二次控制设备直流电源智能系统技术架构研究

国网上海浦东供电公司 吴明明 徐 鼎 杨 莹 朱巧中 邴 冰

1 成果产生的背景

二次设备的直流系统维护也是日常运维中重要的内容。运维遗漏或故障隐患未发觉的情况时有发生。由于二次设备的直流系统的特点，存在以下问题。

一是二次设备的直流系统分布广，故障频发，故障抢修时间长，严重影响供电持续性和可靠性；二是二次设备的直流系统故障比较隐蔽，很难使用检测设备监测；三是二次设备的直流系统故障比较分散，在二次设备中，绝大多数设备都是直流电源供电，而且直流系统几乎分布到所有屏柜，往往一条回路连接多个设备，常会出现寄生回路，受到周围环境影响较大，查找故障时存在很多不确定性，为二次设备安全运行带来较大难度。直流系统很难感知故障，且无法感知故障点；四是二次设备的直流系统不可以无故停运，即使是在出现故障时，也不可以退出运行，为查找故障带来很大的难度。

二次设备的直流系统故障主要分为以下两类。一类是直流系统本身故障，直流系统本身故障又分为设备故障及直流故障和线路故障；设备故障多数为蓄电池老化、充电模块和监控设备故障；线路故障包括直流断线、直流短路、直流接地以及直流串交流等；二类是二次设备老化裂变引起直流系统故障，这种故障主要表现接在直流系统上的设备无故突然负荷增大或者减小，一般是二次设备老化或者故障，部分电路失效或者功能模块故障等[1]。

2 成果原理说明

本项目成果主要包括用于二次控制设备直流电源监测系统通信网络设置和云平台管理，总的数据流程为感知终端采集数据网络结构、边缘计算设备通信管理、物联网数据传输方式、无线网络传输数据功能、区块链存储数据、平台处理分析数据。

2.1 现场感知采集终端通信管理

感知终端主要功能除了数据采集还起到了通信管理的功能。感知终端通信硬件接口为RS485接口，为数据总线方式连接，每个感知终端设备通过地址编码识别，每个端口最多可以接32个设备，感知终端装置配置了4个端口[2]，如图1所示。

图1 感知终端设备通信模块

图2 实时数据采集图

感知终端设备通信模块功能特点：实时数据传输、系统对时、SOE 查询、边缘计算功能、通信管理、无线通信功能、数据缓存等。

通信管理技术分为以下三种：一是实时数据顺序发送原则、告警数据采用分级管理，紧急优先的原则。二是边缘计算有数据续接的功能，如果通信短时间中断，可以缓存丢失数据，等通信恢复时续发，确保后台数据的连续性。三是通信故障告警功能，当某一个节点通信出现故障时，能及时发出告警信息，提醒维护人员快速处理，同样通信故障恢复正常也能发出提示信息，确认通信恢复正常。

2.2 边缘计算和网络拓扑结构

边缘计算硬件组成：主控模块、RS485通信模块、网络通信模块、WI-FI 通信模块、5G 网络模块等部分组成。分别配置了RS485通信控制软件、网关数据处理软件、物联网控制软件和故障数据模型。边缘计算功能，可就地完成复杂的数据统计分析运算。支持边缘计算功能远程部署和管理[3]。

2.3 物联网平台构架

采用Java 作为服务器端开发工具，应用IOT Studio 作为前端开发工具，设计了二次控制设备直流电源监测系统平台。物联网平台监测网络拓扑结构如图3所示，包括数据采集、历史及实时波形、运行状态分析、故障告警等功能。基于CovenantSQL实现区块链数据库存储；建立了二次控制设备直流电源监测系统数据模型，并基于海量的监测数据，以及故障数据模型比对分析等算法，对二次控制设备直流电源监测系统进行综合评价。实现了二次控制设备直流电源监测系统运行状态的全方位分析和故障监测预警。

图3 网络拓扑结构

支持丰富的物联网通信协议，北向支持MQTT/CoAP 等物联网通信协议，可接入主流的物联网平台，如阿里云物联网平台。数据缓存和断线续传，装置可缓存终端数据，当北向通信短时中断并恢复后，可续传数据到物联网平台。

物联网平台通信：一是代理通过南向通信接口所连接的电力物联网设备实现和物联网平台的通信，通信协议为MQTT/CoAP。二是南向通信接口支持接入的设备包括：HZ17X 电力物联网终端；支持MODBUS 协议的第三方IED 设备。通信管理机通信方式说明见表1，接入的商业物联网平台目前支持：阿里云物联网平台；远景EnOS2.0平台；UbiCloud 综合用电管理平台。

表1 通信管理机通信方式说明

抢采集单元的测量数据通过NB-IoT 通道（或WI-FI、4G 通道）上送数据到云平台，也可通过LoRa 或RS485通道接入本地通信网关，由网关上送数据到云平台。具有故障预警、故障录波等功能，可智能区分电气短路故障、负载过流与非过流断电几种不同工况。提供多种通信选项实现联网，除提供NB-IoT 通信方式外，还可选择RS485、WIFI、4G Cat1、LoRa 等通讯方式。支持Modbus RTU、IEC60870-5-104、Modbus TCP、MQTT 等多种通讯协议，可方便接入阿里云物联网平台及第三方MQTT Broker。遥测数据定时上传云平台，遥信变位主动上送到云平台，支持数据缓存和断点续传。

2.4 后台数据处理和解析

2.4.1 数据处理

数据缓存和断线续传：当北向通信发生短时中断时，网关本地缓存采集数据，通信恢复后自动上送数据到物联网平台。设备属性上报：支持物联网平台设备属性自动上报，自动上报的设备属性可包含传统电力SCADA 系统的遥测、遥信、遥脉。冻结数据：支持设备属性冻结值带时标上送。SOE：支持顺序事件记录主动上送。统计报表：提供数据统计功能，可任意配置要统计的设备属性集合，实现就地统计计算后上传统计结果到物联网平台。故障录波：通过服务方式和物联网平台交互，实现故障录波列表和故障录波数据上送。定值管理：通过服务方式提供定值上送和设置功能。对时：和物联网平台同步对时，同时和所连接的设备同步对时。

2.4.2 数据解析

故障报警管理。主要实现对配电室设备运行故障的监视功能，实现即时告警，精确定位。通过故障管理功能，用户可对告警进行实时的监控，系统提供了故障智能诊断功能，以提高故障发现、故障处理的效率，减少故障造成的影响，更加有效地保障安全运行；云平台为用户提供了告警的实时监控浏览与查询[4]。

报警规则。遥测量告警：选择需配置的配电回路及该配电回路所需报警的变量类型，可配置配电系统遥测量的实时告警规则，以及配置各报警类型的报警值，报警级别，报警信息[5]。遥信量报警：配置开关量的报警规则，可以是分段报警或是闭合报警，也可设置变位报警。报警推送规则：告警可设定等级，可分组/分区。不同的告警可设定通知给不同的用户。告警通知支持实时短信、App 通知等方式。当平台采集到告警信息后，根据所设置的告警通知规则，将告警信息发送到相关运维人员的手机里，从而使得运维管理人员在第一时间内了解运行状态、获知故障信息，并及时地处理故障[6]。

3 成果实施效果说明

本项目成果的使用有利于系统自动网络化监测二次监控设备的直流系统通信，通过故障模型的对比和故障现象数据的分析，能将潜在的直流系统故障提前发现和采取相应的技术措施，避免二次监控设备的直流系统故障的发生。这个过程的通信构架模型和数据库比对都是后台自动完成，实现24h 不掉线监测，避免了人为的干预，而且监测到可疑情况时，能自动诊断，根据信息特性和故障类别能发出不同级别的告警提示，有效提升了二次监控设备的直流系统管理水平，减少了人员查找故障时间，大大提高了故障处理效率。

4 成果推广前景描述

该项目填补了开关站和变电站二次监控设备的直流系统通信构架的空白，为直流开启在线维护实时在线维护的先河。直流系统虽然是电力系统中的辅助系统，但复杂度和维护的工作量都比较大，重要性也很突出，直接关系到用电的可靠性，长期以来未被重视。该项目通过组建二次监控设备的直流通信系统，有效提高了配电网的运行水平，大大减少了直流系统的故障率，减轻了抢修工作量，提高了工作安全性，将二次监控设备的直流潜在故障消灭在萌芽状态，值得大面积推广。

5 创新点和运行效果说明

创新点。一是研发了适用于二次控制设备直流电源系统通信构架，在电力二次监控设备的直流系统中，目前只有独立的单个设备和单个节点做个监测，还没有出现对二次监控设备的直流做系统性的监测，本项目在这方面为首创，填补了本领域的空白；二是首次研发了基于二次监控设备的直流系统通信云平台监测系统；三是创新性地建立了二次控制设备直流电源系统通信构架，实现了二次控制设备直流电源系统实时在线监测，解决了二次控制设备直流电源系统监控的空白，建立了二次控制设备直流电源系统通信网络模板，实现了监测数据区块链存储、提升了数据管理的规范性。

运行效果。本项目研究的通信框架系统解决了二次监控设备的直流系统自动监测的功能，对电网二次回路的直流电源监测有重要的意义。项目的实现进一步提高了电网自动化的能力，为实现数字化变电站有很好地帮助。