国能黄骅港务有限责任公司 李建楼

目前黄骅港供电电网现有2座110kV变电站、23座6kV变配电所、24台箱式变电站及生活区10kV供配电网络，随着黄骅港生产规模和供电系统复杂性的不断提升，不仅变电所数量日益增多，其分布区域也持续扩大，同时电力系统也需要向无人值守、综合自动化和网络化管理的方向发展。

直流系统（图1）在黄骅港变电站中起着非常重要的作用，担负着供给控制、信号、保护和自动装置等二次负荷的电源及作为主要设备安全电源的任务，是装卸电力系统极其重要的动力提供和控制监护单元。直流屏系统的电力供应在无故障状态下通过整流后得到[1]，为变电站内的断路器提供合闸直流电源：当发生故障时所用电中断的情况下，直流系统的电源将全部由蓄电池组来提供，为继电保护及自动装置、断路器执行关合动作、载波通信等提供直流电源。

图1 直流系统组成

黄骅港现有变电站直流屏大部分为2004年设备，运行时间已达15年之久。部分核心器件出现不同程度的老化问题、缺乏智能控制技术，可靠性差，存在停机风险。通过对近年来黄骅港直流屏系统研究与分析，存在电池工作在长期浮充备用状态、没有对电池的过充和过放保护、无软起动特性和自起动性能不稳等缺点。在实际生产过程中，为确保配电设备性能良好，保证安全运行，需电气维护人员每天到变电所检查并及时处理供配电设备隐患，以满足设备在良好条件下运行，因此要浪费电气维护人员的很多时间及精力。随着公司业务不断发展，对供电稳定性和故障维护效率的需求也在增长，对提高港口自动化水平，设备安全运行及设备有效利用率、延长直流供电设备的使用寿命、提高电气维护人员工作效率等提出了新的要求。

本文研究了一种直流屏管理系统，不仅能准确获知各变电站直流屏实时运行参数，同时在直流屏在发现故障或故障征兆时，能准确预警故障类型、精确定位故障部位，从而能使维护人员快速排除故障，再辅以数据的统计分析和故障记录，旨在提高设备安全运行及设备有效利用率，延长直流供电设备的使用寿命，帮助现场电气维护人员提升工作效率[2]。

1 直流供电管理系统设计与开发

1.1 直流供电管理系统技术架构设计

黄骅港直流供电管理系统是在现有实际供电分布和通讯环境中完成的，要求应用服务器运行数据负荷不能过大且数据的储存管理要透明化，优先采用了C/S即服务器-客户机架构。服务器负责数据的管理，客户机负责完成与用户的交互任务。C/S结构能充分发挥客户端PC的处理能力，客户端响应速度快，因很多工作可在客户端处理后再提交给服务器，基本满足黄骅港直流屏管理系统需要。本系统根据现场设备布局，由本地设备层、中间网络层和远程控制层三部分组成[3]。

1.2 物联网架构探析

根据国际电信联盟的定义，物联网是指通过二维码读取设备、射频识别装置（RFID）、红外线感应器、定位系统和激光扫描器等信息化传感设备，按照既定协议，把任何物品与互联网连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

结合国能黄骅港供电系统现场环境将传感网络划分为采集层、通讯层、功能层三级管理，其中功能层包含数据处理支撑平台和为客户应用端，并以此为基础依次阐述现场所用物联网的系统架构。

采集层承担物联网的触角，完成现场设备运行状态、故障状态、通讯状态等物理信息的数据采集，相当于神经系统的神经元。该层级是物联网的核心层，由现场各类含有通讯网关的传感器或数据采集单元组成，有些已将数据采集、预处理、信息收发、故障诊断等功能集成为一体，智能化程度逐步提升。黄骅港常见的基本感器件如图尔克RFID射频读卡器、SICK激光扫描雷达、海康威视热成像摄像头、中海达GPS、无线电机振动状态采集器、二维码标签识别设备等。该级应用到的关键技术GPRS、WiFi技术、NB-IoT（窄带物联网）无线技术、射频通讯、工业以太网、现场总线技术、PLC级下位通讯技术如控制网通讯等，对应的产品包括无线振动/温度等各类传感器、RFID标签、无线网关/路由器、PLC云网关等。

通讯层是信息交互、传递的数据通路，主要功能是将采集到的大量信息整合到一个大的智能网络里，以供功能层进行处理和使用。该层由物联接入和网络传输两阶段实现，其中物联接入可通过传感器网络、WiFi、4G/5G技术、卫星通讯等方式实现，网络传输的首先通过智能网关完成接入，再通过各种网络技术将采集层终端感知网络与各种应用层的平台联系起来，为实现“万物互联”的需要，实际应用中通讯层可结合IPv6、5G、WiFi等通信技术，实现有线与无线、宽带与窄带、感知网与通信网的全面融合[4]。

系统将功能层细分为数据业务层和客户应用层，数据业务层利用人工智能算法、机器学习、云计算等技术对通讯层的大量数据进行分析、挖掘和算法处理，最终形成包含业务支撑平台、网络管理平台、数据处理平台、安全管理平台为一体的物联网管理平台。最后通过互联网终端、HMI（人机交互界面）、手机App端实现终端设备与前台用户的信息交互。

实际开发应用中，物联网各层之间在技术划分上是相互独立的，但在使用上是相互联系的，数据在各层之间也是相互传递的。为实现系统的整体性，提升应用端的服务效果，资源需在各层间合理调配。近年来物联网技术已在智能工业、智能交通、智慧城市、智慧环保、公共管理、智能家庭、智慧医疗等领域中取得了应用，其架构基本类似。

1.3 系统整体架构初步设计

为真正实现了平台化设计，功能化、模块化管理，系统采用B/S结构，分别为采集层、传输层、业务层和应用层（图2）。

图2 系统整体架构

1.4 直流供电管理系统基本架构搭建

直流供电管理系统基本架构的搭建分为3部分，逐层搭建。

现场设备层。对应物联网的采集层，现在设备层的主要功能是连接现场设备，并通过传感装置对各类信号的智能采集和预处理，形成符合通讯层网络协议要求的信息。设备层由直流电源和智能无线通信装置组成，智能无线通信装置将采集处理后的信息通过Modbus-RTU和Modbus-TCP协议并进行认证加密及自描述后层发送给传输层服务器，同时也可接收传输层服务器发来的各种控制类指令。

通讯网络层。对应物联网的传输层，兼容多种通信模式，采用GPRS等物联网通信技术，实现现场终端与直流供电管理系统间的数据传输。

远程监控层。对应物联网的应用层，监控层业务由前置通信服务器、业务数据服务器、在线采集管理服务器等硬件设备和平台应用软件组成，负责系统平台中所有数据的运算查询和存储显示等操作。支持移动终端与监控中心Web服务器进行交互，监测实时数据与检索历史数据。

2 无线通信装置设计与开发

基于GPRS设计了一种智能无线通信装置（DTU），可实现数据的透明转发（图3）。智能无线通信装置是用于直流供电管理系统连接下位设备所用的4G全网通网关，可利用4G网络连接至直流供电管理系统，可通过串口或网口实现Modbus数据自动采集和传输，配置参数方式多样、灵活，运行安全稳定，具备隔离保护设计，适合于恶劣的工业现场。

图3 无线通信装置组成

其工作原理是，智能无线通讯装置首先通过RS485串口连接到变电所直流电源屏，然后在不改变原数据内容的前提下将从直流电源屏接收到的数据转换成TCP/IP协议的数据包，最后通过GPRS网络发送给远程监控中心。同时将从远程控制中心接收的控制信号发送给直流电源屏，实现数据的互通。该智能无线通信装置可和各种使用串口通信的旧设备进行连接，而不需要对其作改动便能实现对直流电源屏数据同一通道的统一传输，有效缩减了升级工作量。

2.1 智能无线通信装置（DTU）硬件设计

无线通信装置硬件组成部分主要包括CPU控制模块、无线通讯模块以及电源模块等，采用高性能工业级32位通信处理器和无线模块。通信端口采用RS485通信口，支持标准工业Modbus-RTU、Modbus-TCP通讯协议，可设为主站模式，与现场直流电源屏连接；电源接口的工作电源应能满足宽电源范围9～30V，电源接口内置反相保护和过压过流保护。

2.2 智能无线通信装置（DTU）软件设计

应用程序是基于实时多任务操作系统软件平台开发。主机采用嵌入式操作系统，进一步设计看门狗设计，保证系统稳定。软件支持全网通4G/3G/2G通讯，优先使用网线直连（WAN）上网。采用完备的防掉线机制，保证数据终端永远在线,上电即可进入数据传输状态。内嵌私有加密通讯协议栈，实现设备与云平台的安全无缝对接。

2.3 智能无线通信装置使用功能

数据处理及传送功能。具备主从功能，DTU即可作为主站通过RS232/RS485接口向现场直流电源屏读取信息，又可作为从站通过RS485接口被现场后台监控中心读取信息。

四遥功能。直流供电管理系统通过DTU实现遥信、遥测、遥控、遥调的四遥功能。遥信项目包括：交流电源故障（过压、欠压、缺相、失压）；直流母线过压、直流母线欠压、直流母线绝缘不良；模块故障；蓄电池组开关脱扣（或熔断器熔断）；历史故障记录等。遥控项目包括：系统开机、关机；各充电模块开机、关机；均充/浮充电压设置、状态转换；蓄电池充电电流设置输入；输出报警设置等。遥调项目包括：均充电压；浮充电压；控母电压。

Modbus配置功能。可设置DTU对直流电源屏的采集间隔和采集数据段。设置完成后DTU会定时采集直流电源屏的modbus数据并上发到直流供电管理系统，直流供电管理系统根据配置的数据规则进行解析和展示；远程升级功能。支持互联网云平台利用通讯通道对DTU的软件、参数及通讯规约进行远程自动升级，方便设备管理，远程升级保证DTU内的数据安全。

3 直流供电管理系统功能开发

根据对现场用户习惯进行的调研情况，重点突出使用的简洁和友好（图4），通过界面操作可以实现系统的数据采集、实时监控、统计分析、运维管理和系统管理。

图4 系统功能图

数据采集功能。通过现场总线、有线网络和无线网络等多种通信方式的融合，可远程采集到分布在各变电所里相关设备的运行数据；实时监控功能。系统能对直流电源屏运行状态进行实时监测，在直流系统发生故障时，可实时显示故障信息并触发对应的报警功能，从而实现直流屏内设备运行状态的在线监测；统计分析功能。以简易报表的形式汇总并展现直流屏历史运行数据，进一步实现对系统历史数据和故障记录的统计分析；系统管理。包括用户信息管理、设备信息管理、角色信息管理。用户信息管理包括查询用户、添加用户、用户资料修改、用户冻结解冻、删除用户、用户等级管理等功能，设备信息管理包括查询设备、添加设备、设备资料修改、删除设备等功能，角色信息管理具备添加角色资料、角色注册功能、删除角色、角色权限管理等功能。

4 主要技术指标分析

系统的可用性。直流供电管理系统的设计应充分考虑在各个工程环境中的不同因素，能够保证在现场安装后立即适用并稳定可靠运行，系统月可用率大于99.99%；系统的可靠性。直流供电管理系统具有很高的可靠性，其平均无故障间隔时间MTBF大于50000小时，系统总体大于30000小时；系统的容错能力。软、硬件设备应具有良好的容错能力，当各软、硬件功能与数据采集处理系统的通讯出错，以及当运行人员或工程师在操作中发生一般性错误时，均不会引起系统的任何功能丧失或影响系统的正常运行。对意外情况引起的故障系统具备恢复能力；系统的抗电磁干扰能力。系统应具有足够的抗电磁干扰能力，符合IEC、GB标准确保在配电站中稳定运行；测量值指标。交流采样测量值精度：电压、电流≤0.5%，有功、无功功率≤1.0%，直流采样测量值精度≤0.5%。

目前骅港直流屏监控系统已投入正式使用，解决了直流系统不能远程智能控制的落后状态，改变了之前需要由人员到变电所现场查看和消除故障的低效运行模式，实现了系统的远程访问、无人值守，极大地提高了设备管理效率和自动化程度。