王慶磊 郭亞津

(南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河北分局，河北 石家莊 050000)

南水北調(diào)中線工程是當(dāng)今世界上規(guī)模最大的人工調(diào)水工程，水源取自長江最大的支流漢江下游丹江口水庫，全線采用自流方式輸水，途徑河南、河北、北京、天津。隨著南水北調(diào)中線信息化建設(shè)的不斷深入，作為基礎(chǔ)設(shè)施的通信電源系統(tǒng)作用越發(fā)突顯，為保障電源設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)，降低因電池參量監(jiān)測不全面導(dǎo)致的安全問題，需對整個南水北調(diào)中線工程通信電源系統(tǒng)進(jìn)行全面實時監(jiān)測，以便及時發(fā)現(xiàn)電源系統(tǒng)故障，做到第一時間處理，并為設(shè)備維護(hù)及更換提供數(shù)據(jù)及理論依據(jù)。進(jìn)而保證中線工程通信系統(tǒng)作為“中樞神經(jīng)”正常穩(wěn)定運行。近些年來，由于Zigbee無線通信技術(shù)有著功耗低、成本低、系統(tǒng)簡單、支持多節(jié)點等優(yōu)點，基于Zigbee無線通信技術(shù)的動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

1 Zigbee的技術(shù)原理

Zigbee是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個人區(qū)域網(wǎng)協(xié)議。這一稱謂源自于蜜蜂之間的交流方式，蜜蜂是靠拍動翅膀發(fā)出“嗡嗡”的聲音來與同伴交換信息的，Zigbee是由很多個無線節(jié)點組成的無線數(shù)據(jù)傳輸平臺，與現(xiàn)有的移動通信的4G網(wǎng)絡(luò)或5G網(wǎng)絡(luò)很類似，每一個Zigbee無線節(jié)點類似微型基站，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，任意兩個無線節(jié)點之間采用雙工方式可以進(jìn)行無障礙的通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離根據(jù)設(shè)備功率的不同可以從75m到達(dá)幾千米。Zigbee網(wǎng)絡(luò)還可以通過網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備與現(xiàn)有的其他各種類型的有線或者無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)。其主要特點是傳輸距離近、系統(tǒng)簡單、功耗低、組網(wǎng)成本低。主要在距離短、功耗低且傳輸速率不高的有周期性數(shù)據(jù)和低時延數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用，可以內(nèi)嵌入各種電子設(shè)備之中。起初Zigbee技術(shù)主要是為實現(xiàn)自動化控制系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的傳輸，每個Zigbee無線節(jié)點除了本身可以與監(jiān)控對象通信外，還可以自動中轉(zhuǎn)其他無線節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù);每個Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點可支持多達(dá)31個傳感器和受控設(shè)備(見圖1)。

圖1 Zigbee無線通信結(jié)構(gòu)及組成

2 管理機(jī)構(gòu)設(shè)置和動力環(huán)境環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 管理機(jī)構(gòu)設(shè)置

中線工程調(diào)水線路長，渠道沿線建筑物多，水工建筑物種類多樣，為了實現(xiàn)科學(xué)、全面、系統(tǒng)的管理，按統(tǒng)一調(diào)度、集中控制、分級管理的原則設(shè)置中線建管局、分局、管理處等三級管理機(jī)構(gòu)。現(xiàn)地閘站采用“無人值班、少人值守”方式。南水北調(diào)中線信息科技有限公司作為南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局直屬企業(yè)，負(fù)責(zé)南水北調(diào)中線工程通信、視頻監(jiān)控、閘站監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)、消防、機(jī)電等系統(tǒng)的運行維護(hù)、大修、新建、技改及科研等工作。

京津冀段動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，是在現(xiàn)有通信電源集中監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對京津冀段的北京局機(jī)關(guān)、2個分局、20個管理處、95個現(xiàn)地站、112個閘站、7個水質(zhì)自動監(jiān)測站、2個水質(zhì)實驗室共239處的直流-48V電池組、UPS蓄電池組、閘站UPS、充電饋電柜蓄電池組、充電饋電柜進(jìn)行監(jiān)控。待監(jiān)控設(shè)備包括UPS主機(jī)215臺、各種蓄電池12598只、充電饋電柜95臺。

2.2 動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

前期實施的動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)在投資有限的情況下，為了節(jié)省工程投資，并未對通信電源系統(tǒng)進(jìn)行全方位監(jiān)測。在后期運行維護(hù)過程中發(fā)現(xiàn)動力、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)不全面，出現(xiàn)問題時不能及時告警、部分未檢測到的單體蓄電池出現(xiàn)問題或老化等，致使整個蓄電組使用性能下降，上述問題為通信網(wǎng)絡(luò)安全帶來重大隱患，影響整個自動化調(diào)度運行管理系統(tǒng)的安全運行。為此將南水北調(diào)中線干線工程京津冀段的現(xiàn)地UPS、蓄電池、充饋電柜設(shè)備進(jìn)行全面監(jiān)控，及時有效掌握現(xiàn)地UPS主機(jī)、充電饋電柜、蓄電池組及電池單體的運行狀態(tài)，使監(jiān)控平臺對所監(jiān)控的設(shè)備進(jìn)行全面的數(shù)據(jù)分析及處理，提前發(fā)現(xiàn)電源系統(tǒng)故障、電池單體故障、容量劣化等問題并報警顯示，保障設(shè)備動力、環(huán)境處于一個良好的狀態(tài)，對動力、環(huán)境設(shè)備進(jìn)行全部實時監(jiān)測是非常必要的。不僅可以及時發(fā)現(xiàn)問題設(shè)備，做到提前發(fā)現(xiàn)，提前預(yù)防，還可為設(shè)備維護(hù)及更換提供數(shù)據(jù)及理論依據(jù)。

2.2.1 前期對UPS蓄電池組的監(jiān)控情況

采用蓄電池巡檢儀(BAT2.3)監(jiān)測蓄電池的電壓及表面溫度。通信站點每8～10只蓄電池僅抽測1只蓄電池電壓，每組每10只抽測1只蓄電池內(nèi)阻，每組僅對1號蓄電池表面溫度進(jìn)行抽測，每組蓄電池均測試電池容量和電池充、放電流量。啟閉機(jī)室內(nèi)沒有對閘站監(jiān)控系統(tǒng)配置的UPS和對應(yīng)蓄電池進(jìn)行監(jiān)控。

2.2.2 前期對直流-48V蓄電池組監(jiān)控情況

采用5V電壓傳感器直接將單體電壓接入增強智能型監(jiān)控單元(EISU)的AI采集端口進(jìn)行監(jiān)測，單體電池溫度采用表面溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測。僅對部分通信中繼站，對直流-48V每節(jié)單體蓄電池組接入增強型蓄電池監(jiān)控單元(EBMU)采集端口進(jìn)行電壓全監(jiān)測，對蓄電池表面溫度監(jiān)測每6節(jié)抽測了一節(jié)，剩余站點對-48V蓄電池組每組抽測了1節(jié)單體電壓、總電壓、內(nèi)阻和表面溫度。每組蓄電池均測試電池容量和電池充、放電流量。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

為了保證動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用了模塊化的方法進(jìn)行設(shè)計，確保系統(tǒng)在任何一個節(jié)點或某一設(shè)備故障情況下不影響其他設(shè)備和系統(tǒng)的正常運行，設(shè)備本身具有較好的穩(wěn)定性和良好的故障保護(hù)功能模塊。采用分布式系統(tǒng)架構(gòu)可滿足系統(tǒng)擴(kuò)展和快讀升級能力，以適應(yīng)用戶業(yè)務(wù)發(fā)展和管理的需要。SU預(yù)留部分接口以應(yīng)對以后可能接入的智能空調(diào)、UPS主機(jī)等智能設(shè)備和水浸傳感器、溫濕度傳感器等非智能設(shè)備，系統(tǒng)采用B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式，大部分軟件的安裝與維護(hù)集中在監(jiān)控服務(wù)器端，便于后期的維護(hù)和升級。采用B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的好處在于客戶端只需要用于界面顯示，而數(shù)據(jù)后處理功能放在監(jiān)控層，當(dāng)監(jiān)控的對象需求增加時，只需對監(jiān)控平臺進(jìn)行升級，大大增強了系統(tǒng)的可維護(hù)性。動力環(huán)境監(jiān)控管理平臺是一個高可靠性的分布式機(jī)房動力和環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)。動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)從業(yè)務(wù)層劃分為業(yè)務(wù)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)傳送層、前端采集層。業(yè)務(wù)應(yīng)用層為綜合監(jiān)控平臺，數(shù)據(jù)傳輸層為業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)，前端采集層為監(jiān)控單元與傳感器。從硬件層面可劃分為監(jiān)控單元(SU)、監(jiān)控管理中心(SC)、監(jiān)控業(yè)務(wù)臺(SS)，采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，每個模塊能夠獨立工作。動力監(jiān)控整體架構(gòu)見圖2。

圖2 動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)

4 系統(tǒng)組成和各部分作用

動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控單元(SU)、監(jiān)控管理中心(SC)、監(jiān)控業(yè)務(wù)臺(SS)和蓄電池監(jiān)控單元組成(見圖3)。

圖3 動環(huán)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成

監(jiān)控單元(SU)：動力、環(huán)境、安防監(jiān)控單元由綜合監(jiān)控采集器、智能設(shè)備采集器(串口服務(wù)器)、無線網(wǎng)關(guān)、以太網(wǎng)交換機(jī)、無線傳感器等組成，一少部分被監(jiān)控設(shè)備通過串口或是I/O口與采集器直接相連，采集如交流配電柜、直流配電屏、不間斷電源、高頻開關(guān)電源、溫濕度儀等的現(xiàn)場信號。蓄電池監(jiān)控單元采用基于Zigbee無線技術(shù)的星型網(wǎng)絡(luò)，星型網(wǎng)絡(luò)的重要性在于，外圍監(jiān)控傳感器盡可能地簡單，復(fù)雜結(jié)構(gòu)主要集中在監(jiān)控單元，可以盡可能地全面監(jiān)測單體電池的電導(dǎo)、電壓和溫度參數(shù)，VTC測量模塊監(jiān)測電池組的總電壓、總電流以及環(huán)境溫度，以及無線網(wǎng)關(guān)兼容電池組總電壓和總電流以及環(huán)境溫度等。無線網(wǎng)關(guān)與傳感器及VTC之間采用Zigbee無線通信技術(shù)，不但為現(xiàn)場安裝和布局提供了極大便利性，同時也節(jié)約了施工安裝等成本。無線網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)接口與客戶監(jiān)控平臺或者PC終端完成實時監(jiān)控和信息采集，最終通過業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)TCP/IP方式將采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)先進(jìn)行預(yù)處理或是直接無差別地上傳至綜合監(jiān)控數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。IT監(jiān)控單元由各類被監(jiān)控的IT設(shè)備通過TCP/IP方式，采用B接口或SNMP接口將數(shù)據(jù)上傳到綜合監(jiān)控數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

監(jiān)控管理中心(SC)：由中心機(jī)房的監(jiān)控管理服務(wù)器組成，通常情況下采用一主一備冗余配置，確保監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定靠地運行。用于將綜合監(jiān)控平臺監(jiān)控范圍內(nèi)所有設(shè)備遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、實時處理、實時監(jiān)視系統(tǒng)和設(shè)備的運行狀態(tài)，記錄、處理、分析和輸出相關(guān)數(shù)據(jù)，及時監(jiān)測故障，并做必要的遙控操作，按照一定要求提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)和報表，處理所有的報警信息，記錄報警事件。監(jiān)控管理服務(wù)器負(fù)責(zé)整體系統(tǒng)的集中管理與調(diào)度，收集與處理由監(jiān)控單元(SU)發(fā)送上來的數(shù)據(jù)和報警，監(jiān)控管理服務(wù)器采用IE的遠(yuǎn)程方式進(jìn)行訪問，用戶可以實現(xiàn)各種統(tǒng)計報表、數(shù)據(jù)分析處理、告警管理、權(quán)限管理和系統(tǒng)配置管理等。

監(jiān)控業(yè)務(wù)臺(SM)：是用戶使用的最主要操作平臺，通過它可以直接了解到通信站點內(nèi)的工作狀況，它集合了全部的日常使用的業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)臺的主要功能包括查看設(shè)備的實時數(shù)據(jù)、實時曲線、歷史曲線等，對告警信息進(jìn)行查詢、確認(rèn)、處理、屏蔽，對常用報表進(jìn)行查詢和下載。緊急情況下還可對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

5 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)組建完成后，需要進(jìn)行系統(tǒng)性的試驗，通過試驗結(jié)果分析系統(tǒng)是否能達(dá)到預(yù)期效果。進(jìn)行測試前，首先應(yīng)檢查檢測設(shè)備之間線纜連接是否正確可靠、設(shè)備輸入電壓是否在規(guī)定范圍以內(nèi)、設(shè)備內(nèi)部的電源布線無接地等情況。主要測試內(nèi)容為系統(tǒng)測量蓄電池組電壓、溫度、電導(dǎo)、電流等參數(shù)的準(zhǔn)確度，網(wǎng)關(guān)節(jié)點的丟包率以及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。利用計算機(jī)運行無線網(wǎng)關(guān)管理軟件，連接主控模塊配置好設(shè)備信息，查看電池組電壓、電流、電導(dǎo)等數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，并將系統(tǒng)測量的電池組電壓、電流等參數(shù)記錄下來，利用數(shù)字萬用表、電導(dǎo)測試儀等工具，對比系統(tǒng)測量的電池組參數(shù)兩個值是否在規(guī)定范圍內(nèi)。由測試結(jié)果可以看出蓄電池組組電壓、組電流，單體電池電壓、溫度等參數(shù)測試值與現(xiàn)場電池參數(shù)相吻合(見圖4)，大部分電池劣化率較高，電導(dǎo)值偏低，如不滿足現(xiàn)場需要應(yīng)進(jìn)行更換。

圖4 蓄電池組參數(shù)測試結(jié)果

6 結(jié) 語

在當(dāng)今世界萬物互聯(lián)的背景下，Zigbee作為一種低功耗、時延短、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、協(xié)議簡單、高可靠性的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)作為自動化調(diào)度系統(tǒng)的分系統(tǒng)之一，通過實時監(jiān)測通信站點內(nèi)UPS、柴油發(fā)電機(jī)、蓄電池組、低壓配電設(shè)備、機(jī)房環(huán)境溫濕度等的動力設(shè)備和環(huán)境設(shè)備工作狀態(tài)，提供通信設(shè)備良好工作環(huán)境和通信系統(tǒng)有力保障，對南水北調(diào)中線工程的各類信息傳遞發(fā)揮了重要作用。隨著我國科學(xué)和經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，Zigbee作為一種日趨成熟的無線通信技術(shù)，將在各行各業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。