黃驊港直流屏管理系統研究與應用

國能黃驊港務有限責任公司 李建樓

目前黃驊港供電電網現有2座110kV變電站、23座6kV變配電所、24臺箱式變電站及生活區10kV供配電網絡，隨著黃驊港生產規模和供電系統復雜性的不斷提升，不僅變電所數量日益增多，其分布區域也持續擴大，同時電力系統也需要向無人值守、綜合自動化和網絡化管理的方向發展。

直流系統（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，是裝卸電力系統極其重要的動力提供和控制監護單元。直流屏系統的電力供應在無故障狀態下通過整流后得到[1]，為變電站內的斷路器提供合閘直流電源：當發生故障時所用電中斷的情況下，直流系統的電源將全部由蓄電池組來提供，為繼電保護及自動裝置、斷路器執行關合動作、載波通信等提供直流電源。

圖1 直流系統組成

黃驊港現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研究與分析，存在電池工作在長期浮充備用狀態、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等缺點。在實際生產過程中，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。隨著公司業務不斷發展，對供電穩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，不僅能準確獲知各變電站直流屏實時運行參數，同時在直流屏在發現故障或故障征兆時，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，再輔以數據的統計分析和故障記錄，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，幫助現場電氣維護人員提升工作效率[2]。

1 直流供電管理系統設計與開發

1.1 直流供電管理系統技術架構設計

黃驊港直流供電管理系統是在現有實際供電分布和通訊環境中完成的，要求應用服務器運行數據負荷不能過大且數據的儲存管理要透明化，優先采用了C/S即服務器-客戶機架構。服務器負責數據的管理，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需要。本系統根據現場設備布局，由本地設備層、中間網絡層和遠程控制層三部分組成[3]。

1.2 物聯網架構探析

根據國際電信聯盟的定義，物聯網是指通過二維碼讀取設備、射頻識別裝置（RFID）、紅外線感應器、定位系統和激光掃描器等信息化傳感設備，按照既定協議，把任何物品與互聯網連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

結合國能黃驊港供電系統現場環境將傳感網絡劃分為采集層、通訊層、功能層三級管理，其中功能層包含數據處理支撐平臺和為客戶應用端，并以此為基礎依次闡述現場所用物聯網的系統架構。

采集層承擔物聯網的觸角，完成現場設備運行狀態、故障狀態、通訊狀態等物理信息的數據采集，相當于神經系統的神經元。該層級是物聯網的核心層，由現場各類含有通訊網關的傳感器或數據采集單元組成，有些已將數據采集、預處理、信息收發、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（窄帶物聯網）無線技術、射頻通訊、工業以太網、現場總線技術、PLC級下位通訊技術如控制網通訊等，對應的產品包括無線振動/溫度等各類傳感器、RFID標簽、無線網關/路由器、PLC云網關等。

通訊層是信息交互、傳遞的數據通路，主要功能是將采集到的大量信息整合到一個大的智能網絡里，以供功能層進行處理和使用。該層由物聯接入和網絡傳輸兩階段實現，其中物聯接入可通過傳感器網絡、WiFi、4G/5G技術、衛星通訊等方式實現，網絡傳輸的首先通過智能網關完成接入，再通過各種網絡技術將采集層終端感知網絡與各種應用層的平臺聯系起來，為實現“萬物互聯”的需要，實際應用中通訊層可結合IPv6、5G、WiFi等通信技術，實現有線與無線、寬帶與窄帶、感知網與通信網的全面融合[4]。

系統將功能層細分為數據業務層和客戶應用層，數據業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據進行分析、挖掘和算法處理，最終形成包含業務支撐平臺、網絡管理平臺、數據處理平臺、安全管理平臺為一體的物聯網管理平臺。最后通過互聯網終端、HMI（人機交互界面）、手機App端實現終端設備與前臺用戶的信息交互。

實際開發應用中，物聯網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系的，數據在各層之間也是相互傳遞的。為實現系統的整體性，提升應用端的服務效果，資源需在各層間合理調配。近年來物聯網技術已在智能工業、智能交通、智慧城市、智慧環保、公共管理、智能家庭、智慧醫療等領域中取得了應用，其架構基本類似。

1.3 系統整體架構初步設計

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

圖2 系統整體架構

1.4 直流供電管理系統基本架構搭建

直流供電管理系統基本架構的搭建分為3部分，逐層搭建。

現場設備層。對應物聯網的采集層，現在設備層的主要功能是連接現場設備，并通過傳感裝置對各類信號的智能采集和預處理，形成符合通訊層網絡協議要求的信息。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協議并進行認證加密及自描述后層發送給傳輸層服務器，同時也可接收傳輸層服務器發來的各種控制類指令。

通訊網絡層。對應物聯網的傳輸層，兼容多種通信模式，采用GPRS等物聯網通信技術，實現現場終端與直流供電管理系統間的數據傳輸。

遠程監控層。對應物聯網的應用層，監控層業務由前置通信服務器、業務數據服務器、在線采集管理服務器等硬件設備和平臺應用軟件組成，負責系統平臺中所有數據的運算查詢和存儲顯示等操作。支持移動終端與監控中心Web服務器進行交互，監測實時數據與檢索歷史數據。

2 無線通信裝置設計與開發

基于GPRS設計了一種智能無線通信裝置（DTU），可實現數據的透明轉發（圖3）。智能無線通信裝置是用于直流供電管理系統連接下位設備所用的4G全網通網關，可利用4G網絡連接至直流供電管理系統，可通過串口或網口實現Modbus數據自動采集和傳輸，配置參數方式多樣、靈活，運行安全穩定，具備隔離保護設計，適合于惡劣的工業現場。

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，然后在不改變原數據內容的前提下將從直流電源屏接收到的數據轉換成TCP/IP協議的數據包，最后通過GPRS網絡發送給遠程監控中心。同時將從遠程控制中心接收的控制信號發送給直流電源屏，實現數據的互通。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對直流電源屏數據同一通道的統一傳輸，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Modbus-RTU、Modbus-TCP通訊協議，可設為主站模式，與現場直流電源屏連接；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軟件平臺開發。主機采用嵌入式操作系統，進一步設計看門狗設計，保證系統穩定。軟件支持全網通4G/3G/2G通訊，優先使用網線直連（WAN）上網。采用完備的防掉線機制，保證數據終端永遠在線,上電即可進入數據傳輸狀態。內嵌私有加密通訊協議棧，實現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

數據處理及傳送功能。具備主從功能，DTU即可作為主站通過RS232/RS485接口向現場直流電源屏讀取信息，又可作為從站通過RS485接口被現場后臺監控中心讀取信息。

四遙功能。直流供電管理系統通過DTU實現遙信、遙測、遙控、遙調的四遙功能。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：系統開機、關機；各充電模塊開機、關機；均充/浮充電壓設置、狀態轉換；蓄電池充電電流設置輸入；輸出報警設置等。遙調項目包括：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據段。設置完成后DTU會定時采集直流電源屏的modbus數據并上發到直流供電管理系統，直流供電管理系統根據配置的數據規則進行解析和展示；遠程升級功能。支持互聯網云平臺利用通訊通道對DTU的軟件、參數及通訊規約進行遠程自動升級，方便設備管理，遠程升級保證DTU內的數據安全。

3 直流供電管理系統功能開發

根據對現場用戶習慣進行的調研情況，重點突出使用的簡潔和友好（圖4），通過界面操作可以實現系統的數據采集、實時監控、統計分析、運維管理和系統管理。

圖4 系統功能圖

數據采集功能。通過現場總線、有線網絡和無線網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據；實時監控功能。系統能對直流電源屏運行狀態進行實時監測，在直流系統發生故障時，可實時顯示故障信息并觸發對應的報警功能，從而實現直流屏內設備運行狀態的在線監測；統計分析功能。以簡易報表的形式匯總并展現直流屏歷史運行數據，進一步實現對系統歷史數據和故障記錄的統計分析；系統管理。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

系統的可用性。直流供電管理系統的設計應充分考慮在各個工程環境中的不同因素，能夠保證在現場安裝后立即適用并穩定可靠運行，系統月可用率大于99.99%；系統的可靠性。直流供電管理系統具有很高的可靠性，其平均無故障間隔時間MTBF大于50000小時，系統總體大于30000小時；系統的容錯能力。軟、硬件設備應具有良好的容錯能力，當各軟、硬件功能與數據采集處理系統的通訊出錯，以及當運行人員或工程師在操作中發生一般性錯誤時，均不會引起系統的任何功能喪失或影響系統的正常運行。對意外情況引起的故障系統具備恢復能力；系統的抗電磁干擾能力。系統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%。

目前驊港直流屏監控系統已投入正式使用，解決了直流系統不能遠程智能控制的落后狀態，改變了之前需要由人員到變電所現場查看和消除故障的低效運行模式，實現了系統的遠程訪問、無人值守，極大地提高了設備管理效率和自動化程度。