基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站監(jiān)控架構(gòu)方案

蔣亞坤，王彬筌，黎強，韓校

（1.云南電網(wǎng)有限責任公司，昆明 650051；2.長園深瑞繼保自動化有限公司，廣東 深圳 518057）

0 前言

變電站是電力生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)，其主要作用是變換電壓、交換功率和匯集、分配電能。變電站監(jiān)控系統(tǒng)是電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的一個重要組成部分，具有運行高效、實時、可靠特性，可對變電站內(nèi)設備進行統(tǒng)一監(jiān)測、管理、協(xié)調(diào)和控制。同時，又必須與電網(wǎng)其他監(jiān)控系統(tǒng)進行實時、有效的信息交換、共享。

目前在智能化變電站中存在多個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)各自為政，各子系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)和信息通過不同的傳輸網(wǎng)絡上送到不同的主站系統(tǒng)，如：四遙等運行數(shù)據(jù)和信息上送到各級調(diào)度中心的監(jiān)控系統(tǒng)、二次設備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和信息上送到二次設備狀態(tài)主站、保護和錄波信息上送到保護信息主站、PMU數(shù)據(jù)上送到WAMS主站、視頻信息上送到指揮中心等等，這樣形成了一個個信息孤島，各子系統(tǒng)之間的信息相互隔離，無法做到共享和互用。同時由于各子系統(tǒng)將數(shù)據(jù)和信息上送到各自主站時采用各自獨立的采集通道，按省網(wǎng)其所屬的幾百個變電站來講，網(wǎng)絡通道的維護工作量相當巨大。

另一方面，變電站監(jiān)控系統(tǒng)采集和上送的數(shù)據(jù)和信息也不全面，無法達到“全景”信息的要求，目前這些信息在多數(shù)變電站還未上送到主站系統(tǒng)：一二次設備運行狀態(tài)類信息；二次設備管理類信息；變電站網(wǎng)絡狀態(tài)實時信息；過程層設備采集數(shù)據(jù)和信息；變電站環(huán)境信息和視頻監(jiān)視信息。

對于傳統(tǒng)調(diào)度系統(tǒng)來說，其主要數(shù)據(jù)為四遙數(shù)據(jù)和報警類信息。如果調(diào)度系統(tǒng)需要其他數(shù)據(jù)，則需要連接到其他信息系統(tǒng)，并向其他系統(tǒng)請求數(shù)據(jù)；因此調(diào)度系統(tǒng)需要增加與其他系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互的多樣化接口處理，而且數(shù)據(jù)的實時性往往不能得到保證，更何況很多信息系統(tǒng)目前處在建設或計劃建設中。如果調(diào)度系統(tǒng)無法獲取完整的變電站數(shù)據(jù)，不但不能對變電站進行全景監(jiān)視，而且其很多高級應用功能因數(shù)據(jù)缺失而無法發(fā)揮甚至完全喪失應用功能的作用。

“物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上的延伸和擴展的網(wǎng)絡；第二，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。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在變電站的應用，其基本思路為：首先在調(diào)度中心建立基于云計算技術(shù)的調(diào)度云平臺，調(diào)度云平臺是一個數(shù)據(jù)共享中心、數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理中心和應用服務共享中心；其次在變電站內(nèi)，依托基于物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)，建立一個變電站全景信息網(wǎng)絡傳輸平臺。在物聯(lián)網(wǎng)中，傳輸網(wǎng)絡IP化，對于眾多變電站來說，如何對設備IP進行規(guī)劃是另一個研究重點。

本文在研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎之上，探索一種變電站監(jiān)控系統(tǒng)的物理架構(gòu)，并在此基礎之上解決監(jiān)控系統(tǒng)的應用。

1 變電站物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成

基于物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)所建立變電站全景信息網(wǎng)絡傳輸平臺，稱為變電站物聯(lián)網(wǎng)。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層次

物聯(lián)網(wǎng)是以感知與應用為目的的物物互聯(lián)系統(tǒng)，涉及傳感器、RFID、安全、網(wǎng)絡、通信、信息處理、服務技術(shù)、標識、定位、同步等眾多技術(shù)領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)的價值在于讓物體也擁有了“智慧”，從而實現(xiàn)人與物、物與物之間的溝通，物聯(lián)網(wǎng)的特征在于感知、互聯(lián)和智能的疊加。作為一種形式多樣的聚合性復雜系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)一般可分為以下三層，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層次

1)感知層：主要功能是信息感知與采集，主要包括二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、各種傳感器等。

2)網(wǎng)絡層：解決傳輸和預處理感知層所獲得數(shù)據(jù)的問題。

3)應用層：通過分析處理的感知數(shù)據(jù)，提供監(jiān)控類、查詢類、控制類和掃描類等各種應用服務。

在物聯(lián)網(wǎng)各層之間，信息傳輸不是單向傳遞，信息是相互交互、并且是可控制的。物聯(lián)網(wǎng)所傳遞的信息可以是多種多樣，既有結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)和信息，也有半結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)類的數(shù)據(jù)和信息。在物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)感知層傳感器可以通過其IP進行唯一標識。

1.2 變電站物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

變電站物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 變電站物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

變電站物聯(lián)網(wǎng)中，感知層和網(wǎng)絡層部署在變電站內(nèi)，應用層部署在基于云計算技術(shù)的調(diào)度云平臺中。調(diào)度云平臺為數(shù)據(jù)共享中心，數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理中心和統(tǒng)一應用服務共享中心。

1)感知層：變電站感知層設備包括一次設備、二次設備、網(wǎng)絡及設備、REID電子標簽、智能環(huán)境監(jiān)測設備、IP化攝像設備及其他（如變電站機器人、GPS定位定時設備等）。從這些設備中，將獲得變電站結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和信息、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和信息、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和信息，

2)網(wǎng)絡層：又稱為信息匯聚層，由無線設備、藍牙、移動通訊、變電站專用網(wǎng)絡等組成。在網(wǎng)絡層配置了網(wǎng)絡管理服務器，網(wǎng)絡管理服務器負責對網(wǎng)絡設備配置和管理、維護網(wǎng)絡安全、同時對網(wǎng)絡進行負載均衡等優(yōu)化工作。網(wǎng)絡層采用雙網(wǎng)配置。

3)應用層：中間件負責對變電站物聯(lián)網(wǎng)信息處理包括信息識別、去噪音處理等，同時將信息寫入到調(diào)度云平臺數(shù)據(jù)庫中。應用服務器部署在調(diào)度云平臺，由多臺服務器組成，完成對變電站數(shù)據(jù)和信息處理、展示、控制、計算、高級應用和管理等服務。

2 變電站物聯(lián)網(wǎng)地址規(guī)劃

2.1 IP地址規(guī)劃方法

對變電站物聯(lián)網(wǎng)進行IP地址規(guī)劃，可采用以下方法：

2.1.1 基于三級的IP地址規(guī)劃

劃分子網(wǎng)是將一個大的網(wǎng)絡劃分成幾個較小的子網(wǎng)絡，將傳統(tǒng)“網(wǎng)絡號—主機號”兩級結(jié)構(gòu)變成“網(wǎng)絡號—子網(wǎng)號—主機號”的三級結(jié)構(gòu)，從而有利于優(yōu)化網(wǎng)絡性能，改善網(wǎng)絡管理。

2.1.2 基于NAT技術(shù)IP地址規(guī)劃

網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換（NAT）設計的基本思路為變電站分配一個或少量的全局IP地址，用于傳輸Internet的流量，在變電站內(nèi)部網(wǎng)絡設備上分配一個不能夠在Internet上使用的專用IP地址。

當內(nèi)網(wǎng)主機訪問Internet的請求分組到達執(zhí)行NAT功能的路由器時，該分組的源IP地址、源端口號發(fā)生相應的轉(zhuǎn)換，點該分組的目的IP地址、目的端口號均保持轉(zhuǎn)換，但源IP地址、源端口號均保持不變。

NAT可以分為“一對一”、“多對多”等類型。實現(xiàn)地址“一對一”轉(zhuǎn)換的方法屬于靜態(tài)NAT，即配置一個內(nèi)部專用IP地址對應一個公用的IP地址。如果每個內(nèi)部網(wǎng)絡的N個用戶可以共享M個全局IP地址，那么就屬于動態(tài)NAT。

2.1.3 基于IPv6技術(shù)IP地址規(guī)劃

IPv6的128位地址采用冒號十六進制表示，即按每16位劃分為1個位段，每個位段被轉(zhuǎn)換位1個4位的十六進制數(shù)，并用冒號“：”隔開。

一個IPv6地址中可能會出現(xiàn)多個二進制數(shù)0，因此規(guī)定了“前導零壓縮法”，通過壓縮某個位段中的前導0來簡化IPv6地址的表示。但是在使用零壓縮法時，不能把一個位段內(nèi)部的有效零也壓縮掉。需要注意的是，每個位段至少應該有1個數(shù)字，“0000”可以簡寫為“0”。

如果幾個連續(xù)位段的值均為0，那么這些0就可以簡寫“：：”，即IPv6的地址可以使用“雙冒號表示法”進一步簡化地址表達。但雙冒號“：：”在一個IPv6地址中只能出現(xiàn)一次。

IPv6不支持子網(wǎng)掩碼，它只支持前綴長度表示法—“地址/前綴長度”。前綴是IPv6地址的一部分，用作IPv6路由或子網(wǎng)標識。

IPv6支持地址自動配置。鏈路上的主機會自己自動地配置適合于所在鏈路的IPv6地址（稱為鏈路本地地址），或者是適合于IPv4和IPv6共存的IP地址。

2.2 IP地址規(guī)劃管理軟件

IP地址規(guī)劃管理軟件部署在調(diào)度云平臺中，對外提供設備IP地址查詢等服務業(yè)務，對內(nèi)實現(xiàn)對變電站物聯(lián)網(wǎng)設備IP地址規(guī)劃和配置。

IP地址規(guī)劃流程如圖3所示。

圖3 IP地址規(guī)劃工作流程圖

3 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而構(gòu)建的變電站全景信息傳輸平臺主要具有以下特點：

1)向主站傳輸數(shù)據(jù)和信息通道減少。傳統(tǒng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)的各子系統(tǒng)向各自主站傳輸數(shù)據(jù)需要5-7個專用通道，在變電站物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下，變電站信息統(tǒng)一送到調(diào)度云平臺，各主站需要數(shù)據(jù)時向調(diào)度云平臺索取。變電站物聯(lián)網(wǎng)簡化了變電站數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，大大減少傳輸網(wǎng)絡維護的工作量，減少變電站物理設備的投資。

2)全景信息采集。通過變電站物聯(lián)網(wǎng)不僅將原變電站監(jiān)控系統(tǒng)各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息匯聚在一起，同時還可采集了變電站一二次設備運行狀態(tài)類信息、一二次設備管理類信息、變電站網(wǎng)絡狀態(tài)實時信息、過程層設備采集數(shù)據(jù)和信息、變電站環(huán)境信息和視頻監(jiān)視信息等，形成了真正意義上的全景信息采集。變電站物聯(lián)網(wǎng)可容納結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

3)通過變電站物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層管理服務器對網(wǎng)絡資源調(diào)度、安全管理，使變電站數(shù)據(jù)和信息傳輸更高效和更安全。

4)物聯(lián)網(wǎng)最終目的是使變電站物聯(lián)網(wǎng)為變電站監(jiān)測設備、控制設備、傳感器、信息傳輸?shù)葘崿F(xiàn)智能化提供了可用平臺。