二次控制設備直流電源智能系統技術架構研究

國網上海浦東供電公司 吳明明 徐 鼎 楊 瑩 朱巧中 邴 冰

1 成果產生的背景

二次設備的直流系統維護也是日常運維中重要的內容。運維遺漏或故障隱患未發覺的情況時有發生。由于二次設備的直流系統的特點，存在以下問題。

一是二次設備的直流系統分布廣，故障頻發，故障搶修時間長，嚴重影響供電持續性和可靠性；二是二次設備的直流系統故障比較隱蔽，很難使用檢測設備監測；三是二次設備的直流系統故障比較分散，在二次設備中，絕大多數設備都是直流電源供電，而且直流系統幾乎分布到所有屏柜，往往一條回路連接多個設備，常會出現寄生回路，受到周圍環境影響較大，查找故障時存在很多不確定性，為二次設備安全運行帶來較大難度。直流系統很難感知故障，且無法感知故障點；四是二次設備的直流系統不可以無故停運，即使是在出現故障時，也不可以退出運行，為查找故障帶來很大的難度。

二次設備的直流系統故障主要分為以下兩類。一類是直流系統本身故障，直流系統本身故障又分為設備故障及直流故障和線路故障；設備故障多數為蓄電池老化、充電模塊和監控設備故障；線路故障包括直流斷線、直流短路、直流接地以及直流串交流等；二類是二次設備老化裂變引起直流系統故障，這種故障主要表現接在直流系統上的設備無故突然負荷增大或者減小，一般是二次設備老化或者故障，部分電路失效或者功能模塊故障等[1]。

2 成果原理說明

本項目成果主要包括用于二次控制設備直流電源監測系統通信網絡設置和云平臺管理，總的數據流程為感知終端采集數據網絡結構、邊緣計算設備通信管理、物聯網數據傳輸方式、無線網絡傳輸數據功能、區塊鏈存儲數據、平臺處理分析數據。

2.1 現場感知采集終端通信管理

感知終端主要功能除了數據采集還起到了通信管理的功能。感知終端通信硬件接口為RS485接口，為數據總線方式連接，每個感知終端設備通過地址編碼識別，每個端口最多可以接32個設備，感知終端裝置配置了4個端口[2]，如圖1所示。

圖1 感知終端設備通信模塊

圖2 實時數據采集圖

感知終端設備通信模塊功能特點：實時數據傳輸、系統對時、SOE 查詢、邊緣計算功能、通信管理、無線通信功能、數據緩存等。

通信管理技術分為以下三種：一是實時數據順序發送原則、告警數據采用分級管理，緊急優先的原則。二是邊緣計算有數據續接的功能，如果通信短時間中斷，可以緩存丟失數據，等通信恢復時續發，確保后臺數據的連續性。三是通信故障告警功能，當某一個節點通信出現故障時，能及時發出告警信息，提醒維護人員快速處理，同樣通信故障恢復正常也能發出提示信息，確認通信恢復正常。

2.2 邊緣計算和網絡拓撲結構

邊緣計算硬件組成：主控模塊、RS485通信模塊、網絡通信模塊、WI-FI 通信模塊、5G 網絡模塊等部分組成。分別配置了RS485通信控制軟件、網關數據處理軟件、物聯網控制軟件和故障數據模型。邊緣計算功能，可就地完成復雜的數據統計分析運算。支持邊緣計算功能遠程部署和管理[3]。

2.3 物聯網平臺構架

采用Java 作為服務器端開發工具，應用IOT Studio 作為前端開發工具，設計了二次控制設備直流電源監測系統平臺。物聯網平臺監測網絡拓撲結構如圖3所示，包括數據采集、歷史及實時波形、運行狀態分析、故障告警等功能。基于CovenantSQL實現區塊鏈數據庫存儲；建立了二次控制設備直流電源監測系統數據模型，并基于海量的監測數據，以及故障數據模型比對分析等算法，對二次控制設備直流電源監測系統進行綜合評價。實現了二次控制設備直流電源監測系統運行狀態的全方位分析和故障監測預警。

圖3 網絡拓撲結構

支持豐富的物聯網通信協議，北向支持MQTT/CoAP 等物聯網通信協議，可接入主流的物聯網平臺，如阿里云物聯網平臺。數據緩存和斷線續傳，裝置可緩存終端數據，當北向通信短時中斷并恢復后，可續傳數據到物聯網平臺。

物聯網平臺通信：一是代理通過南向通信接口所連接的電力物聯網設備實現和物聯網平臺的通信，通信協議為MQTT/CoAP。二是南向通信接口支持接入的設備包括：HZ17X 電力物聯網終端；支持MODBUS 協議的第三方IED 設備。通信管理機通信方式說明見表1，接入的商業物聯網平臺目前支持：阿里云物聯網平臺；遠景EnOS2.0平臺；UbiCloud 綜合用電管理平臺。

表1 通信管理機通信方式說明

搶采集單元的測量數據通過NB-IoT 通道（或WI-FI、4G 通道）上送數據到云平臺，也可通過LoRa 或RS485通道接入本地通信網關，由網關上送數據到云平臺。具有故障預警、故障錄波等功能，可智能區分電氣短路故障、負載過流與非過流斷電幾種不同工況。提供多種通信選項實現聯網，除提供NB-IoT 通信方式外，還可選擇RS485、WIFI、4G Cat1、LoRa 等通訊方式。支持Modbus RTU、IEC60870-5-104、Modbus TCP、MQTT 等多種通訊協議，可方便接入阿里云物聯網平臺及第三方MQTT Broker。遙測數據定時上傳云平臺，遙信變位主動上送到云平臺，支持數據緩存和斷點續傳。

2.4 后臺數據處理和解析

2.4.1 數據處理

數據緩存和斷線續傳：當北向通信發生短時中斷時，網關本地緩存采集數據，通信恢復后自動上送數據到物聯網平臺。設備屬性上報：支持物聯網平臺設備屬性自動上報，自動上報的設備屬性可包含傳統電力SCADA 系統的遙測、遙信、遙脈。凍結數據：支持設備屬性凍結值帶時標上送。SOE：支持順序事件記錄主動上送。統計報表：提供數據統計功能，可任意配置要統計的設備屬性集合，實現就地統計計算后上傳統計結果到物聯網平臺。故障錄波：通過服務方式和物聯網平臺交互，實現故障錄波列表和故障錄波數據上送。定值管理：通過服務方式提供定值上送和設置功能。對時：和物聯網平臺同步對時，同時和所連接的設備同步對時。

2.4.2 數據解析

故障報警管理。主要實現對配電室設備運行故障的監視功能，實現即時告警，精確定位。通過故障管理功能，用戶可對告警進行實時的監控，系統提供了故障智能診斷功能，以提高故障發現、故障處理的效率，減少故障造成的影響，更加有效地保障安全運行；云平臺為用戶提供了告警的實時監控瀏覽與查詢[4]。

報警規則。遙測量告警：選擇需配置的配電回路及該配電回路所需報警的變量類型，可配置配電系統遙測量的實時告警規則，以及配置各報警類型的報警值，報警級別，報警信息[5]。遙信量報警：配置開關量的報警規則，可以是分段報警或是閉合報警，也可設置變位報警。報警推送規則：告警可設定等級，可分組/分區。不同的告警可設定通知給不同的用戶。告警通知支持實時短信、App 通知等方式。當平臺采集到告警信息后，根據所設置的告警通知規則，將告警信息發送到相關運維人員的手機里，從而使得運維管理人員在第一時間內了解運行狀態、獲知故障信息，并及時地處理故障[6]。

3 成果實施效果說明

本項目成果的使用有利于系統自動網絡化監測二次監控設備的直流系統通信，通過故障模型的對比和故障現象數據的分析，能將潛在的直流系統故障提前發現和采取相應的技術措施，避免二次監控設備的直流系統故障的發生。這個過程的通信構架模型和數據庫比對都是后臺自動完成，實現24h 不掉線監測，避免了人為的干預，而且監測到可疑情況時，能自動診斷，根據信息特性和故障類別能發出不同級別的告警提示，有效提升了二次監控設備的直流系統管理水平，減少了人員查找故障時間，大大提高了故障處理效率。

4 成果推廣前景描述

該項目填補了開關站和變電站二次監控設備的直流系統通信構架的空白，為直流開啟在線維護實時在線維護的先河。直流系統雖然是電力系統中的輔助系統，但復雜度和維護的工作量都比較大，重要性也很突出，直接關系到用電的可靠性，長期以來未被重視。該項目通過組建二次監控設備的直流通信系統，有效提高了配電網的運行水平，大大減少了直流系統的故障率，減輕了搶修工作量，提高了工作安全性，將二次監控設備的直流潛在故障消滅在萌芽狀態，值得大面積推廣。

5 創新點和運行效果說明

創新點。一是研發了適用于二次控制設備直流電源系統通信構架，在電力二次監控設備的直流系統中，目前只有獨立的單個設備和單個節點做個監測，還沒有出現對二次監控設備的直流做系統性的監測，本項目在這方面為首創，填補了本領域的空白；二是首次研發了基于二次監控設備的直流系統通信云平臺監測系統；三是創新性地建立了二次控制設備直流電源系統通信構架，實現了二次控制設備直流電源系統實時在線監測，解決了二次控制設備直流電源系統監控的空白，建立了二次控制設備直流電源系統通信網絡模板，實現了監測數據區塊鏈存儲、提升了數據管理的規范性。

運行效果。本項目研究的通信框架系統解決了二次監控設備的直流系統自動監測的功能，對電網二次回路的直流電源監測有重要的意義。項目的實現進一步提高了電網自動化的能力，為實現數字化變電站有很好地幫助。