國能黃驊港務有限責任公司 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臺箱式變電站及生活區(qū)10kV供配電網(wǎng)絡，隨著黃驊港生產(chǎn)規(guī)模和供電系統(tǒng)復雜性的不斷提升，不僅變電所數(shù)量日益增多，其分布區(qū)域也持續(xù)擴大，同時電力系統(tǒng)也需要向無人值守、綜合自動化和網(wǎng)絡化管理的方向發(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，擔負著供給控制、信號、保護和自動裝置等二次負荷的電源及作為主要設備安全電源的任務，是裝卸電力系統(tǒng)極其重要的動力提供和控制監(jiān)護單元。直流屏系統(tǒng)的電力供應在無故障狀態(tài)下通過整流后得到[1]，為變電站內(nèi)的斷路器提供合閘直流電源：當發(fā)生故障時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提供，為繼電保護及自動裝置、斷路器執(zhí)行關合動作、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年設備，運行時間已達15年之久。部分核心器件出現(xiàn)不同程度的老化問題、缺乏智能控制技術，可靠性差，存在停機風險。通過對近年來黃驊港直流屏系統(tǒng)研究與分析，存在電池工作在長期浮充備用狀態(tài)、沒有對電池的過充和過放保護、無軟起動特性和自起動性能不穩(wěn)等缺點。在實際生產(chǎn)過程中，為確保配電設備性能良好，保證安全運行，需電氣維護人員每天到變電所檢查并及時處理供配電設備隱患，以滿足設備在良好條件下運行，因此要浪費電氣維護人員的很多時間及精力。隨著公司業(yè)務不斷發(fā)展，對供電穩(wěn)定性和故障維護效率的需求也在增長，對提高港口自動化水平，設備安全運行及設備有效利用率、延長直流供電設備的使用壽命、提高電氣維護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)，不僅能準確獲知各變電站直流屏實時運行參數(shù)，同時在直流屏在發(fā)現(xiàn)故障或故障征兆時，能準確預警故障類型、精確定位故障部位，從而能使維護人員快速排除故障，再輔以數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和故障記錄，旨在提高設備安全運行及設備有效利用率，延長直流供電設備的使用壽命，幫助現(xiàn)場電氣維護人員提升工作效率[2]。

1 直流供電管理系統(tǒng)設計與開發(fā)

1.1 直流供電管理系統(tǒng)技術架構設計

黃驊港直流供電管理系統(tǒng)是在現(xiàn)有實際供電分布和通訊環(huán)境中完成的，要求應用服務器運行數(shù)據(jù)負荷不能過大且數(shù)據(jù)的儲存管理要透明化，優(yōu)先采用了C/S即服務器-客戶機架構。服務器負責數(shù)據(jù)的管理，客戶機負責完成與用戶的交互任務。C/S結構能充分發(fā)揮客戶端PC的處理能力，客戶端響應速度快，因很多工作可在客戶端處理后再提交給服務器，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)場設備布局，由本地設備層、中間網(wǎng)絡層和遠程控制層三部分組成[3]。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)架構探析

根據(jù)國際電信聯(lián)盟的定義，物聯(lián)網(wǎng)是指通過二維碼讀取設備、射頻識別裝置（RFID）、紅外線感應器、定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息化傳感設備，按照既定協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。

結合國能黃驊港供電系統(tǒng)現(xiàn)場環(huán)境將傳感網(wǎng)絡劃分為采集層、通訊層、功能層三級管理，其中功能層包含數(shù)據(jù)處理支撐平臺和為客戶應用端，并以此為基礎依次闡述現(xiàn)場所用物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構。

采集層承擔物聯(lián)網(wǎng)的觸角，完成現(xiàn)場設備運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、通訊狀態(tài)等物理信息的數(shù)據(jù)采集，相當于神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元。該層級是物聯(lián)網(wǎng)的核心層，由現(xiàn)場各類含有通訊網(wǎng)關的傳感器或數(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。黃驊港常見的基本感器件如圖爾克RFID射頻讀卡器、SICK激光掃描雷達、海康威視熱成像攝像頭、中海達GPS、無線電機振動狀態(tài)采集器、二維碼標簽識別設備等。該級應用到的關鍵技術GPRS、WiFi技術、NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）無線技術、射頻通訊、工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線技術、PLC級下位通訊技術如控制網(wǎng)通訊等，對應的產(chǎn)品包括無線振動/溫度等各類傳感器、RFID標簽、無線網(wǎng)關/路由器、PLC云網(wǎng)關等。

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大的智能網(wǎng)絡里，以供功能層進行處理和使用。該層由物聯(lián)接入和網(wǎng)絡傳輸兩階段實現(xiàn)，其中物聯(lián)接入可通過傳感器網(wǎng)絡、WiFi、4G/5G技術、衛(wèi)星通訊等方式實現(xiàn)，網(wǎng)絡傳輸?shù)氖紫韧ㄟ^智能網(wǎng)關完成接入，再通過各種網(wǎng)絡技術將采集層終端感知網(wǎng)絡與各種應用層的平臺聯(lián)系起來，為實現(xiàn)“萬物互聯(lián)”的需要，實際應用中通訊層可結合IPv6、5G、WiFi等通信技術，實現(xiàn)有線與無線、寬帶與窄帶、感知網(wǎng)與通信網(wǎng)的全面融合[4]。

系統(tǒng)將功能層細分為數(shù)據(jù)業(yè)務層和客戶應用層，數(shù)據(jù)業(yè)務層利用人工智能算法、機器學習、云計算等技術對通訊層的大量數(shù)據(jù)進行分析、挖掘和算法處理，最終形成包含業(yè)務支撐平臺、網(wǎng)絡管理平臺、數(shù)據(jù)處理平臺、安全管理平臺為一體的物聯(lián)網(wǎng)管理平臺。最后通過互聯(lián)網(wǎng)終端、HMI（人機交互界面）、手機App端實現(xiàn)終端設備與前臺用戶的信息交互。

實際開發(fā)應用中，物聯(lián)網(wǎng)各層之間在技術劃分上是相互獨立的，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。為實現(xiàn)系統(tǒng)的整體性，提升應用端的服務效果，資源需在各層間合理調(diào)配。近年來物聯(lián)網(wǎng)技術已在智能工業(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)療等領域中取得了應用，其架構基本類似。

1.3 系統(tǒng)整體架構初步設計

為真正實現(xiàn)了平臺化設計，功能化、模塊化管理，系統(tǒng)采用B/S結構，分別為采集層、傳輸層、業(yè)務層和應用層（圖2）。

圖2 系統(tǒng)整體架構

1.4 直流供電管理系統(tǒng)基本架構搭建

直流供電管理系統(tǒng)基本架構的搭建分為3部分，逐層搭建。

現(xiàn)場設備層。對應物聯(lián)網(wǎng)的采集層，現(xiàn)在設備層的主要功能是連接現(xiàn)場設備，并通過傳感裝置對各類信號的智能采集和預處理，形成符合通訊層網(wǎng)絡協(xié)議要求的信息。設備層由直流電源和智能無線通信裝置組成，智能無線通信裝置將采集處理后的信息通過Modbus-RTU和Modbus-TCP協(xié)議并進行認證加密及自描述后層發(fā)送給傳輸層服務器，同時也可接收傳輸層服務器發(fā)來的各種控制類指令。

通訊網(wǎng)絡層。對應物聯(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，實現(xiàn)現(xiàn)場終端與直流供電管理系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸。

遠程監(jiān)控層。對應物聯(lián)網(wǎng)的應用層，監(jiān)控層業(yè)務由前置通信服務器、業(yè)務數(shù)據(jù)服務器、在線采集管理服務器等硬件設備和平臺應用軟件組成，負責系統(tǒng)平臺中所有數(shù)據(jù)的運算查詢和存儲顯示等操作。支持移動終端與監(jiān)控中心Web服務器進行交互，監(jiān)測實時數(shù)據(jù)與檢索歷史數(shù)據(jù)。

2 無線通信裝置設計與開發(fā)

基于GPRS設計了一種智能無線通信裝置（DTU），可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明轉發(fā)（圖3）。智能無線通信裝置是用于直流供電管理系統(tǒng)連接下位設備所用的4G全網(wǎng)通網(wǎng)關，可利用4G網(wǎng)絡連接至直流供電管理系統(tǒng)，可通過串口或網(wǎng)口實現(xiàn)Modbus數(shù)據(jù)自動采集和傳輸，配置參數(shù)方式多樣、靈活，運行安全穩(wěn)定，具備隔離保護設計，適合于惡劣的工業(yè)現(xiàn)場。

圖3 無線通信裝置組成

其工作原理是，智能無線通訊裝置首先通過RS485串口連接到變電所直流電源屏，然后在不改變原數(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)轉換成TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包，最后通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送給遠程監(jiān)控中心。同時將從遠程控制中心接收的控制信號發(fā)送給直流電源屏，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互通。該智能無線通信裝置可和各種使用串口通信的舊設備進行連接，而不需要對其作改動便能實現(xiàn)對直流電源屏數(shù)據(jù)同一通道的統(tǒng)一傳輸，有效縮減了升級工作量。

2.1 智能無線通信裝置（DTU）硬件設計

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

2.2 智能無線通信裝置（DTU）軟件設計

應用程序是基于實時多任務操作系統(tǒng)軟件平臺開發(fā)。主機采用嵌入式操作系統(tǒng)，進一步設計看門狗設計，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制，保證數(shù)據(jù)終端永遠在線,上電即可進入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。內(nèi)嵌私有加密通訊協(xié)議棧，實現(xiàn)設備與云平臺的安全無縫對接。

2.3 智能無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RS232/RS485接口向現(xiàn)場直流電源屏讀取信息，又可作為從站通過RS485接口被現(xiàn)場后臺監(jiān)控中心讀取信息。

四遙功能。直流供電管理系統(tǒng)通過DTU實現(xiàn)遙信、遙測、遙控、遙調(diào)的四遙功能。遙信項目包括：交流電源故障（過壓、欠壓、缺相、失壓）；直流母線過壓、直流母線欠壓、直流母線絕緣不良；模塊故障；蓄電池組開關脫扣（或熔斷器熔斷）；歷史故障記錄等。遙控項目包括：系統(tǒng)開機、關機；各充電模塊開機、關機；均充/浮充電壓設置、狀態(tài)轉換；蓄電池充電電流設置輸入；輸出報警設置等。遙調(diào)項目包括：均充電壓；浮充電壓；控母電壓。

Modbus配置功能?？稍O置DTU對直流電源屏的采集間隔和采集數(shù)據(jù)段。設置完成后DTU會定時采集直流電源屏的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)則進行解析和展示；遠程升級功能。支持互聯(lián)網(wǎng)云平臺利用通訊通道對DTU的軟件、參數(shù)及通訊規(guī)約進行遠程自動升級，方便設備管理，遠程升級保證DTU內(nèi)的數(shù)據(jù)安全。

3 直流供電管理系統(tǒng)功能開發(fā)

根據(jù)對現(xiàn)場用戶習慣進行的調(diào)研情況，重點突出使用的簡潔和友好（圖4），通過界面操作可以實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控、統(tǒng)計分析、運維管理和系統(tǒng)管理。

圖4 系統(tǒng)功能圖

數(shù)據(jù)采集功能。通過現(xiàn)場總線、有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡等多種通信方式的融合，可遠程采集到分布在各變電所里相關設備的運行數(shù)據(jù)；實時監(jiān)控功能。系統(tǒng)能對直流電源屏運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，在直流系統(tǒng)發(fā)生故障時，可實時顯示故障信息并觸發(fā)對應的報警功能，從而實現(xiàn)直流屏內(nèi)設備運行狀態(tài)的在線監(jiān)測；統(tǒng)計分析功能。以簡易報表的形式匯總并展現(xiàn)直流屏歷史運行數(shù)據(jù)，進一步實現(xiàn)對系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)和故障記錄的統(tǒng)計分析；系統(tǒng)管理。包括用戶信息管理、設備信息管理、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、用戶凍結解凍、刪除用戶、用戶等級管理等功能，設備信息管理包括查詢設備、添加設備、設備資料修改、刪除設備等功能，角色信息管理具備添加角色資料、角色注冊功能、刪除角色、角色權限管理等功能。

4 主要技術指標分析

系統(tǒng)的可用性。直流供電管理系統(tǒng)的設計應充分考慮在各個工程環(huán)境中的不同因素，能夠保證在現(xiàn)場安裝后立即適用并穩(wěn)定可靠運行，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，其平均無故障間隔時間MTBF大于50000小時，系統(tǒng)總體大于30000小時；系統(tǒng)的容錯能力。軟、硬件設備應具有良好的容錯能力，當各軟、硬件功能與數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的通訊出錯，以及當運行人員或工程師在操作中發(fā)生一般性錯誤時，均不會引起系統(tǒng)的任何功能喪失或影響系統(tǒng)的正常運行。對意外情況引起的故障系統(tǒng)具備恢復能力；系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。系統(tǒng)應具有足夠的抗電磁干擾能力，符合IEC、GB標準確保在配電站中穩(wěn)定運行；測量值指標。交流采樣測量值精度：電壓、電流≤0.5%，有功、無功功率≤1.0%，直流采樣測量值精度≤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)場查看和消除故障的低效運行模式，實現(xiàn)了系統(tǒng)的遠程訪問、無人值守，極大地提高了設備管理效率和自動化程度。