徐向華

上海浦電網(wǎng)絡(luò)科技有限公司

0 電力電能監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生的背景

電網(wǎng)是由“發(fā)電、輸電、變電、配電、用電”五個環(huán)節(jié)組成，“配電、用電”即是電網(wǎng)的用戶端，85%的電能是由終端用戶予以消耗的。終端用戶主要有企業(yè)、樓宇、道路等多個板塊。

智能電力監(jiān)控系統(tǒng)是數(shù)字化和信息化時代應運而生的產(chǎn)物，已被廣泛應用于電網(wǎng)用戶側(cè)樓宇、體育場館、科研設(shè)施、機場、交通、醫(yī)院、電力和石化行業(yè)等諸多領(lǐng)域的高/低壓變配電系統(tǒng)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能建筑已成為城市現(xiàn)代化、信息化的重要標志。智能建筑的組成通常有三個要素，即：建筑物自動化系統(tǒng)（BAS）、通訊自動化系統(tǒng)（CAS）和辦公自動化系統(tǒng)（OAS）。BAS是對整個系統(tǒng)進行綜合控制管理的統(tǒng)一體，它以計算機局域網(wǎng)絡(luò)為通信基礎(chǔ)，用于設(shè)備運行管理、數(shù)據(jù)采集和過程控制。智能電力監(jiān)控系統(tǒng)是BAS中的一個重要組成部分，通過智能電力監(jiān)控系統(tǒng)可大幅提高整個變配電系統(tǒng)的管理水平,便于與其它BAS聯(lián)網(wǎng),構(gòu)成完整的樓宇自動化管理系統(tǒng)。因此，智能電力監(jiān)控系統(tǒng)是智能建筑必不可少的組成部分。

智能電力監(jiān)控系統(tǒng)對高壓開關(guān)柜、低壓開關(guān)柜、應急發(fā)電機組、電力變壓器和EPS/UPS/ATS等的工作狀態(tài)進行監(jiān)控。通過實時記錄單相/三相電壓、需量、單相/三相電流、功率、功率因數(shù)、電度、頻率、諧波和電流開關(guān)狀態(tài)等各項參數(shù)實現(xiàn)監(jiān)測，當參數(shù)值超出允許范圍時便進行預警、報警，并具備對相關(guān)成品的控制能力。它以較少的軟、硬件投資，極大地提高了供配電系統(tǒng)的安全性、可靠性和自動化水平。

通過工控機及系統(tǒng)集成軟件對各監(jiān)控裝置的動態(tài)參數(shù)進行集成，建立變電站設(shè)備狀態(tài)綜合數(shù)據(jù)庫，自動生成設(shè)備狀態(tài)參數(shù)報表和變化趨勢曲線，對設(shè)備狀態(tài)的歷史參數(shù)進行“橫比”、趨勢分析和相對比較相結(jié)合，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的初步診斷，為專家診斷系統(tǒng)提供開放性平臺，通過網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場設(shè)備的遠程/現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)測、診斷和評估。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

智能電力監(jiān)控系統(tǒng)是由智能測控裝置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及計算機設(shè)備、智能電力儀表、電力監(jiān)控系統(tǒng)組成。系統(tǒng)因項目規(guī)模、功能性能、重要程度、用戶投資水平等因素不同，采取不同的拓撲結(jié)構(gòu)。但是無論采取何種拓撲結(jié)構(gòu)都采用了“站控管理層——網(wǎng)絡(luò)通訊層——現(xiàn)場設(shè)備層”的分層分布式設(shè)計方案。這類分層設(shè)計，符合當前通訊體系設(shè)計實現(xiàn)的標準，在每層都能相對完成監(jiān)視控制功能，即可以實現(xiàn)遠方的監(jiān)視控制，也能夠在上層故障時不影響本層和下一層的功能。

1.1 主站層（站控管理層、不限地理位置的訪問層）

主站層位于監(jiān)控室內(nèi)，主要安裝智能電力監(jiān)控系統(tǒng)的后臺主機等相關(guān)外設(shè)。負責將通訊間隔層上傳的數(shù)據(jù)解包，進行集中管理和分析，執(zhí)行相關(guān)操作，負責整個變配電系統(tǒng)的整體監(jiān)控。智能電力監(jiān)控系統(tǒng)提供專用的通訊功能模塊，通過專用的以太網(wǎng)硬件通訊接口，以O(shè)PC方式或其它通訊協(xié)議向上一級系統(tǒng)（如：BAS、DCS或調(diào)度系統(tǒng)）發(fā)送相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息，實現(xiàn)系統(tǒng)的集成。也可將數(shù)據(jù)發(fā)送至具有相關(guān)權(quán)限人員的移動終端上，實現(xiàn)跨越地理位置的監(jiān)控。

1.2 通訊間隔層（網(wǎng)絡(luò)通訊層）

采用通訊管理機負責與現(xiàn)場設(shè)備層的各類裝置進行通訊，采集各類裝置的數(shù)據(jù)、參數(shù)，進行處理后集中打包傳輸?shù)街髡緦?，同時作為中轉(zhuǎn)單元，接受主站層下發(fā)的指令，轉(zhuǎn)發(fā)給現(xiàn)場設(shè)備層各類裝置。

1.3 現(xiàn)場設(shè)備層

一般位于中低壓變配電室，包括：微機保護裝置、智能多功能儀表、溫濕控制器、變壓器溫控器、馬達保護器等。這些設(shè)備負責采集高低壓配電室的各類數(shù)據(jù)和信息狀態(tài)，發(fā)送給具備通訊的數(shù)據(jù)處理器。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的通訊協(xié)議

電力電能監(jiān)控系統(tǒng)有多種通訊協(xié)議，被廣泛采用的是一種基于Modbus TCP協(xié)議的電力電能監(jiān)控系統(tǒng)，將現(xiàn)場設(shè)備層儀表中基于RS485通訊接口的不同協(xié)議格式的數(shù)據(jù)，通過Modbus TCP通信單元轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的基于以太網(wǎng)口（RJ45）的Modbus TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)，在監(jiān)控層上實現(xiàn)電力電能數(shù)據(jù)的監(jiān)控和管理。以常用的基于Modbus RTU標準通信協(xié)議的電力儀表和電力專用的基于DL/T645-2007通信協(xié)議的多功能電表為例，進行實際應用，最終驗證了通信的正確性和電力監(jiān)控系統(tǒng)的有效性。

3 基于SCADA技術(shù)的電力電能監(jiān)控系統(tǒng)

SCADA在鐵道電氣化遠動系統(tǒng)上的應用較早，在保證電氣化鐵路的安全可靠供電、提高鐵路運輸?shù)恼{(diào)度管理水平發(fā)揮了很大的作用。在鐵道電氣化SCADA系統(tǒng)的發(fā)展過程中，隨著計算機的發(fā)展，不同時期有不同的產(chǎn)品，同時我國也從國外引進了大量的SCADA產(chǎn)品與設(shè)備，從而帶動了鐵道電氣化遠動系統(tǒng)向更高的目標發(fā)展。

SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統(tǒng)，全稱為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)自誕生之日起與計算機技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)。SCADA系統(tǒng)發(fā)展已經(jīng)歷了三代。SCADA系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用最為廣泛、技術(shù)發(fā)展成熟可靠。作為能量管理系統(tǒng)（EMS系統(tǒng)）的一個最主要的子系統(tǒng)，具有信息完整、提高效率、正確掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)、加快決策、能幫助快速診斷出系統(tǒng)故障狀態(tài)等優(yōu)勢，已成為電力調(diào)度不可缺少的工具。對提高電網(wǎng)運行的可靠性、安全性與經(jīng)濟性，實現(xiàn)電力調(diào)度自動化與現(xiàn)代化，提高調(diào)度的效率和水平有著不可替代的作用。

通常SCADA系統(tǒng)分為兩個層面，即客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。服務(wù)器與硬件設(shè)備通信，進行數(shù)據(jù)處理和運算。而客戶用于人機交互，如用文字、動畫顯示現(xiàn)場的狀態(tài)，并可以對現(xiàn)場的開關(guān)、閥門進行操作。還有一種“超遠程客戶”，它可以通過Web發(fā)布在Internet上進行監(jiān)控。硬件設(shè)備(如PLC)一般既可以通過點到點方式連接，也可以總線方式連接到服務(wù)器上。點到點連接一般通過串口(RS232)，總線方式可以是RS485，以太網(wǎng)等連接方式。軟件SCADA由很多任務(wù)組成，每個任務(wù)完成特定的功能。位于一個或多個機器上的服務(wù)器負責數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理（如、濾波、報警檢查、計算、事件記錄、歷史存儲、執(zhí)行用戶腳本等），服務(wù)器間可以相互通訊。有些系統(tǒng)將服務(wù)器進一步單獨劃分成若干專門服務(wù)器，如報警服務(wù)器、記錄服務(wù)器、歷史服務(wù)器、登錄服務(wù)器等。各服務(wù)器邏輯上作為統(tǒng)一整體，但物理上可能放置在不同的機器上。分類劃分的好處是可以將多個服務(wù)器的各類數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、分工協(xié)作，缺點是效率低，局部故障可能影響整個系統(tǒng)。

4 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)電力監(jiān)控系統(tǒng)的融合

4.1 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點

隨著Internet的出現(xiàn)，信息高速發(fā)展，促使信息資源的傳遞以及利用發(fā)生了較大的變化，作為當今一個非常重要的傳播媒體，網(wǎng)絡(luò)具有高滲透性、高速性、高保真性等特征，因此，也就成為信息化社會的一個重要基礎(chǔ)。為了促使信息來源的廣泛性得到進一步的保證，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是建立在社會信息化的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)之上。

為了促使企業(yè)實現(xiàn)信息化，企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)則是其中關(guān)鍵的平臺。所謂企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)（或稱企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)），指的是企業(yè)以國際互聯(lián)網(wǎng)的開放標準為基礎(chǔ)，建立其屬于自己的網(wǎng)絡(luò)。因為互聯(lián)網(wǎng)與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)都是遵循相同的標準，兩者能非常容易連接起來。為了促使內(nèi)部網(wǎng)的安全得到較好的保障，兩者之間通常會采用“防火墻”來進行防護。

4.2 新型電力監(jiān)控系統(tǒng)

新型電力電能監(jiān)控系統(tǒng)旨在依托強大的“互聯(lián)網(wǎng)”來打造智能化、數(shù)據(jù)化的電力電能服務(wù)系統(tǒng)。讓用戶可以方便對所轄配電房用電數(shù)據(jù)進行查看與分析，讓專業(yè)的電力服務(wù)提供商協(xié)助用戶對配電房進行有效地運營監(jiān)管與數(shù)據(jù)分析，從而提高配電設(shè)備的有效壽命、節(jié)省客觀的硬件成本。系統(tǒng)采用了先進的軟件架構(gòu)和算法，采集硬件使用了多重保護機制，保證硬件全天候穩(wěn)定運行；鏈路層多重異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互備與自動切換，保證鏈路高速可用；云端集群架構(gòu)，保證負載均衡，避免單點故障。完善的CA機制，在硬件出廠時內(nèi)置數(shù)字證書，上線接入時使用非對稱密鑰對設(shè)備鑒權(quán)，避免非法接入；鏈路層數(shù)據(jù)采用256位對稱密鑰加密，保證數(shù)據(jù)安全。全新鏈路層設(shè)計及服務(wù)端負載均衡接入，支持線性擴展，解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）接入模式接入設(shè)備數(shù)量具有上限的問題；云端分布式存儲結(jié)構(gòu)，支持業(yè)務(wù)近乎無限擴容。獨立的設(shè)備管理平臺，遠程監(jiān)控采集器運行狀態(tài)；遠程推送應用與遠程固件升級。數(shù)據(jù)運算、預處理與報警邏輯下放到智能采集終端上處理，最小化報警延遲，從而減小業(yè)務(wù)損失。現(xiàn)場電表配置采用B/S架構(gòu)，在服務(wù)器端完成并保存。降低現(xiàn)場實施難度，同時避免由于采集設(shè)備損壞導致重復配置。智能采集終端內(nèi)置電池，一方面避免外部供電閃斷造成硬件損壞，另一方面在外部供電異常時可以上報異常，提示運維人員。數(shù)據(jù)采集以高頻采集，按配置頻率上報，同時緩存高頻原始數(shù)據(jù)。當報警出現(xiàn)時，自動上報相關(guān)原始高頻數(shù)據(jù)。

4.3 新型電力電能監(jiān)控系統(tǒng)特點

4.3.1 友好的人機交互界面（HMI）

標準的變配電系統(tǒng)具有CAD一次單線系統(tǒng)圖顯示中、低壓配電網(wǎng)絡(luò)的接線情況；龐大的系統(tǒng)具有多畫面切換及畫面導航的功能；分散的配電系統(tǒng)具有空間地理平面的系統(tǒng)功能主畫面。主畫面可直觀顯示各回路的運行狀態(tài)，并具有回路帶電、非帶電及故障著色的功能。主要電參量直接顯示于人機交互界面并實時刷新。

用戶管理：智能電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件可對不同級別的用戶賦予不同權(quán)限，從而保證系統(tǒng)在運行過程中的安全性和可靠性。

4.3.2 數(shù)據(jù)采集處理

e電修智能電力監(jiān)護云系統(tǒng)可實時和定時采集現(xiàn)場設(shè)備的各電參量及開關(guān)量狀態(tài)（包括三相電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率、電能、溫度、開關(guān)位置、設(shè)備運行狀態(tài)等），將采集到的數(shù)據(jù)或直接顯示、或通過統(tǒng)計、計算生成新的直觀的數(shù)據(jù)信息再顯示（總系統(tǒng)功率、負荷最大值、功率因數(shù)上下限等），并對重要的信息量進行數(shù)據(jù)庫存儲。

4.3.3 趨勢曲線分析

e電修智能電力監(jiān)護云系統(tǒng)提供了實時曲線和歷史趨勢兩種曲線分析界面，通過調(diào)用相關(guān)回路實時曲線界面分析該回路當前的負荷運行狀況。如通過調(diào)用某配電回路的實時曲線可分析該回路的電氣設(shè)備所引起的信號波動情況。系統(tǒng)的歷史趨勢即系統(tǒng)對所有已存儲數(shù)據(jù)均可查看其歷史趨勢，方便工程人員對監(jiān)測的配電網(wǎng)絡(luò)進行質(zhì)量分析。

4.3.4 報表管理

e電修智能電力監(jiān)護云系統(tǒng)具有標準的電能報表格式并可根據(jù)用戶需求設(shè)計符合其需要的報表格式，系統(tǒng)可自動統(tǒng)計?？勺詣由筛鞣N類型的實時運行報表、歷史報表、事件故障及告警記錄報表、操作記錄報表等，可以查詢和打印系統(tǒng)記錄的所有數(shù)據(jù)值，自動生成電能的日、月、季、年度報表，根據(jù)付費率的時段及費率的設(shè)定值生成電能的費率報表，查詢打印的起點、間隔等參數(shù)可自行設(shè)置；系統(tǒng)設(shè)計還可根據(jù)用戶需求量身定制滿足不同要求的報表輸出功能。

4.3.5 事件記錄和故障報警

e電修智能電力監(jiān)護云系統(tǒng)對所有用戶操作、開關(guān)變位、參量越限及其他用戶實際需求的事件均具有詳細的記錄功能，包括事件發(fā)生的時間位置、當前值班人員事件是否確認等信息，對開關(guān)變位、參量越限等信息還具有聲音報警功能，同時自動對運行設(shè)備發(fā)送控制指令或提示值班人員迅速排除故障。

4.4 新型電力監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢

新型電力監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。

1）系統(tǒng)將原有的SCADA系統(tǒng)的監(jiān)控范圍擴展到園區(qū)內(nèi)全部配電設(shè)備和回路，大幅提升了管理覆蓋的范圍。同時平臺將一次接線圖及實時數(shù)據(jù)顯示搬移到云平臺，實現(xiàn)隨時、隨地瀏覽和管理新、老廠區(qū)電力設(shè)備，為第一時間確定用電異常提供重要參考。

2）平臺支持環(huán)境數(shù)據(jù)及多能源數(shù)據(jù)監(jiān)測。用戶可根據(jù)實際需要建立包括溫濕度、煙感、水浸、二氧化碳濃度、PM2.5濃度、甲醛濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測，也可以將水、蒸汽、燃氣、壓縮空氣等其他能源數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，平臺支持多能源、多監(jiān)測點數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。

圖1

3）系統(tǒng)基于精確的電氣數(shù)據(jù)，從電量與需量分析、分時電量分析、負載率分析、用電構(gòu)成分析等角度，實現(xiàn)對用電精細化管理。平臺提供的分析工具可以實現(xiàn)基本電費優(yōu)化、提高能源使用效率，降低用能成本的目標。

4）系統(tǒng)提供回路級詳細用電數(shù)據(jù)的查看，包括電量、需量、有功功率、相電壓、線電壓、電流、剩余電流、功率因數(shù)、溫度、頻率、三相電壓不平衡度、三相電流不平衡度、無功功率、視在功率、電壓總諧波、電流總諧波等內(nèi)容。用戶可對不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容進行查看，統(tǒng)計維度包括原始數(shù)據(jù)（15分鐘、5分鐘、1分鐘）、按日統(tǒng)計、按月統(tǒng)計，時間維度根據(jù)不同的統(tǒng)計維度，可選擇不同的時間段，系統(tǒng)將根據(jù)用戶的數(shù)據(jù)采集進行數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，在原始數(shù)據(jù)查看時，用戶可對原始數(shù)據(jù)進行表格導出至本地。

5）系統(tǒng)提供AI智能報裝模塊，該模塊將為兩部制電價用戶提供最優(yōu)的報裝建議，通過報裝策略的制定和選擇，實現(xiàn)為用戶節(jié)省基本電費的目的。其中，該模塊包括需量AI智能預測功能，該功能模塊將根據(jù)用戶實際的用電數(shù)據(jù)，分析用電行為，進而對未來用電的最大需量數(shù)值進行預測，結(jié)合用戶所在區(qū)域的電價政策，為用戶提供最優(yōu)的報裝方案。

6）系統(tǒng)通過自動化分析工具，實現(xiàn)對項目配電結(jié)構(gòu)，累計用電量數(shù)據(jù)等相關(guān)量計算，分析出各個層面上的線路損耗和變壓器損耗。并提供損耗概覽和損耗分析頁面，用于不同需求場景。

7）配合用戶對用能的精細化管理，平臺支持用戶靈活制定能源數(shù)據(jù)報表，用戶可根據(jù)實際需求，從統(tǒng)計時間、統(tǒng)計班次、計量周期、數(shù)據(jù)類型等多維度制定報表生成策略，系統(tǒng)將據(jù)此定期自動生成相應的自定義報表，用戶可下載查看各類自定義報表，結(jié)合自身其他管理數(shù)據(jù)（如產(chǎn)量數(shù)據(jù)等），實現(xiàn)精細化管理。該自定義報表模塊，支持統(tǒng)計的對象包括回路、監(jiān)測點及其和差運算，支持統(tǒng)計的數(shù)據(jù)包括采集的累積量、瞬時量等，支持統(tǒng)計的周期包括日、月、季、年等，支持計量的顆粒度包括每15分鐘、每小時、每天、每月、每班次。

8）系統(tǒng)提供巡檢管理功能，為客戶根據(jù)實際管理需求指定園區(qū)配電設(shè)備巡檢計劃及配電運維員工管理提供了先進的管理理念和工具，實現(xiàn)派單自動化、巡檢過程流程化、巡檢結(jié)果可視化，確保巡檢的工作質(zhì)量，為安全用電提供了堅實的基礎(chǔ)。

9）系統(tǒng)提供故障及缺陷報警和相應的工單轉(zhuǎn)換分配和跟蹤功能。為綜合無人化運維提供在線云端及手機端工具和管理系統(tǒng)。保障安全用電的及時性和故障恢復的有效性，提升了運維管理水平和故障恢復水平，并對運維人員的管理提供極大的便利性。

10）系統(tǒng)支持用戶配置推送報警消息，可針對不同的項目選擇不同級別的報警消息，通過微信服務(wù)號向指定的人員推送報警消息。被指定人員第一時間接收到報警消息后，可點擊查看該報警消息詳情。

11）系統(tǒng)提供專門的模塊方便用戶統(tǒng)一管理電氣資產(chǎn)，將電氣設(shè)備與用能數(shù)據(jù)進行對比，為設(shè)備管理、保養(yǎng)、和設(shè)備供應商選擇、管理提供了可靠、科學和可比較的工具。

5 項目實際實施情況及總結(jié)

新型電力電能監(jiān)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定，各項數(shù)據(jù)傳送完整正確。預警、報警功能正常工作。電力電能數(shù)據(jù)得到正確累積。新型電力電能系統(tǒng)的內(nèi)置算法開始在節(jié)能方面提出建議及意見，能給用戶單位提出建議性的意見，指導用戶如何合理安排用電時間，以節(jié)省相關(guān)的費用。

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在未來的生活與工作中將成為不可或缺的重要科技手段，在電力電能監(jiān)控領(lǐng)域，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也將多方位得到廣泛的應用。在互聯(lián)網(wǎng)等智能技術(shù)的發(fā)展與提升中，電力電能的監(jiān)控將會越來越智能化、數(shù)據(jù)化、遠程化。