電力設備全景智能監測信息模型研究及應用

劉 俊，周 蕾，王圣杰，王 堃

（1國網寧夏電力有限公司信息通信公司 寧夏 銀川 750001）

（2中南大學計算機學院 寧夏 銀川 750001）

0 引言

在物聯網時代，各種傳感器可以通過無線和有線通信的方式與互聯網交換信息。傳統電源的劣勢是不利于對批量電源進行組織和管理，一旦集中供電出現故障，整個供電系統就會出現故障[1]。物聯網技術從底層設備方面解決了這些缺點，基于物聯網技術的信息交換和信息交流變得更加容易。因此，智能建筑要實現系統集成，整體結構將發生變化，基于物聯網的新型集成系統架構的出現是必然趨勢。

1 研究目的

在電力系統中，電源監控技術集成了電力電子、計算機、控制和通信技術。傳統逆變電源大多采用模擬控制技術，電路復雜，輸出性能差，一旦系統出現故障，必須現場解決。因此，現場必須配備大量技術人員，但維修人員不足，維修方法落后。系統無法及時監控，各種系統故障被處理，降低了整個監控系統運行的可靠性。近年來，隨著大規模集成電路和數字信號處理器技術的發展，人們對逆變電源和監控技術的全數字化、智能化和系統可靠性提出了更高的要求。電力監控的實質是對每臺供電設備進行集中實時監控，改變了以往大量人工維護的方式，實現少維護或無人值守，并使用快速準確的數據全面反映系統的運行狀態。目前，國內外有很多關于“智能電網”的研究和文獻，但很少提及“智能電力”或“智能電力”的概念。只有少數文獻偶爾提及物聯網智能電力的概念。研究人員深入研究了基于總線的模塊化電源并聯的數字控制方法，采用離散建模和數?；旌戏抡娴姆椒?，分析了模塊化電力并聯系統的數字控制，提出了一套完整的數字控制策略。仿真表明該策略的合理性，并完成了模塊電源控制系統的設計，驗證了系統的良好性能。通過處理和分析少數供電系統的數據，可以定性或定量地準確評估系統的工作質量，在采用科學的操作規程，充分利用大量技術數據的同時，通過異構網絡融合、信息聚合、決策診斷、在線控制、大數據分析等手段，形成從底層設備到上層應用的統一服務管理體系。在建筑的整個生命周期內，實現節能、舒適、安全、健康等目標的全面優化管理。

2 電力設備全景智能模型應用及各類模型概述

近年來，電力設備遠程監控全景自動監控系統、智能自動操控監測診斷系統、遠程信息調度管理控制模型等，已經成功地廣泛應用于廣東省電網公司省級工業電力設備，遠程自動操控監測系統智能自動診斷系統。由于廣東站目前作為省級工業動力機組電網的遠程監控數據中心，系統共成功設計接入1個中國電力，全網186座省級電力變電站，在線遠程自動監測智能診斷監控裝置、2 100余座省級電力變電站及各偏遠地區省級電力局級電網，遠程調度相關管理信息自動化系統信息管理模型，并成功實現通過“源端維護、自動上傳、智能應用”的遠程監控，免費管理維護信息管理服務方式?；緦崿F所有遠程信息調度管理控制模型，遠程調度管理自動化、智能化和管理維護，能夠較高效率地保證所有遠程信息控制模型管理數據的準確性和一致性。

2.1 全景智能監測信息模型概念

電力系統一次電氣設備主要模型包括：一次電氣設備和二次電氣設備。一次電氣設備設計模型包含水利電網一次電氣設備模型及其設計參數、拓撲網絡連接互聯關系等。而二次電氣設備設計模型主要是二次電氣設備模型信息化的建模，它不僅涉及一次電氣設備、二次電氣設備間的拓撲關聯連接關系，更偏重于電網智能化及電子裝置中的設計。

電力系統的設計架設以及建立，是為了能夠滿足我國現代大型電力設備在線生產的不斷發展應用需要，其主要技術功能可以分為：在線電力設備生產管理經營服務管理信息系統、基本信息綜合服務和大型在線電力資產經營監測系統信息管理系統。在線電力設備生產管理經營服務管理信息系統，基本信息綜合服務管理系統：主要專門負責管理大型電力設備，在線生產經營臺賬、運行經營管理操作記錄、檢修試驗操作管理記錄、缺陷試驗檢查操作記錄和電力事故發生預防，試驗檢測結果檢查記錄等，基本信息數據相關信息。其中的數據模型系統特點：主要功能是完全處于靜態和非常實時的可離線狀態，是因為電力資產經營管理數據信息系統、運行經營管理數據模型系統設計主要遵循相關國際標準；在線電力資產經營監測管理信息系統，主要專門負責管理一次大型電力設備，在線資產管理運行經營管理信息狀態的實時連續性和離線測量基本信息相關參數。數據模型系統特點主要功能是：準確和實時離線測量相關數據，信息管理模型系統設計主要遵循相關國際標準。

2.2 基于IEC 61850的在線監測信息模型

IEC 61850標準主要內容是：關于設計我國民用變電站通信系統網絡，通信信息服務網絡和系統的一項技術標準。其主要設計內容一般包括：系統通信服務設備設計應用模型、變電站通信設備網絡配置系統設計應用語言、抽象網絡通信系統服務節點系統。網絡通信公共網絡服務節點系統信息接口、公共網絡數據庫信息分類、邏輯系統通信服務節點、特殊通信服務系統通、信網絡系統信息服務網絡接口信息映射等多部分。通過對系統通信服務設備的一系列結構設計進行規范化，形成了通信設備設計規范化的信息輸出，實現不同通信服務系統間的信息無縫連接。

該在線模型由一個層次分明的在線模型主體結構部分構成，上下級監測對象之間的相互關聯關系十分明確。具體包括在線變壓器開放監測、絕緣變化監測、局部開放變化監測、斷路器局放監測，避雷器內的絕緣變化監測、環境監測、絕緣柜內氣體變化監測、絕緣柜內液體變化監測、開關柜內的溫度變化監測等。其主要技術應用規范：詳細規定了在線網絡監測變電裝置需要傳輸的各個門類變電量程監測、狀態、譜圖編碼文件等相關監測數據信息及其編碼傳輸方式，并詳細明確了在線變電站、一次變電設備監測功能位置、監測二次設備、監測系統功能位置、譜圖文件類型等信息編碼傳輸原則。

3 基于物聯網的智能建筑體系結構

3.1 基于物聯網技術的智能建筑系統架構

采用面向服務的概念，接受對第三方系統或平臺的訪問和數據或應用程序的訪問，同時考慮物聯網技術的發展。為響應功能需求和適應建筑物使用的特點，新的智能建筑網絡結構由3層組成：

（1）傳感層：通過底層的各種傳感器、執行器和智能設備識別建筑電氣設備的信息。

（2）網絡層：通過傳感器網絡與現有網絡的混合結構體系，采用統一的通信協議，實現數據的進一步處理和傳輸。網絡層的物聯網節點是一個具有數據轉發功能的“內在智能”網關。每個區域感知層的傳感器通過物聯網節點直接連接到互聯網，并與云服務器互聯。

（3）應用層：除了部署web應用程序、數據庫、web服務組件等，還有大數據分析平臺。大數據分析平臺匯集了物聯網節點、多棟建筑智能子系統的數據、專家知識、分析預測所需的第三方平臺信息等，并提供了多種先進的應用工具，適用于建筑中的數據挖掘和機器學習。服務于高級應用（如統計分析、專家診斷等）的算法和模型打包為服務，并按照統一標準提供服務接口，幫助用戶實現多維建筑節能[1]。與基于傳統智能建筑單一功能的垂直管道架構相比，這種新架構具有自組織、可擴展、可重構的特點，除對空調控制系統、智能照明控制系統、給排水控制系統等公用電氣設備進行監控管理外，它還可以對辦公室和家庭等私人區域的電氣設備進行管理和控制。與為傳統智能建筑的每個系統部署控制平臺相比，本地控制管理平臺節省了硬件資源和成本。同時，物聯網節點不占用太多的空間資源，不需要專門的空間布局，易于推廣?；ヂ摴濣c、智能建筑子系統集成平臺和物聯網建筑云遵循統一的通信協議，實現數據透明，數據以統一的方式流向云平臺，并按照約定的存儲標準進行存儲，從根本上解決了傳統智能建筑的信息孤島問題。

3.2 室內電氣物聯網系統

室內電氣物聯網系統將區域作為服務單元，實現對區域內設備、人員和環境的管理和控制。它是一個集成遠程測量和控制、物聯網，用于環境識別和人員信息檢測、設備管理和優化控制以及能源管理的系統。室內電氣物聯網系統采用廣域網運維模式，它可以實現對某一區域內電氣設備的管理和控制，將所有電氣設備接入物聯網系統，可以實現設備狀態與信息的交互，形成大量的大數據，這將有助于未來建筑節能研究。支持向網絡動態添加設備和自動服務發現。室內電氣物聯網系統的體系結構如圖1所示。

室內電氣設備物聯網系統包括物聯網節點、各種智能測控模塊（智能開關、智能插座、各種環境模塊、紅外轉發模塊等）、云服務器、APP。

物聯網節點連接云服務器，通過以太網或無線網絡進行通信，并利用無線網絡管理下級智能測控模塊。

智能測控模塊實時采集信息，將設備狀態發送至物聯網節點，室內電氣物聯網云平臺部署數據庫、服務組件、webaccess應用等，提供遠程監控、數據分析、場景設置、設備管理、用戶管理數據、應用服務，以及人機交互軟件支持，用戶可以通過APP或Web使用相關應用功能，可以遠程監控受控區域內設備、環境、人員的狀態信息，控制權限內設備的狀態，使用場景設置功能劃分服務區域，設置區域內的背景、設備位置等，通過設備管理功能，可以查看受權限控制的設備的詳細信息，支持設備信息檢索、故障診斷等功能。用戶可以通過用戶管理修改用戶身份信息、權限信息等，通過數據分析，查看設備的歷史數據，利用大數據分析功能，實現相關節能分析、故障診斷等功能[2]。

4 施工設備智能電源監控對象及監控點的確定

4.1 監測對象的確定

為了保證通信設備的正常運行，機房內的灰塵、溫度和濕度條件非常重要。從這個意義上講，通信空調設備與電力設備同等重要，必須加強維護和管理。因此，在監控系統的建設中，通信空調設備也應該是監控對象之一。

通信站一般由庭院、機房等輔助基礎設施組成。機房還包括程控機房、傳輸機房、數據機房、測量室、電源室、電池室、低壓配電室。為了實現這些房間的無人值守或無人值守操作，需要可靠的操作設備和可靠的遠程集中監控和管理。各種通信設備通常建立專業的集中監控管理系統，如交換網管系統、傳輸接入網設備等，電力設備和空調設備必須通過智能電力監控系統進行遠程監控和管理[3]。

通信室的總配線架通常是維護的薄弱環節。許多火災是由傳輸功率引起的。頭部和尾部機柜用作整個重傳設備的電源。電源中斷將導致傳輸中斷?？蓚魅镜某錃馄鞅Ｗo地下電纜。然而，如果有必要為每種類型的設備建立一個大規模的監測網絡，這無疑是不劃算的。將這些設備集成到智能電力監控系統中，利用監控系統平臺進行多專業輔助監控，是一個很好的解決方案[4]。

4.2 監測點的選擇

從應用的角度來看，監控系統的功能可以簡單地分為監控功能、交互功能、管理功能、智能分析功能和輔助功能。管理功能包括數據管理功能、報警管理功能、配置管理功能、安全管理功能、自我管理功能和文件管理功能，如圖2所示。

5 實驗及結果分析

基于智能監控的大功率直流電源裝置實驗。在本次設計的大功率直流電源監控系統中，下位機采集的電壓、電流等參數為上位機顯示的電源運行狀態提供數據，系統的計算機接口可以實現這些數據的顯示和更改，通過計算機界面操作，可以遠程控制電源的運行狀態。經過多次實驗，基于網絡監控的直流電源裝置基本達到了預期目標，直流電源系統功率大，電源輸入既適合三相電壓輸入，也適合單相電壓輸入[5]。在電源設備上增加一個網絡模塊，實現上位機與下位機之間的無線通信，通過無線網絡傳輸當前電源的工作參數，并遠程監控正在運行的電源口客制判粘貼板當前的廣告可以通過網絡傳輸，使系統的每一個環節都能使用。它具有直觀性強、可操作性強、結構開放靈活、實時性好、可靠性高等優點。

6 結語

隨著社會的發展和信息技術的廣泛應用，智能建筑的概念應運而生。建筑智能化利用建筑技術、現代通信技術和計算機技術，實現對建筑環境的實時監控，智能控制建筑內的設備，為用戶提供信息服務。本文提出了一種適應物聯網時代的新型智能建筑體系結構。介紹了基于物聯網技術的智能建筑系統的體系結構，詳細介紹了無線傳感器網絡和傳統基礎設施的組成和硬件設備，設計了上位機監控接口。該界面能直觀顯示下位機采集的電壓、電流參數及功率變化情況，通過開發顯示界面，您可以監控大功率直流電源的電源狀態，并根據電壓和電流曲線監控直流電源的電源。在電源偏差的情況下，直流電源的工作參數也可實時調整。電源監控功能可防止電源的異常運行，并有效保護整個系統。監控系統的采樣校準方法可減少傳感器和傳感器等因素引起的測量誤差環境數據的保存，便于后續查看和處理，下一步我們將把更多類型的設備納入樓宇電氣設備物聯網系統平臺，實現多個電氣設備的監控、故障診斷和節能優化控制。