(shù)措施，避免二次監(jiān)控設(shè)備的直流系統(tǒng)故障的發(fā)生。這個(gè)過程的通信構(gòu)架模型和數(shù)據(jù)庫比對(duì)都是后臺(tái)自動(dòng)完成，實(shí)現(xiàn)24h 不掉線監(jiān)測，避免了人為的干預(yù)，而且監(jiān)測到可疑情況時(shí)，能自動(dòng)診斷，根據(jù)信息特性和故障類別能發(fā)出不同級(jí)別的告警提示，有效提升了二次監(jiān)控設(shè)備的直流系統(tǒng)管理水平，減少了人員查找故障時(shí)間，大大提高了故障處理效率。

4 成果推廣前景描述

該項(xiàng)目填補(bǔ)了開關(guān)站和變電站二次監(jiān)控設(shè)備的直流系統(tǒng)通信構(gòu)架的空白，為直流開啟在線維護(hù)實(shí)時(shí)在線維護(hù)的先河。直流系統(tǒng)雖然是電力系統(tǒng)中的輔助系統(tǒng)，但復(fù)雜度和維護(hù)的工作量都比較大，重要性也很突出，直接關(guān)系到用電的可靠性，長期以來未被重視。該項(xiàng)目通過組建二次監(jiān)控設(shè)備的直流通信系統(tǒng)，有效提高了配電網(wǎng)的運(yùn)行水平，大大減少了直流系統(tǒng)的故障率，減輕了搶修工作量，提高了工作安全性，將二次監(jiān)控設(shè)備的直流潛在故障消滅在萌芽狀態(tài)，值得大面積推廣。

5 創(chuàng)新點(diǎn)和運(yùn)行效果說明

創(chuàng)新點(diǎn)。一是研發(fā)了適用于二次控制設(shè)備直流電源系統(tǒng)通信構(gòu)架，在電力二次監(jiān)控設(shè)備的直流系統(tǒng)中，目前只有獨(dú)立的單個(gè)設(shè)備和單個(gè)節(jié)點(diǎn)做個(gè)監(jiān)測，還沒有出現(xiàn)對(duì)二次監(jiān)控設(shè)備的直流做系統(tǒng)性的監(jiān)測，本項(xiàng)目在這方面為首創(chuàng)，填補(bǔ)了本領(lǐng)域的空白；二是首次研發(fā)了基于二次監(jiān)控設(shè)備的直流系統(tǒng)通信云平臺(tái)監(jiān)測系統(tǒng)；三是創(chuàng)新性地建立了二次控制設(shè)備直流電源系統(tǒng)通信構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)了二次控制設(shè)備直流電源系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，解決了二次控制設(shè)備直流電源系統(tǒng)監(jiān)控的空白，建立了二次控制設(shè)備直流電源系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)模板，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈存儲(chǔ)、提升了數(shù)據(jù)管理的規(guī)范性。

運(yùn)行效果。本項(xiàng)目研究的通信框架系統(tǒng)解決了二次監(jiān)控設(shè)備的直流系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測的功能，對(duì)電網(wǎng)二次回路的直流電源監(jiān)測有重要的意義。項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高了電網(wǎng)自動(dòng)化的能力，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站有很好地幫助。