10kV變電所低壓配電系統位于電力系統的末端，是最終面向用戶的配電網絡，直接與用戶設備相連，為用戶設備供應、分配電能，它的運行情況與區域內的生產、生活息息相關。長期以來由于電力行業重視發電、輕視配電、不管用電，導致低壓配電網絡的智能化、信息化水平發展較慢。采用人工抄表的方式工作量大，對緊急情況反映不及時，早以不能滿足現代化監管要求；而采用現場設備層和過程監控層兩層結構的現場監測方式，雖然數據傳輸具有一定的實時性，數據吞吐量較大，但一般只能實現本地監管的功能，離開現場就無法獲取實時的監測信息；文獻中所述的數據采集與監控(SCADA)系統雖然技術比較成熟，但這類系統比較龐大，投資規模大、建設復雜，主要應用于大型的電力調度自動化方面，而對于小型變電所配電系統則不太適用；文獻中所述的GPRS方式，雖然減少了系統布線，但是這種無線方式是收費的，存在著傳輸數據量小，數據傳輸容易丟失的問題。
 
       物聯網技術作為一種新型技術體系，自被提出以來，已經在眾多領域得到了應用。本文結合物聯網技術特點，針對10kV變電所低壓配電系統提出了一種基于物聯網四層架構的變電所參數監測系統設計方案，通過網關將變電所底層信息傳感設備網絡和互聯網結合起來形成一個巨大的智能網絡，從而實現人與物的溝通和對話。本文分層介紹了每一層的功能結構，對系統功能模塊進行設計，在實時報警模塊上采用了無插件的Server Push方式以保證報警的實時性，實現了變電所的遠程監測和管理。
 
       1.系統整體設計
 
       根據物聯網的四層架構體系，系統由下至上分別由感知層、傳輸層、服務層、應用層構成，其結構如圖1所示。

圖1 基于物聯網架構的變電所監測系統結構圖

       感知層主要獲取變電所低壓端參數信息。10kV變電所低壓端設備主要有變壓器、次總開關、電容柜、出線柜等，分別安裝有不同的監測儀表，它們主要監測的參數如表1所示。這些儀表均提供統一的RS485接口，通過Modbus總線與上層網關相連。由于本系統的通信數據量大，且數據大都為二進制數值，因此，采用Modbus RTU的通信方式，一個Modbus RTU幀最大為256字節。

表1 變電所低壓端設備參數表

       傳輸層主要對感知層參數信息進行接入和傳輸，該層的主要設備為網關，網關具有較強的硬件支撐，是系統上下層信息交換的樞紐。它向下通過Modbus總線與終端監測設備相連，向上通過以太網接口連接Internet。網關的主要仕務就是實現上下兩種網絡數據包格式的轉換。如果接收到的Modbus數據包為緊急類型的信息，如異常報警信息，則馬上轉換成以太網幀；而一般數據則等待后續數據包到來后組合成一個以太網幀上傳。
 
       服務層主要對大量的數據進行處理、存儲，為上層實際應用建立了一個高效、可靠的技術支撐平臺，服務層的主要設備包括WEB服務器和數據庫服務器。Web服務器完成與網關的通信、數據采集、數據解析、數據保存工作，并向客戶端提供Web服務。數據庫服務器用于存放變電所的監測數據、報警記錄、操作信息等，這些數據分別保存在數據庫的不同表單中，它是變電所實時監測數據顯示、報表打印等的數據來源。系統數據存儲分本地數據中心和通過公有云存儲接口連接的遠程大數據中心。
 
       私有數據保存于本地數據中心，而公共數據則存儲至遠程大數據中心。通過這樣保證了海量數據的高并發性訪問及存儲，可大幅減輕本地數據中心存儲數據的壓力，又可使公共大數據及非敏感數據對第三方開放，系統提供公共數據訪問接口。系統后臺支持數據建模、內建數據庫存儲模板及數據智能調度服務。
 
       應用層的設計主要面向用戶，解決用戶端信息處理和人機交互的問題，利用經過分析處理的感知數據，為用戶提供豐富的應用功能。
 
       2.系統功能模塊介紹
 
       該系統主要有實時監測、參數分析、數據報表、異常報警、系統管理等功能模塊，如圖2所示。系統采用B/S網絡結構模式，遠程用戶通過電腦、平板、手機等終端的瀏覽器就可以登錄系統進行監管。

圖2 變電所監測系統用戶功能模塊框圖

       2.1 系統管理
 
       系統管理模塊可以查看變電所以及變電所內監測儀表、數據網關等設備的基本信息。也可以對系統用戶權限進行管理。普通用戶只能查看基本的監測信息，管理員用戶可以進行相應的操作，如打印報表、設置報警策、排班管理等。此外，還具有設備管理功能，可以查看設備狀態信息、修改設備模板，添加登記設備等。
 
       2.2 實時監測
 
       系統主要通過變電所地圖、變電所系統框圖(包括模擬屏監控、變電所監控柜)這幾種圖形化的界面為用戶提供變電所直觀的監測信息。
 
       變電所地圖可以直觀的看到區域內各主次變電所的分布情況。用戶通過鼠標操作就可以選擇查看區域內某個變電所內主、備供變壓器、次總等主要參數的實時更新顯示。
 
       變電所系統框圖即變電所供電關系總圖，描述了變電所主、備供電線路、開閉所、主次變電所之間的關系。通過系統框圖可以穿透鏈接到相應變電所模擬屏、變電所柜圖，系統框圖還可以動態提示各個變電所的主要參數和運行數據。變電所模擬屏、柜圖即通過模擬屏或者柜圖的形式將變電所各類監測儀表的主要數據以及線路開關閉合、斷開狀態顯示在相應圖形界面上。
 
       2.3 參數分析
 
       操作人員可以從變電所管理樹查看相應設備的實時參數信息以及參數的變化曲線。同時系統還提供以下兩方面數據作為變電所運行狀況診斷的分析依據。
 
       1)根據不同樹節點可以顯示變電所當前運行狀況，儀表及回路基本信息。并將定時采集的參數生成變電所參數的趨勢圖、對比趨勢圖。系統可設置取樣時間間隔為5min、15min、30min、lh等。操作人員可根據選擇的時問段、參數對想要查看的參數信息進行對比分析。
 
       2)對變電所電能質量和電能可靠性狀況進行持續的監測；實時監視各個變電所次總、和分回路諧波含量，電壓閃變、擾動，頻率偏差，不平衡度，功率因數等電能質量問題。
 
       2.4 數據報表
 
       該功能主要是對監測參數進行統計，并根據要求的格式生成報表。報表功能分為參數報表、電量報表。參數報表允許操作人員按時間段查詢變電所任一設備的運行參數；電量報表允許操作人員按需要查詢任一主次變電所的年報表、月報表、日報表等。通過導出功能可以將查詢內容導入到本地計算機中，供操作人員查看。
 
       2.5 異常報警
 
       1)預警管理
 
       系統設計了系統報警、短信報警、聲光報警三種報警方式，以保證報警信息能及時傳達給變電所管理人員。系統報警是在與服務器連接的瀏覽器上以彈出窗口的方式通知值班及管理人員；短信報警是通過手機短信及時將報警信息發送給報警聯系人；聲光報警是通過安裝于變電所內部聲光報警器來報警。用戶登錄系統之后可以對報警策略、報警重發時間、報警聯系人通訊錄等進行設置。
 
       2)報警處理
 
       報警處理即系統后臺對報警發生后數據的處理。主要有新增報警、消除報警以及刪除報警的業務處理。
 
       3)歷史報警
 
       當報警解除之后，報警信息自動存入歷史報警數據庫中，包括報警發生日期、時間、編號、報警類型、報警描述等信息。通過歷史報警功能，用戶可隨時查看、下載、打印所有歷史報警信息。
 
       3.報警模塊設計
 
       報警模塊為變電所穩定運行提供保障，在整個系統中具有至關重要的地位。實時報警信息不同于一般的實時數據，其實時性要求更高，如果采用一般的輪詢(Polling)技術不斷刷新頁面來獲取報警信息(即無論服務器端數據有無變化，都向服務器端定期取數據)，這不但會產生大量數據、浪費服務器資源，而且每次建立或關閉新的HTTP連接都有一定的延遲，這種延遲將大大的影響報警實時性。因此采用了基于訂閱/發布機制的服務器推送(Server Push)技術來解決此問題，在報警發生時向所有的訂閱用戶發布信息。
 
       無插件的服務器推送方式既不需要客戶端周期性的輪詢，也不需要在瀏覽器里安裝任何插件，通過服務器端和瀏覽器保持HTTP通信連接，在服務器端以事件驅動方式主動向客戶端推送數據，實現數據的實時刷新。

       變電所主要有9種報警類型，如表2所示，每種報警類型對應的報警發生條件都不同，需設置不同的報警策略。當監測到跳閘、離線或某一參數超過門限時觸發相應的報警，報警接口程序接收到變電所報警信息之后，從報警策略表中獲取該報警類型對應的報警策略和報警聯系人電話，并向預先設置的用戶終端發送報警信息。管理人員收到報警信息之后，需進行相應的操作，以解除報警。若超過設置的報警重發時間后報警仍未解除，系統則會重新發送報警信息。消警之后報警信息存入歷史報警庫中。報警服務流程如圖3所示。

表2 變電所報警類型定義

圖3 報警服務流程圖

       4.結論
 
       本文結合物聯網技術，提出了一種基于物聯網四層架構的變電所監測系統設計方案，實現了變電所低壓端參數的遠程實時監測、參數分析、數據報表、異常報警等功能。其中異常報警模塊采用了無插件的服務器推送方式，保證了報警的實時性。目前該方案已應用于某校區變電所的監測中，項目包括8個主變和22個副變，采用主備供電方式。項目建成之前，該校區變電所主要采用人工巡檢的方式，每天需安排多名值班人員輪流巡檢，人力成本高，每年光人工費用就需要幾百萬，而且容易出現漏檢、錯誤記錄、故障處置不及時等問題，存在重大隱患。項目建成后，變電所基本實現無人值守，管理人員無論何時何地都可以通過網絡登入系統對變電所的運行情況進行監測和管理。通過多種報警方式，故障信息能及時傳遞給管理人員，大大縮短了故障處理時間，節省上百萬開支。該系統提升了變電所的供電保障，降低了運行維護成本，達到了減員增效的目的，同時該系統作為該校能源監管平臺的一個子系統，結合其他水、電、路燈、空調節能管理系統，將大數據互相融合、智能分析，為節約型、智能化、信息化校園建設提供科學決策和支持。本系統在遠程實時控制方面仍有待進一步完善，在下一步設計與產品研發中將改進。