基于物聯網的直流電源遠程監控和運維服務

王炳林

引言

變電站是電網的核心，擔負著所在區域的供電任務，直流電源是變電站繼電保護裝置、開關操作、自動化等設備的供電電源，它在電力系統安全穩定運行中起著極其重要的作用，直流電源自身的可靠及安全直接影響到電網穩定和設備安全。目前，電力系統推廣變電站無人值班，雖然現場監控中心可以獲取變電站運行情況的實時信息，但是對于直流電源部分只能得到少量的重要信息，對于更加詳盡的信息仍舊無法獲得，尤其是當直流電源剛開始出現異常狀況時不能及時得到預警信息，直到異常狀況積累成為故障時才能被發現，此時事故已經擴大。另外，直流電源設備已經朝著自動化、系統化、集成化方向發展，結構更復雜，功能更強大，故維護技術含量日益提高，對維修人員的要求也不斷上升，傳統的人工定期巡視很難及時發現系統故障，人工維護也存在數據測量和維護的人員差異，不利于對系統狀態做出綜合判斷。并且，隨著變電站數量的日益增加，直流電源的日常檢測維護工作量非常大，變電站多，維護人員少，顯然無法保證按期按量完成。因此，如何加強對變電站直流電源的監控和故障分析，并采取相應的對策是電力系統急需解決的問題。

浙江三辰電器股份有限公司提出一套完整的基于物聯網的直流電源設備遠程監控與運維服務系統解決方案，通過物聯網及移動通信等新技術，把傳統的監控與運維服務系統遠程化、網絡化，將分布各地的直流電源設備納入統一的管理平臺中，實現對電源設備信息的分散采集、統一監控、集中管理。

1　相關概念

物聯網：物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發展階段。其英文名稱是：“Internet of Things（IoT）”。顧名思義，物聯網就是物物相連的互聯網。這有兩層意思：其一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡；其二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信，也就是物物相息。物聯網通過智能感知、識別技術與普適計算等通信感知技術，廣泛應用于網絡的融合中，也因此被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。物聯網是互聯網的應用拓展，與其說物聯網是網絡，不如說物聯網是業務和應用。

直流電源：直流電源又稱直流電源屏或直流屏，是指應用于發電廠、變電站(所)中，為給控制負荷和動力負荷以及直流事故照明負荷等提供直流電源的電源設備，是當代電力系統控制、保護的基礎。直流電源的可靠性、安全性直接影響到電力系統供電的可靠性和安全性，因此也應用了大量的先進的科學技術。直流電源由交配電單元、充電模塊單元、降壓硅鏈單元、直流饋電單元、配電監控單元、監控模塊單元及絕緣監測單元組成。

2　系統技術結構

基于物聯網的遠程監控與運維服務系統（簡稱“三辰智云”）是以物聯網、大數據、云計算和移動通信等新一代信息技術作為支撐，以“互聯網+運維服務”為目標，構建電源設備、監控中心、移動終端三位一體的智能化遠程監控與運維服務云平臺，實現系統間的互聯互通和數據共享，為客戶提供遠程監控、故障預警、故障診斷、故障分析、運維服務等專業的在線增值服務，從而幫助客戶建立一套高效的設備運行及維護管理體系。

2.1　系統組成

“三辰智云”系統主要由以下三個部分組成：

（1）帶有智能無線通訊裝置的直流電源系統；

（2）“直流電源遠程監控與運維服務系統”平臺軟件；

（3）移動終端應用軟件，包含Android及iOS系統APP。

2.2　系統結構

2.2.1系統技術架構

系統技術架構如圖1所示，由現場設備層、通訊網絡層和遠程監控層三部分組成。

現場設備層：由直流電源和智能無線遠程通信裝置組成。直流電源設備通過智能無線遠程通信裝置將信息經由無線網絡發送到監控中心數據服務器，同時也可以接收遠程監控中心數據服務器發來的各種應答類、控制類等指令。

圖1　系統技術架構圖

通訊網絡層：由RS485工業總線、GPRS無線傳輸網絡和以太網絡三部分組成。實現各種應用網絡的互聯互通，它是現場設備與后臺監控之間的數據傳輸通道。

遠程監控層：包括通信服務器、數據庫服務器、Web服務器和監控中心應用軟件等軟硬件設備。監控中心應用軟件負責系統中所有數據信息的顯示、存儲、運算、查詢等操作和管理，為用戶提供一個可視化的監測界面。

2.2.2系統邏輯架構

本系統邏輯架構如圖2所示。

圖2　系統邏輯架構圖

采用B/S結構即瀏覽器和服務器結構，在這種結構下，用戶界面完全通過www瀏覽器實現，一部分事務邏輯在前端實現，但是主要事務邏輯在服務器端實現，形成所謂3-tier結構。系統設有兩個通道接入企業的Web服務器：一路是移動終端 (手機)通過無線網絡連接到企業的服務器，另一路是監控中心（PC）通過Internet網絡連接到企業的服務器。

2.2.3系統功能模塊

“三辰智云”系統利用運營商提供的無線網絡進行數據傳輸，將分布在不同區域、不同地點的直流電源設備運行數據匯集至物聯網云平臺，維護人員可通過移動終端APP實現對電源設備運行狀態進行遠程監控，隨時掌握現場設備情況，對突發事件及時發現及時處理。或通過監控中心Web網頁實現對電源設備的遠程數據采集、實時狀態監測，實時掌握設備的運行狀況，并為客戶單位提供遠程故障診斷及智能運維服務綜合管理。

本系統功能如圖3所示，其主要功能模塊體現在數據采集、實時監控、統計分析、運維管理和系統管理上。

圖3　系統功能圖

（1）數據采集：通過現場總線、互聯網和無線網絡的多種通信網絡結合的方式，遠程采集分布各地的電源設備的運行數據，實現基于云平臺的直流電源、監控中心和移動終端互聯互通、數據共享。

（2）實時監控：能對直流電源設備運行數據、運行狀態和故障信息進行實時監測，在故障發生時能夠及時顯示故障信息并進行報警。

（3）統計分析：以多種報表的形式顯示直流屏歷史運行數據。包括年、月、日報表等，方便對歷史運行數據和故障記錄進行統計分析。

（4）故障診斷：建立集中的告警分析處理和故障預警機制，能夠超前預判事故的發生，并在故障產生或故障征兆時進行快速定位，從而能夠使維護人員快速排除故障。

（5）運維管理：提供在線報修，故障診斷，維修服務，服務評價等業務功能。內嵌知識庫作為運維服務重要的技術支持，為用戶故障診斷提供在線自助咨詢服務。

（6）系統管理：包括用戶管理、設備管理、角色管理。用戶管理如：客戶名稱、聯系方式等；設備管理如：型號規格、出廠編號等；角色管理如：角色名稱、權限管理等功能。

3　“三辰智云”系統技術實現

3.1　智能無線通信裝置開發

智能無線遠程通信裝置是專門針對直流電源設備監測需要而設計開發的工業級無線數據傳輸單元，是一種物聯網無線數據終端，負責采集現場電源設備運行數據，并提供無線數據傳輸功能，實現與監控中心的通信。該裝置采用了先進的工業級處理器，并采用數據透明轉發技術，實現數據的透明轉發。直流電源設備通過RS232/RS485接連接到智能無線通信裝置，智能無線通信裝置將從直流電源設備接收的數據轉換成 TCP/IP通信協議的數據包，而不需要改變原有的數據通信內容，通過GPRS網絡傳遞給遠程監控中心。同時智能無線通信裝置可接收監控中心傳送來的遠程控制信號給直流電源設備。

3.2　直流電源遠程監控與運維服務系統平臺軟件開發

采用Eclipse作為編寫程序調試程序的工具軟件，基于JDK1.7上開發的應用軟件，數據庫采用mysql5.6。系統后端采用spring框架集成 shiro、spring data等框架實現服務器后端架構，系統可以部署到安裝有jdk1.7的操作系統上。系統前段采用angular 1.5.8版本開發，實行前后端分離的開發，后端提供restapi接口實現數據交互。并通過消息服務器來實現實時數據的推送、報警信息的推送等。

3.3　移動終端APP軟件開發

（1）Android系統應用軟件

采用Eclipse作為編寫程序調試程序的工具軟件，在Android SDK上運行所開發的應用軟件。所開發應用軟件版本適配Android 4.3及以上系統，因未使用暫停維護的NDK，故適配版本覆蓋較新的6.0及以上版本，應用軟件采用較先進的技術架構，應用軟件對運行終端的計算能力、存儲能力需求較低，軟件運行狀態下（無其他第三方應用進程）要求達到CPU占用率小于30%，持續運行無終端發熱、死機現象。

（2）iOS系統應用軟件

采用Web Storm作為編寫程序開發工具軟件，利用React-Native提供的編譯調試環境進行debug、熱更新等，最終在macOS所提供的iphone模擬器查看效果。所開發應用軟件版本適配iOS9.0及以上系統，采用面向組件開發，采用redux管理狀態（state），保證state的可預測性，采用immutable持久化不可變性數據，并且支持了熱修復。在場景中做了大量的優化，從而CPU占用率較低，同時減少APP對流量和電量的消耗，持續運行應用未出現閃退、假死等狀態。

4　應用實例

三辰公司開發的“基于物聯網的直流電源遠程監控與運維服務系統”，在2016年底已完成系統測試，并于2017年1月正式上線投入運行，目前在全國范圍內已經擁有2314個用戶單位，累計10560套直流電源設備上線運行，該平臺的研發成功，也進一步讓企業實現從單純制造業向制造業服務化轉型升級。

該項目已獲浙江省“2016年信息化項目優秀獎”，將進一步在電力、冶金、石化、建筑等行業投入運行使用。

5　應用價值

5.1　提高產品可靠性，降低設備故障率

“三辰智云”平臺通過物聯網技術，把傳統的智能電源監控系統遠程化、網絡化，提供了功能強大的從遠程監控、故障報警、故障診斷、故障分析到運維服務功能，該應用方案對提高產品可靠性、降低設備故障率，保障電網安全穩定運行具有極為重要的戰略意義和極高的實際應用價值。

5.2　提高維護效率，節省故障處理時間

利用“三辰智云”平臺建立的集中告警分析處理和故障預警機制，使監控系統成為強有力的助手,能夠超前預判事故的發生，盡可能地做到事前防范，并在故障產生時進行快速定位，能夠準確確定故障部位、判斷故障原因，以便及時進行處理，大大提高了維護效率，節省了緊急情況下的故障處理時間。

5.3　降低維護成本，減輕人員勞動強度

借助“三辰智云”平臺建立的電源設備實時數據庫，對電源設備運行狀態進行綜合診斷，能夠更及時、準確、靈敏地反映設備健康水平，從而有針對性地對設備檢修時間和周期進行決策，實現從定期檢修到狀態檢修的轉變，可有效降低維護成本，并大大減輕了維護人員的勞動強度。

6　結束語

在直流電源設備運行維護過程中，已經從傳統的人工值班、人工檢測設備方式發展到采用內部聯網獲取設備運行數據、各站點人工定時巡檢、基層站點實現無人值班模式，并已經在實際應用中得到廣泛運用和推廣。但是在實際運作過程中，經常遇到以下情況：

（1）設備分布廣泛，分散在不同區域，專網不易連接，只能采用在廣域網中采用VPN方式傳輸，但仍存在風險；

（2）有的站點分布在偏遠山區，網絡線路不能到達，或者即使能夠到達網絡信號非常弱，需加大投入改造；

（3）如果在內部專網的網絡線路、內部服務器異常或停機維護時產生故障，前臺不能及時獲取，會導致事故進一步擴大；

（4）若站點設備發生故障，則維護人員需先到達站點，檢測設備各運行參數，確定設備故障點及故障器件，然后再聯系供貨廠商購買故障器件進行更換或維修，完成一個維修需要的時間周期較長。

筆者提出了一種基于物聯網的直流電源遠程監測及運行維護的方法，利用運營商提供的無線網絡進行數據傳輸，將分布在不同區域、不同地點的變電站直流電源設備運行數據匯集至物聯網云平臺，實現對電源設備信息的分散采集、統一監控、集中管理。設備管理者或維護人員可通過PC端瀏覽器或移動終端APP可實現對電源設備的運行狀態進行遠程監控，隨時掌握現場設備的情況，節省巡查時間、提高運維工作效率，對突發事件及時發現及處理，消除事故隱患，確保現場設備安全運行，是對直流電源設備進行遠程監控與運維服務的最佳解決方案。

［參考文獻］

[1]趙洪偉.智能電力操作直流電源系統的研究[D].北京：華北電力大學，2014.

[2]姜南.變電站用智能直流供電系統研究[D].哈爾濱工程大學，2007.

[3]田麗娜.基于AVR單片機的電力直流操作電源系統智能控制器的研究[D].中國礦業大學（北京校區），2003.

[4]張雪梅，尹濤.電力直流電源系統的網絡化管理及狀態檢修探究[J]. 中國市場，2015（45）：119-120.

[5]賈召喜.基于工業物聯網的生產線遠程監控系統研究[D].河北工業大學，2015.

[6]方彪.基于多種網絡融合的遠程監控系統的研究和實現[D].桂林電子科技大學，2014.

[7]張云華.基于信息技術的火電廠發電運行管理研究[D].浙江大學，2009.

[8]孫睿.電網企業運維人員EAP體系研究[D].華北電力大學(北京)，2015.