基于物联网技术的变电站监控架构方案

蒋亚坤，王彬筌，黎强，韩校

（1.云南电网有限责任公司，昆明 650051；2.长园深瑞继保自动化有限公司，广东 深圳 518057）

0 前言

变电站是电力生产过程的重要环节，其主要作用是变换电压、交换功率和汇集、分配电能。变电站监控系统是电网自动化系统的一个重要组成部分，具有运行高效、实时、可靠特性，可对变电站内设备进行统一监测、管理、协调和控制。同时，又必须与电网其他监控系统进行实时、有效的信息交换、共享。

目前在智能化变电站中存在多个子系统，各子系统各自为政，各子系统所采集的数据和信息通过不同的传输网络上送到不同的主站系统，如：四遥等运行数据和信息上送到各级调度中心的监控系统、二次设备状态监测数据和信息上送到二次设备状态主站、保护和录波信息上送到保护信息主站、PMU数据上送到WAMS主站、视频信息上送到指挥中心等等，这样形成了一个个信息孤岛，各子系统之间的信息相互隔离，无法做到共享和互用。同时由于各子系统将数据和信息上送到各自主站时采用各自独立的采集通道，按省网其所属的几百个变电站来讲，网络通道的维护工作量相当巨大。

另一方面，变电站监控系统采集和上送的数据和信息也不全面，无法达到“全景”信息的要求，目前这些信息在多数变电站还未上送到主站系统：一二次设备运行状态类信息；二次设备管理类信息；变电站网络状态实时信息；过程层设备采集数据和信息；变电站环境信息和视频监视信息。

对于传统调度系统来说，其主要数据为四遥数据和报警类信息。如果调度系统需要其他数据，则需要连接到其他信息系统，并向其他系统请求数据；因此调度系统需要增加与其他系统进行数据交互的多样化接口处理，而且数据的实时性往往不能得到保证，更何况很多信息系统目前处在建设或计划建设中。如果调度系统无法获取完整的变电站数据，不但不能对变电站进行全景监视，而且其很多高级应用功能因数据缺失而无法发挥甚至完全丧失应用功能的作用。

“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。

物联网技术在变电站的应用，其基本思路为：首先在调度中心建立基于云计算技术的调度云平台，调度云平台是一个数据共享中心、数据统一处理中心和应用服务共享中心；其次在变电站内，依托基于物联网的架构，建立一个变电站全景信息网络传输平台。在物联网中，传输网络IP化，对于众多变电站来说，如何对设备IP进行规划是另一个研究重点。

本文在研究物联网技术的基础之上，探索一种变电站监控系统的物理架构，并在此基础之上解决监控系统的应用。

1 变电站物联网构成

基于物联网的架构所建立变电站全景信息网络传输平台，称为变电站物联网。

1.1 物联网技术层次

物联网是以感知与应用为目的的物物互联系统，涉及传感器、RFID、安全、网络、通信、信息处理、服务技术、标识、定位、同步等众多技术领域。物联网的价值在于让物体也拥有了“智慧”，从而实现人与物、物与物之间的沟通，物联网的特征在于感知、互联和智能的叠加。作为一种形式多样的聚合性复杂系统，物联网一般可分为以下三层，如图1所示。

图1 物联网技术层次

1)感知层：主要功能是信息感知与采集，主要包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、各种传感器等。

2)网络层：解决传输和预处理感知层所获得数据的问题。

3)应用层：通过分析处理的感知数据，提供监控类、查询类、控制类和扫描类等各种应用服务。

在物联网各层之间，信息传输不是单向传递，信息是相互交互、并且是可控制的。物联网所传递的信息可以是多种多样，既有结构性数据和信息，也有半结构、非结构类的数据和信息。在物联网内感知层传感器可以通过其IP进行唯一标识。

1.2 变电站物联网架构

变电站物联网架构如图2所示。

图2 变电站物联网架构

变电站物联网中，感知层和网络层部署在变电站内，应用层部署在基于云计算技术的调度云平台中。调度云平台为数据共享中心，数据统一处理中心和统一应用服务共享中心。

1)感知层：变电站感知层设备包括一次设备、二次设备、网络及设备、REID电子标签、智能环境监测设备、IP化摄像设备及其他（如变电站机器人、GPS定位定时设备等）。从这些设备中，将获得变电站结构化数据和信息、半结构化数据和信息、非结构化数据和信息，

2)网络层：又称为信息汇聚层，由无线设备、蓝牙、移动通讯、变电站专用网络等组成。在网络层配置了网络管理服务器，网络管理服务器负责对网络设备配置和管理、维护网络安全、同时对网络进行负载均衡等优化工作。网络层采用双网配置。

3)应用层：中间件负责对变电站物联网信息处理包括信息识别、去噪音处理等，同时将信息写入到调度云平台数据库中。应用服务器部署在调度云平台，由多台服务器组成，完成对变电站数据和信息处理、展示、控制、计算、高级应用和管理等服务。

2 变电站物联网地址规划

2.1 IP地址规划方法

对变电站物联网进行IP地址规划，可采用以下方法：

2.1.1 基于三级的IP地址规划

划分子网是将一个大的网络划分成几个较小的子网络，将传统“网络号—主机号”两级结构变成“网络号—子网号—主机号”的三级结构，从而有利于优化网络性能，改善网络管理。

2.1.2 基于NAT技术IP地址规划

网络地址转换（NAT）设计的基本思路为变电站分配一个或少量的全局IP地址，用于传输Internet的流量，在变电站内部网络设备上分配一个不能够在Internet上使用的专用IP地址。

当内网主机访问Internet的请求分组到达执行NAT功能的路由器时，该分组的源IP地址、源端口号发生相应的转换，点该分组的目的IP地址、目的端口号均保持转换，但源IP地址、源端口号均保持不变。

NAT可以分为“一对一”、“多对多”等类型。实现地址“一对一”转换的方法属于静态NAT，即配置一个内部专用IP地址对应一个公用的IP地址。如果每个内部网络的N个用户可以共享M个全局IP地址，那么就属于动态NAT。

2.1.3 基于IPv6技术IP地址规划

IPv6的128位地址采用冒号十六进制表示，即按每16位划分为1个位段，每个位段被转换位1个4位的十六进制数，并用冒号“：”隔开。

一个IPv6地址中可能会出现多个二进制数0，因此规定了“前导零压缩法”，通过压缩某个位段中的前导0来简化IPv6地址的表示。但是在使用零压缩法时，不能把一个位段内部的有效零也压缩掉。需要注意的是，每个位段至少应该有1个数字，“0000”可以简写为“0”。

如果几个连续位段的值均为0，那么这些0就可以简写“：：”，即IPv6的地址可以使用“双冒号表示法”进一步简化地址表达。但双冒号“：：”在一个IPv6地址中只能出现一次。

IPv6不支持子网掩码，它只支持前缀长度表示法—“地址/前缀长度”。前缀是IPv6地址的一部分，用作IPv6路由或子网标识。

IPv6支持地址自动配置。链路上的主机会自己自动地配置适合于所在链路的IPv6地址（称为链路本地地址），或者是适合于IPv4和IPv6共存的IP地址。

2.2 IP地址规划管理软件

IP地址规划管理软件部署在调度云平台中，对外提供设备IP地址查询等服务业务，对内实现对变电站物联网设备IP地址规划和配置。

IP地址规划流程如图3所示。

图3 IP地址规划工作流程图

3 结束语

基于物联网技术而构建的变电站全景信息传输平台主要具有以下特点：

1)向主站传输数据和信息通道减少。传统变电站监控系统的各子系统向各自主站传输数据需要5-7个专用通道，在变电站物联网架构下，变电站信息统一送到调度云平台，各主站需要数据时向调度云平台索取。变电站物联网简化了变电站数据传输网络结构，大大减少传输网络维护的工作量，减少变电站物理设备的投资。

2)全景信息采集。通过变电站物联网不仅将原变电站监控系统各子系统的数据和信息汇聚在一起，同时还可采集了变电站一二次设备运行状态类信息、一二次设备管理类信息、变电站网络状态实时信息、过程层设备采集数据和信息、变电站环境信息和视频监视信息等，形成了真正意义上的全景信息采集。变电站物联网可容纳结构化数据、半结构化数据和非结构化数据。

3)通过变电站物联网网络层管理服务器对网络资源调度、安全管理，使变电站数据和信息传输更高效和更安全。

4)物联网最终目的是使变电站物联网为变电站监测设备、控制设备、传感器、信息传输等实现智能化提供了可用平台。