浅谈互联网技术在新型电力监控中的应用

徐向华

上海浦电网络科技有限公司

0 电力电能监控系统产生的背景

电网是由“发电、输电、变电、配电、用电”五个环节组成，“配电、用电”即是电网的用户端，85%的电能是由终端用户予以消耗的。终端用户主要有企业、楼宇、道路等多个板块。

智能电力监控系统是数字化和信息化时代应运而生的产物，已被广泛应用于电网用户侧楼宇、体育场馆、科研设施、机场、交通、医院、电力和石化行业等诸多领域的高/低压变配电系统。随着信息技术的发展，智能建筑已成为城市现代化、信息化的重要标志。智能建筑的组成通常有三个要素，即：建筑物自动化系统（BAS）、通讯自动化系统（CAS）和办公自动化系统（OAS）。BAS是对整个系统进行综合控制管理的统一体，它以计算机局域网络为通信基础，用于设备运行管理、数据采集和过程控制。智能电力监控系统是BAS中的一个重要组成部分，通过智能电力监控系统可大幅提高整个变配电系统的管理水平,便于与其它BAS联网,构成完整的楼宇自动化管理系统。因此，智能电力监控系统是智能建筑必不可少的组成部分。

智能电力监控系统对高压开关柜、低压开关柜、应急发电机组、电力变压器和EPS/UPS/ATS等的工作状态进行监控。通过实时记录单相/三相电压、需量、单相/三相电流、功率、功率因数、电度、频率、谐波和电流开关状态等各项参数实现监测，当参数值超出允许范围时便进行预警、报警，并具备对相关成品的控制能力。它以较少的软、硬件投资，极大地提高了供配电系统的安全性、可靠性和自动化水平。

通过工控机及系统集成软件对各监控装置的动态参数进行集成，建立变电站设备状态综合数据库，自动生成设备状态参数报表和变化趋势曲线，对设备状态的历史参数进行“横比”、趋势分析和相对比较相结合，实现设备状态的初步诊断，为专家诊断系统提供开放性平台，通过网络对现场设备的远程/现场状态监测、诊断和评估。

1 监控系统的构成

智能电力监控系统是由智能测控装置、网络设备及计算机设备、智能电力仪表、电力监控系统组成。系统因项目规模、功能性能、重要程度、用户投资水平等因素不同，采取不同的拓扑结构。但是无论采取何种拓扑结构都采用了“站控管理层——网络通讯层——现场设备层”的分层分布式设计方案。这类分层设计，符合当前通讯体系设计实现的标准，在每层都能相对完成监视控制功能，即可以实现远方的监视控制，也能够在上层故障时不影响本层和下一层的功能。

1.1 主站层（站控管理层、不限地理位置的访问层）

主站层位于监控室内，主要安装智能电力监控系统的后台主机等相关外设。负责将通讯间隔层上传的数据解包，进行集中管理和分析，执行相关操作，负责整个变配电系统的整体监控。智能电力监控系统提供专用的通讯功能模块，通过专用的以太网硬件通讯接口，以OPC方式或其它通讯协议向上一级系统（如：BAS、DCS或调度系统）发送相关的数据和信息，实现系统的集成。也可将数据发送至具有相关权限人员的移动终端上，实现跨越地理位置的监控。

1.2 通讯间隔层（网络通讯层）

采用通讯管理机负责与现场设备层的各类装置进行通讯，采集各类装置的数据、参数，进行处理后集中打包传输到主站层，同时作为中转单元，接受主站层下发的指令，转发给现场设备层各类装置。

1.3 现场设备层

一般位于中低压变配电室，包括：微机保护装置、智能多功能仪表、温湿控制器、变压器温控器、马达保护器等。这些设备负责采集高低压配电室的各类数据和信息状态，发送给具备通讯的数据处理器。

2 监控系统的通讯协议

电力电能监控系统有多种通讯协议，被广泛采用的是一种基于Modbus TCP协议的电力电能监控系统，将现场设备层仪表中基于RS485通讯接口的不同协议格式的数据，通过Modbus TCP通信单元转换成统一的基于以太网口（RJ45）的Modbus TCP协议的数据，在监控层上实现电力电能数据的监控和管理。以常用的基于Modbus RTU标准通信协议的电力仪表和电力专用的基于DL/T645-2007通信协议的多功能电表为例，进行实际应用，最终验证了通信的正确性和电力监控系统的有效性。

3 基于SCADA技术的电力电能监控系统

SCADA在铁道电气化远动系统上的应用较早，在保证电气化铁路的安全可靠供电、提高铁路运输的调度管理水平发挥了很大的作用。在铁道电气化SCADA系统的发展过程中，随着计算机的发展，不同时期有不同的产品，同时我国也从国外引进了大量的SCADA产品与设备，从而带动了铁道电气化远动系统向更高的目标发展。

SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系统，全称为数据采集与监视控制系统。SCADA系统自诞生之日起与计算机技术的发展紧密相关。SCADA系统发展已经历了三代。SCADA系统在电力系统中的应用最为广泛、技术发展成熟可靠。作为能量管理系统（EMS系统）的一个最主要的子系统，具有信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，已成为电力调度不可缺少的工具。对提高电网运行的可靠性、安全性与经济性，实现电力调度自动化与现代化，提高调度的效率和水平有着不可替代的作用。

通常SCADA系统分为两个层面，即客户/服务器体系结构。服务器与硬件设备通信，进行数据处理和运算。而客户用于人机交互，如用文字、动画显示现场的状态，并可以对现场的开关、阀门进行操作。还有一种“超远程客户”，它可以通过Web发布在Internet上进行监控。硬件设备(如PLC)一般既可以通过点到点方式连接，也可以总线方式连接到服务器上。点到点连接一般通过串口(RS232)，总线方式可以是RS485，以太网等连接方式。软件SCADA由很多任务组成，每个任务完成特定的功能。位于一个或多个机器上的服务器负责数据采集，数据处理（如、滤波、报警检查、计算、事件记录、历史存储、执行用户脚本等），服务器间可以相互通讯。有些系统将服务器进一步单独划分成若干专门服务器，如报警服务器、记录服务器、历史服务器、登录服务器等。各服务器逻辑上作为统一整体，但物理上可能放置在不同的机器上。分类划分的好处是可以将多个服务器的各类数据统一管理、分工协作，缺点是效率低，局部故障可能影响整个系统。

4 互联网技术与传统电力监控系统的融合

4.1 互联网技术的特点

随着Internet的出现，信息高速发展，促使信息资源的传递以及利用发生了较大的变化，作为当今一个非常重要的传播媒体，网络具有高渗透性、高速性、高保真性等特征，因此，也就成为信息化社会的一个重要基础。为了促使信息来源的广泛性得到进一步的保证，互联网的发展是建立在社会信息化的基础环节之上。

为了促使企业实现信息化，企业内部网则是其中关键的平台。所谓企业内部网（或称企业内部局域网），指的是企业以国际互联网的开放标准为基础，建立其属于自己的网络。因为互联网与企业内部网都是遵循相同的标准，两者能非常容易连接起来。为了促使内部网的安全得到较好的保障，两者之间通常会采用“防火墙”来进行防护。

4.2 新型电力监控系统

新型电力电能监控系统旨在依托强大的“互联网”来打造智能化、数据化的电力电能服务系统。让用户可以方便对所辖配电房用电数据进行查看与分析，让专业的电力服务提供商协助用户对配电房进行有效地运营监管与数据分析，从而提高配电设备的有效寿命、节省客观的硬件成本。系统采用了先进的软件架构和算法，采集硬件使用了多重保护机制，保证硬件全天候稳定运行；链路层多重异构网络互备与自动切换，保证链路高速可用；云端集群架构，保证负载均衡，避免单点故障。完善的CA机制，在硬件出厂时内置数字证书，上线接入时使用非对称密钥对设备鉴权，避免非法接入；链路层数据采用256位对称密钥加密，保证数据安全。全新链路层设计及服务端负载均衡接入，支持线性扩展，解决传统数据传输单元（Data Transfer Unit，DTU）接入模式接入设备数量具有上限的问题；云端分布式存储结构，支持业务近乎无限扩容。独立的设备管理平台，远程监控采集器运行状态；远程推送应用与远程固件升级。数据运算、预处理与报警逻辑下放到智能采集终端上处理，最小化报警延迟，从而减小业务损失。现场电表配置采用B/S架构，在服务器端完成并保存。降低现场实施难度，同时避免由于采集设备损坏导致重复配置。智能采集终端内置电池，一方面避免外部供电闪断造成硬件损坏，另一方面在外部供电异常时可以上报异常，提示运维人员。数据采集以高频采集，按配置频率上报，同时缓存高频原始数据。当报警出现时，自动上报相关原始高频数据。

4.3 新型电力电能监控系统特点

4.3.1 友好的人机交互界面（HMI）

标准的变配电系统具有CAD一次单线系统图显示中、低压配电网络的接线情况；庞大的系统具有多画面切换及画面导航的功能；分散的配电系统具有空间地理平面的系统功能主画面。主画面可直观显示各回路的运行状态，并具有回路带电、非带电及故障着色的功能。主要电参量直接显示于人机交互界面并实时刷新。

用户管理：智能电力监控系统软件可对不同级别的用户赋予不同权限，从而保证系统在运行过程中的安全性和可靠性。

4.3.2 数据采集处理

e电修智能电力监护云系统可实时和定时采集现场设备的各电参量及开关量状态（包括三相电压、电流、功率、功率因数、频率、电能、温度、开关位置、设备运行状态等），将采集到的数据或直接显示、或通过统计、计算生成新的直观的数据信息再显示（总系统功率、负荷最大值、功率因数上下限等），并对重要的信息量进行数据库存储。

4.3.3 趋势曲线分析

e电修智能电力监护云系统提供了实时曲线和历史趋势两种曲线分析界面，通过调用相关回路实时曲线界面分析该回路当前的负荷运行状况。如通过调用某配电回路的实时曲线可分析该回路的电气设备所引起的信号波动情况。系统的历史趋势即系统对所有已存储数据均可查看其历史趋势，方便工程人员对监测的配电网络进行质量分析。

4.3.4 报表管理

e电修智能电力监护云系统具有标准的电能报表格式并可根据用户需求设计符合其需要的报表格式，系统可自动统计。可自动生成各种类型的实时运行报表、历史报表、事件故障及告警记录报表、操作记录报表等，可以查询和打印系统记录的所有数据值，自动生成电能的日、月、季、年度报表，根据付费率的时段及费率的设定值生成电能的费率报表，查询打印的起点、间隔等参数可自行设置；系统设计还可根据用户需求量身定制满足不同要求的报表输出功能。

4.3.5 事件记录和故障报警

e电修智能电力监护云系统对所有用户操作、开关变位、参量越限及其他用户实际需求的事件均具有详细的记录功能，包括事件发生的时间位置、当前值班人员事件是否确认等信息，对开关变位、参量越限等信息还具有声音报警功能，同时自动对运行设备发送控制指令或提示值班人员迅速排除故障。

4.4 新型电力监控系统的网络结构及优势

新型电力监控系统的网络结构见图1。

1）系统将原有的SCADA系统的监控范围扩展到园区内全部配电设备和回路，大幅提升了管理覆盖的范围。同时平台将一次接线图及实时数据显示搬移到云平台，实现随时、随地浏览和管理新、老厂区电力设备，为第一时间确定用电异常提供重要参考。

2）平台支持环境数据及多能源数据监测。用户可根据实际需要建立包括温湿度、烟感、水浸、二氧化碳浓度、PM2.5浓度、甲醛浓度等环境数据采集与监测，也可以将水、蒸汽、燃气、压缩空气等其他能源数据进行监测，平台支持多能源、多监测点数据的实时监控。

图1

3）系统基于精确的电气数据，从电量与需量分析、分时电量分析、负载率分析、用电构成分析等角度，实现对用电精细化管理。平台提供的分析工具可以实现基本电费优化、提高能源使用效率，降低用能成本的目标。

4）系统提供回路级详细用电数据的查看，包括电量、需量、有功功率、相电压、线电压、电流、剩余电流、功率因数、温度、频率、三相电压不平衡度、三相电流不平衡度、无功功率、视在功率、电压总谐波、电流总谐波等内容。用户可对不同的数据内容进行查看，统计维度包括原始数据（15分钟、5分钟、1分钟）、按日统计、按月统计，时间维度根据不同的统计维度，可选择不同的时间段，系统将根据用户的数据采集进行数据呈现，在原始数据查看时，用户可对原始数据进行表格导出至本地。

5）系统提供AI智能报装模块，该模块将为两部制电价用户提供最优的报装建议，通过报装策略的制定和选择，实现为用户节省基本电费的目的。其中，该模块包括需量AI智能预测功能，该功能模块将根据用户实际的用电数据，分析用电行为，进而对未来用电的最大需量数值进行预测，结合用户所在区域的电价政策，为用户提供最优的报装方案。

6）系统通过自动化分析工具，实现对项目配电结构，累计用电量数据等相关量计算，分析出各个层面上的线路损耗和变压器损耗。并提供损耗概览和损耗分析页面，用于不同需求场景。

7）配合用户对用能的精细化管理，平台支持用户灵活制定能源数据报表，用户可根据实际需求，从统计时间、统计班次、计量周期、数据类型等多维度制定报表生成策略，系统将据此定期自动生成相应的自定义报表，用户可下载查看各类自定义报表，结合自身其他管理数据（如产量数据等），实现精细化管理。该自定义报表模块，支持统计的对象包括回路、监测点及其和差运算，支持统计的数据包括采集的累积量、瞬时量等，支持统计的周期包括日、月、季、年等，支持计量的颗粒度包括每15分钟、每小时、每天、每月、每班次。

8）系统提供巡检管理功能，为客户根据实际管理需求指定园区配电设备巡检计划及配电运维员工管理提供了先进的管理理念和工具，实现派单自动化、巡检过程流程化、巡检结果可视化，确保巡检的工作质量，为安全用电提供了坚实的基础。

9）系统提供故障及缺陷报警和相应的工单转换分配和跟踪功能。为综合无人化运维提供在线云端及手机端工具和管理系统。保障安全用电的及时性和故障恢复的有效性，提升了运维管理水平和故障恢复水平，并对运维人员的管理提供极大的便利性。

10）系统支持用户配置推送报警消息，可针对不同的项目选择不同级别的报警消息，通过微信服务号向指定的人员推送报警消息。被指定人员第一时间接收到报警消息后，可点击查看该报警消息详情。

11）系统提供专门的模块方便用户统一管理电气资产，将电气设备与用能数据进行对比，为设备管理、保养、和设备供应商选择、管理提供了可靠、科学和可比较的工具。

5 项目实际实施情况及总结

新型电力电能监控系统工作稳定，各项数据传送完整正确。预警、报警功能正常工作。电力电能数据得到正确累积。新型电力电能系统的内置算法开始在节能方面提出建议及意见，能给用户单位提出建议性的意见，指导用户如何合理安排用电时间，以节省相关的费用。

互联网技术在未来的生活与工作中将成为不可或缺的重要科技手段，在电力电能监控领域，互联网技术也将多方位得到广泛的应用。在互联网等智能技术的发展与提升中，电力电能的监控将会越来越智能化、数据化、远程化。