劉 俊,周 蕾,王圣杰,王 堃
(1國網(wǎng)寧夏電力有限公司信息通信公司 寧夏 銀川 750001)
(2中南大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 寧夏 銀川 750001)
在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,各種傳感器可以通過無線和有線通信的方式與互聯(lián)網(wǎng)交換信息。傳統(tǒng)電源的劣勢(shì)是不利于對(duì)批量電源進(jìn)行組織和管理,一旦集中供電出現(xiàn)故障,整個(gè)供電系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)故障[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從底層設(shè)備方面解決了這些缺點(diǎn),基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息交換和信息交流變得更加容易。因此,智能建筑要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成,整體結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化,基于物聯(lián)網(wǎng)的新型集成系統(tǒng)架構(gòu)的出現(xiàn)是必然趨勢(shì)。
在電力系統(tǒng)中,電源監(jiān)控技術(shù)集成了電力電子、計(jì)算機(jī)、控制和通信技術(shù)。傳統(tǒng)逆變電源大多采用模擬控制技術(shù),電路復(fù)雜,輸出性能差,一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障,必須現(xiàn)場(chǎng)解決。因此,現(xiàn)場(chǎng)必須配備大量技術(shù)人員,但維修人員不足,維修方法落后。系統(tǒng)無法及時(shí)監(jiān)控,各種系統(tǒng)故障被處理,降低了整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。近年來,隨著大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號(hào)處理器技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)逆變電源和監(jiān)控技術(shù)的全數(shù)字化、智能化和系統(tǒng)可靠性提出了更高的要求。電力監(jiān)控的實(shí)質(zhì)是對(duì)每臺(tái)供電設(shè)備進(jìn)行集中實(shí)時(shí)監(jiān)控,改變了以往大量人工維護(hù)的方式,實(shí)現(xiàn)少維護(hù)或無人值守,并使用快速準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)全面反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。目前,國內(nèi)外有很多關(guān)于“智能電網(wǎng)”的研究和文獻(xiàn),但很少提及“智能電力”或“智能電力”的概念。只有少數(shù)文獻(xiàn)偶爾提及物聯(lián)網(wǎng)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(lián)的數(shù)字控制方法,采用離散建模和數(shù)?;旌戏抡娴姆椒?,分析了模塊化電力并聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)字控制,提出了一套完整的數(shù)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(tǒng)的設(shè)計(jì),驗(yàn)證了系統(tǒng)的良好性能。通過處理和分析少數(shù)供電系統(tǒng)的數(shù)據(jù),可以定性或定量地準(zhǔn)確評(píng)估系統(tǒng)的工作質(zhì)量,在采用科學(xué)的操作規(guī)程,充分利用大量技術(shù)數(shù)據(jù)的同時(shí),通過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合、信息聚合、決策診斷、在線控制、大數(shù)據(jù)分析等手段,形成從底層設(shè)備到上層應(yīng)用的統(tǒng)一服務(wù)管理體系。在建筑的整個(gè)生命周期內(nèi),實(shí)現(xiàn)節(jié)能、舒適、安全、健康等目標(biāo)的全面優(yōu)化管理。
近年來,電力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控全景自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、智能自動(dòng)操控監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)、遠(yuǎn)程信息調(diào)度管理控制模型等,已經(jīng)成功地廣泛應(yīng)用于廣東省電網(wǎng)公司省級(jí)工業(yè)電力設(shè)備,遠(yuǎn)程自動(dòng)操控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能自動(dòng)診斷系統(tǒng)。由于廣東站目前作為省級(jí)工業(yè)動(dòng)力機(jī)組電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心,系統(tǒng)共成功設(shè)計(jì)接入1個(gè)中國電力,全網(wǎng)186座省級(jí)電力變電站,在線遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)智能診斷監(jiān)控裝置、2 100余座省級(jí)電力變電站及各偏遠(yuǎn)地區(qū)省級(jí)電力局級(jí)電網(wǎng),遠(yuǎn)程調(diào)度相關(guān)管理信息自動(dòng)化系統(tǒng)信息管理模型,并成功實(shí)現(xiàn)通過“源端維護(hù)、自動(dòng)上傳、智能應(yīng)用”的遠(yuǎn)程監(jiān)控,免費(fèi)管理維護(hù)信息管理服務(wù)方式。基本實(shí)現(xiàn)所有遠(yuǎn)程信息調(diào)度管理控制模型,遠(yuǎn)程調(diào)度管理自動(dòng)化、智能化和管理維護(hù),能夠較高效率地保證所有遠(yuǎn)程信息控制模型管理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。
電力系統(tǒng)一次電氣設(shè)備主要模型包括:一次電氣設(shè)備和二次電氣設(shè)備。一次電氣設(shè)備設(shè)計(jì)模型包含水利電網(wǎng)一次電氣設(shè)備模型及其設(shè)計(jì)參數(shù)、拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)連接互聯(lián)關(guān)系等。而二次電氣設(shè)備設(shè)計(jì)模型主要是二次電氣設(shè)備模型信息化的建模,它不僅涉及一次電氣設(shè)備、二次電氣設(shè)備間的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)連接關(guān)系,更偏重于電網(wǎng)智能化及電子裝置中的設(shè)計(jì)。
電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架設(shè)以及建立,是為了能夠滿足我國現(xiàn)代大型電力設(shè)備在線生產(chǎn)的不斷發(fā)展應(yīng)用需要,其主要技術(shù)功能可以分為:在線電力設(shè)備生產(chǎn)管理經(jīng)營服務(wù)管理信息系統(tǒng)、基本信息綜合服務(wù)和大型在線電力資產(chǎn)經(jīng)營監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息管理系統(tǒng)。在線電力設(shè)備生產(chǎn)管理經(jīng)營服務(wù)管理信息系統(tǒng),基本信息綜合服務(wù)管理系統(tǒng):主要專門負(fù)責(zé)管理大型電力設(shè)備,在線生產(chǎn)經(jīng)營臺(tái)賬、運(yùn)行經(jīng)營管理操作記錄、檢修試驗(yàn)操作管理記錄、缺陷試驗(yàn)檢查操作記錄和電力事故發(fā)生預(yù)防,試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果檢查記錄等,基本信息數(shù)據(jù)相關(guān)信息。其中的數(shù)據(jù)模型系統(tǒng)特點(diǎn):主要功能是完全處于靜態(tài)和非常實(shí)時(shí)的可離線狀態(tài),是因?yàn)殡娏Y產(chǎn)經(jīng)營管理數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)、運(yùn)行經(jīng)營管理數(shù)據(jù)模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要遵循相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn);在線電力資產(chǎn)經(jīng)營監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng),主要專門負(fù)責(zé)管理一次大型電力設(shè)備,在線資產(chǎn)管理運(yùn)行經(jīng)營管理信息狀態(tài)的實(shí)時(shí)連續(xù)性和離線測(cè)量基本信息相關(guān)參數(shù)。數(shù)據(jù)模型系統(tǒng)特點(diǎn)主要功能是:準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)離線測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù),信息管理模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要遵循相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)。
IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容是:關(guān)于設(shè)計(jì)我國民用變電站通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),通信信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的一項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其主要設(shè)計(jì)內(nèi)容一般包括:系統(tǒng)通信服務(wù)設(shè)備設(shè)計(jì)應(yīng)用模型、變電站通信設(shè)備網(wǎng)絡(luò)配置系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用語言、抽象網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)通信公共網(wǎng)絡(luò)服務(wù)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)信息接口、公共網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫信息分類、邏輯系統(tǒng)通信服務(wù)節(jié)點(diǎn)、特殊通信服務(wù)系統(tǒng)通、信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)接口信息映射等多部分。通過對(duì)系統(tǒng)通信服務(wù)設(shè)備的一系列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)范化,形成了通信設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范化的信息輸出,實(shí)現(xiàn)不同通信服務(wù)系統(tǒng)間的信息無縫連接。
該在線模型由一個(gè)層次分明的在線模型主體結(jié)構(gòu)部分構(gòu)成,上下級(jí)監(jiān)測(cè)對(duì)象之間的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系十分明確。具體包括在線變壓器開放監(jiān)測(cè)、絕緣變化監(jiān)測(cè)、局部開放變化監(jiān)測(cè)、斷路器局放監(jiān)測(cè),避雷器內(nèi)的絕緣變化監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、絕緣柜內(nèi)氣體變化監(jiān)測(cè)、絕緣柜內(nèi)液體變化監(jiān)測(cè)、開關(guān)柜內(nèi)的溫度變化監(jiān)測(cè)等。其主要技術(shù)應(yīng)用規(guī)范:詳細(xì)規(guī)定了在線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)變電裝置需要傳輸?shù)母鱾€(gè)門類變電量程監(jiān)測(cè)、狀態(tài)、譜圖編碼文件等相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息及其編碼傳輸方式,并詳細(xì)明確了在線變電站、一次變電設(shè)備監(jiān)測(cè)功能位置、監(jiān)測(cè)二次設(shè)備、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能位置、譜圖文件類型等信息編碼傳輸原則。
采用面向服務(wù)的概念,接受對(duì)第三方系統(tǒng)或平臺(tái)的訪問和數(shù)據(jù)或應(yīng)用程序的訪問,同時(shí)考慮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。為響應(yīng)功能需求和適應(yīng)建筑物使用的特點(diǎn),新的智能建筑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由3層組成:
(1)傳感層:通過底層的各種傳感器、執(zhí)行器和智能設(shè)備識(shí)別建筑電氣設(shè)備的信息。
(2)網(wǎng)絡(luò)層:通過傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的混合結(jié)構(gòu)體系,采用統(tǒng)一的通信協(xié)議,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理和傳輸。網(wǎng)絡(luò)層的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能的“內(nèi)在智能”網(wǎng)關(guān)。每個(gè)區(qū)域感知層的傳感器通過物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)直接連接到互聯(lián)網(wǎng),并與云服務(wù)器互聯(lián)。
(3)應(yīng)用層:除了部署web應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫、web服務(wù)組件等,還有大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)匯集了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、多棟建筑智能子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、專家知識(shí)、分析預(yù)測(cè)所需的第三方平臺(tái)信息等,并提供了多種先進(jìn)的應(yīng)用工具,適用于建筑中的數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)。服務(wù)于高級(jí)應(yīng)用(如統(tǒng)計(jì)分析、專家診斷等)的算法和模型打包為服務(wù),并按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)提供服務(wù)接口,幫助用戶實(shí)現(xiàn)多維建筑節(jié)能[1]。與基于傳統(tǒng)智能建筑單一功能的垂直管道架構(gòu)相比,這種新架構(gòu)具有自組織、可擴(kuò)展、可重構(gòu)的特點(diǎn),除對(duì)空調(diào)控制系統(tǒng)、智能照明控制系統(tǒng)、給排水控制系統(tǒng)等公用電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控管理外,它還可以對(duì)辦公室和家庭等私人區(qū)域的電氣設(shè)備進(jìn)行管理和控制。與為傳統(tǒng)智能建筑的每個(gè)系統(tǒng)部署控制平臺(tái)相比,本地控制管理平臺(tái)節(jié)省了硬件資源和成本。同時(shí),物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)不占用太多的空間資源,不需要專門的空間布局,易于推廣。互聯(lián)節(jié)點(diǎn)、智能建筑子系統(tǒng)集成平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)建筑云遵循統(tǒng)一的通信協(xié)議,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明,數(shù)據(jù)以統(tǒng)一的方式流向云平臺(tái),并按照約定的存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行存儲(chǔ),從根本上解決了傳統(tǒng)智能建筑的信息孤島問題。
室內(nèi)電氣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將區(qū)域作為服務(wù)單元,實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)設(shè)備、人員和環(huán)境的管理和控制。它是一個(gè)集成遠(yuǎn)程測(cè)量和控制、物聯(lián)網(wǎng),用于環(huán)境識(shí)別和人員信息檢測(cè)、設(shè)備管理和優(yōu)化控制以及能源管理的系統(tǒng)。室內(nèi)電氣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用廣域網(wǎng)運(yùn)維模式,它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某一區(qū)域內(nèi)電氣設(shè)備的管理和控制,將所有電氣設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)與信息的交互,形成大量的大數(shù)據(jù),這將有助于未來建筑節(jié)能研究。支持向網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)添加設(shè)備和自動(dòng)服務(wù)發(fā)現(xiàn)。室內(nèi)電氣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
室內(nèi)電氣設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包括物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、各種智能測(cè)控模塊(智能開關(guān)、智能插座、各種環(huán)境模塊、紅外轉(zhuǎn)發(fā)模塊等)、云服務(wù)器、APP。
物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連接云服務(wù)器,通過以太網(wǎng)或無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信,并利用無線網(wǎng)絡(luò)管理下級(jí)智能測(cè)控模塊。
智能測(cè)控模塊實(shí)時(shí)采集信息,將設(shè)備狀態(tài)發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn),室內(nèi)電氣物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)部署數(shù)據(jù)庫、服務(wù)組件、webaccess應(yīng)用等,提供遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、場(chǎng)景設(shè)置、設(shè)備管理、用戶管理數(shù)據(jù)、應(yīng)用服務(wù),以及人機(jī)交互軟件支持,用戶可以通過APP或Web使用相關(guān)應(yīng)用功能,可以遠(yuǎn)程監(jiān)控受控區(qū)域內(nèi)設(shè)備、環(huán)境、人員的狀態(tài)信息,控制權(quán)限內(nèi)設(shè)備的狀態(tài),使用場(chǎng)景設(shè)置功能劃分服務(wù)區(qū)域,設(shè)置區(qū)域內(nèi)的背景、設(shè)備位置等,通過設(shè)備管理功能,可以查看受權(quán)限控制的設(shè)備的詳細(xì)信息,支持設(shè)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(quán)限信息等,通過數(shù)據(jù)分析,查看設(shè)備的歷史數(shù)據(jù),利用大數(shù)據(jù)分析功能,實(shí)現(xiàn)相關(guān)節(jié)能分析、故障診斷等功能[2]。
為了保證通信設(shè)備的正常運(yùn)行,機(jī)房?jī)?nèi)的灰塵、溫度和濕度條件非常重要。從這個(gè)意義上講,通信空調(diào)設(shè)備與電力設(shè)備同等重要,必須加強(qiáng)維護(hù)和管理。因此,在監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)中,通信空調(diào)設(shè)備也應(yīng)該是監(jiān)控對(duì)象之一。
通信站一般由庭院、機(jī)房等輔助基礎(chǔ)設(shè)施組成。機(jī)房還包括程控機(jī)房、傳輸機(jī)房、數(shù)據(jù)機(jī)房、測(cè)量室、電源室、電池室、低壓配電室。為了實(shí)現(xiàn)這些房間的無人值守或無人值守操作,需要可靠的操作設(shè)備和可靠的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控和管理。各種通信設(shè)備通常建立專業(yè)的集中監(jiān)控管理系統(tǒng),如交換網(wǎng)管系統(tǒng)、傳輸接入網(wǎng)設(shè)備等,電力設(shè)備和空調(diào)設(shè)備必須通過智能電力監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理[3]。
通信室的總配線架通常是維護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)。許多火災(zāi)是由傳輸功率引起的。頭部和尾部機(jī)柜用作整個(gè)重傳設(shè)備的電源。電源中斷將導(dǎo)致傳輸中斷??蓚魅镜某錃馄鞅Wo(hù)地下電纜。然而,如果有必要為每種類型的設(shè)備建立一個(gè)大規(guī)模的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),這無疑是不劃算的。將這些設(shè)備集成到智能電力監(jiān)控系統(tǒng)中,利用監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行多專業(yè)輔助監(jiān)控,是一個(gè)很好的解決方案[4]。
從應(yīng)用的角度來看,監(jiān)控系統(tǒng)的功能可以簡(jiǎn)單地分為監(jiān)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(shù)據(jù)管理功能、報(bào)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。
基于智能監(jiān)控的大功率直流電源裝置實(shí)驗(yàn)。在本次設(shè)計(jì)的大功率直流電源監(jiān)控系統(tǒng)中,下位機(jī)采集的電壓、電流等參數(shù)為上位機(jī)顯示的電源運(yùn)行狀態(tài)提供數(shù)據(jù),系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)接口可以實(shí)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)的顯示和更改,通過計(jì)算機(jī)界面操作,可以遠(yuǎn)程控制電源的運(yùn)行狀態(tài)。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn),基于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的直流電源裝置基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo),直流電源系統(tǒng)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(shè)備上增加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的無線通信,通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸當(dāng)前電源的工作參數(shù),并遠(yuǎn)程監(jiān)控正在運(yùn)行的電源口客制判粘貼板當(dāng)前的廣告可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸,使系統(tǒng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都能使用。它具有直觀性強(qiáng)、可操作性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)開放靈活、實(shí)時(shí)性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
隨著社會(huì)的發(fā)展和信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用,智能建筑的概念應(yīng)運(yùn)而生。建筑智能化利用建筑技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控,智能控制建筑內(nèi)的設(shè)備,為用戶提供信息服務(wù)。本文提出了一種適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的新型智能建筑體系結(jié)構(gòu)。介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能建筑系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),詳細(xì)介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的組成和硬件設(shè)備,設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)控接口。該界面能直觀顯示下位機(jī)采集的電壓、電流參數(shù)及功率變化情況,通過開發(fā)顯示界面,您可以監(jiān)控大功率直流電源的電源狀態(tài),并根據(jù)電壓和電流曲線監(jiān)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(shù)也可實(shí)時(shí)調(diào)整。電源監(jiān)控功能可防止電源的異常運(yùn)行,并有效保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)的采樣校準(zhǔn)方法可減少傳感器和傳感器等因素引起的測(cè)量誤差環(huán)境數(shù)據(jù)的保存,便于后續(xù)查看和處理,下一步我們將把更多類型的設(shè)備納入樓宇電氣設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)多個(gè)電氣設(shè)備的監(jiān)控、故障診斷和節(jié)能優(yōu)化控制。