物聯(lián)網(wǎng)架構智能變電站數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設計

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摘要：智能變電站是目前變電站發(fā)展的主要方向。為了實現(xiàn)變電站的智能化運維和管理，采用物聯(lián)網(wǎng)的架構通過在變電站內安裝多種傳感器和智能電表，采集變電站內的所有電力設備、環(huán)境、安防等數(shù)據(jù)，并上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺，通過智能變電站數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行整合及處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、報警及動態(tài)預測等自動化運維管理功能，最終達到無人值守的目的。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能變電站；電力數(shù)據(jù)；管理系統(tǒng)；自動化運維；系統(tǒng)設計

引言

在傳統(tǒng)的變電站中，工作人員需要對變電站中的中低壓電力參數(shù)以及工作環(huán)境狀況（主要包括溫濕度、水浸、煙及偷盜等）進行實時的巡查，以保證變電站的正常運行。這種依靠人力進行巡查的方式，人力成本比較高，而且有時并不能及時發(fā)現(xiàn)問題。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)能夠通過傳感器進行傳統(tǒng)非聯(lián)網(wǎng)產品與網(wǎng)絡連接，進行數(shù)字化、自動化控制和監(jiān)控[1]。通過先進的物聯(lián)網(wǎng)技術可將變電站進行網(wǎng)絡化、智能化改造，對變電站內相關設備運行及環(huán)境狀況進行遠程監(jiān)控和集中管理，實現(xiàn)全電參量采集、監(jiān)測，同時通過智能變電站數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實現(xiàn)設備運行監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、各類環(huán)境信號報警、故障報警及電能質量管理等功能。從而大大節(jié)省人力成本，也能夠及時發(fā)現(xiàn)變電站出現(xiàn)的問題。變電站運行越來越趨于自動化，變電站無人值守已經(jīng)成為可能[2]。物聯(lián)網(wǎng)在智能變電站中的應用，旨在提高電力系統(tǒng)生成環(huán)節(jié)的信息化水平，以適應新時期規(guī)?；娋W(wǎng)運轉的實際需求[3]。

1系統(tǒng)架構設計

系統(tǒng)應用于變電站，對站內安裝的各種智能電表等進行數(shù)據(jù)采集，并提供數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，進行可視化展示，為運維管理提供智能決策。系統(tǒng)的整體架構如圖1所示，其由4個部分組成：電力設備層、數(shù)據(jù)采集層/平臺層、業(yè)務處理層、應用展示層。系統(tǒng)的最大特點在于采用分層、分布式形式實現(xiàn)系統(tǒng)的解耦及大數(shù)據(jù)處理，同時采用云服務形式為各使用者（租戶）創(chuàng)建相互獨立的應用，為電力設備生產企業(yè)、用電企業(yè)提供電力設備管理及運維的快捷方式。電力設備層主要包含變電站內的各種智能電表、綜保設備、溫濕度傳感器、水浸傳感器、煙霧傳感器、防鼠欄、照明系統(tǒng)、門磁傳感器、視頻監(jiān)控、周界報警及網(wǎng)關等設備。這些設備負責監(jiān)測變電站內的電力數(shù)據(jù)、現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)和安防信息，通過RS485總線組成工業(yè)網(wǎng)絡，按照Modbus協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)匯總到網(wǎng)關設備，由網(wǎng)關設備將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)采集層/平臺層。通過充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術，全面采集各項參數(shù)，便能夠建設成一個具備儲存、分析、展示的工作流程[4]。數(shù)據(jù)采集層/平臺層主要是指物聯(lián)網(wǎng)平臺。物聯(lián)網(wǎng)平臺可以實現(xiàn)底層終端設備的管、控、營一體化，為上層提供應用開發(fā)和統(tǒng)一接口，構建終端設備和業(yè)務的端到端通道。物聯(lián)網(wǎng)平臺在整個體系架構中起著承上啟下的關鍵作用，提供設備的接入、管理，數(shù)據(jù)采集、規(guī)則制定、數(shù)據(jù)存儲/轉發(fā)及安全管理功能，并通過TCP/MQTT/HTTP等形式提供南向、北向接口，方便設備的接入以及業(yè)務層獲取設備的實時數(shù)據(jù)。業(yè)務處理層一般放在公有云上，也可以自建私有云，提供租戶、用戶、消息、接口、安全管理功能，同時為保證接口數(shù)據(jù)的規(guī)范性，提供數(shù)據(jù)的自動序列化/反序列化功能。業(yè)務處理層對電力設備生產企業(yè)、用電企業(yè)常用的實時數(shù)據(jù)、日數(shù)據(jù)、月數(shù)據(jù)、年數(shù)據(jù)，最大、最小、平均等電力數(shù)據(jù)都提供了相應的業(yè)務接口，通過HTTP/Restful方式向外提供服務，方便應用開發(fā)及數(shù)據(jù)可視化。應用展示層提供PC或移動端的數(shù)據(jù)展示，包括用戶登錄、認證管理、權限管理、電力的實時、日、月、年及最大、最小、平均數(shù)據(jù)等功能，應用開發(fā)僅需聚焦于數(shù)據(jù)展示制作。

2存儲架構設計

系統(tǒng)以云服務形式向外提供應用，考慮到并發(fā)性及數(shù)據(jù)的增長性，在數(shù)據(jù)的存儲架構上，采用三層存儲架構：Redis緩存、MySQL結構化存儲、ElasticSearch分布式存儲。其中，Redis緩存用于存儲用戶的登錄、會話信息，保證多應用的統(tǒng)一性、不間斷性，提高系統(tǒng)用戶體驗化及交互性；MySQL結構化存儲用于存儲租戶、用戶、設備基本信息，考慮到配電站數(shù)據(jù)的持續(xù)增長性，單個變電站若30s采集一次數(shù)據(jù)，單日即產生2880條數(shù)據(jù)，1年即有1051200條數(shù)據(jù)，隨著用戶的增長，數(shù)據(jù)超過百萬條后，MySQL的存儲性能不能滿足日常的數(shù)據(jù)存取要求，所以設備數(shù)據(jù)及系統(tǒng)日志采用ElasticSearch進行分布式存儲；ElasticSearch采用文檔形式存儲數(shù)據(jù)，便于配電站監(jiān)測數(shù)據(jù)的變更，系統(tǒng)的擴展性也更高，同時ElasticSearch支持集群，方便后期的服務擴容。三層存儲架構如圖2所示。

3系統(tǒng)主要使用技術

系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)平臺+Springboot+MyBatis+ElasticSearch+MySQL整合框架為核心設計理念，電力設備層數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)平臺由ElasticSearch獲取并進行存儲。系統(tǒng)以基礎微服務架構為思想，將數(shù)據(jù)獲取單獨部署。數(shù)據(jù)處理及前端渲染部署在另外一個服務器上，實現(xiàn)互相獨立。

3.1Springboot+MyBatis+MySQL

本系統(tǒng)使用Springboot+MyBatis+MySQL搭建Web網(wǎng)站。SpringBoot主要用來簡化Spring開發(fā)框架的開發(fā)、配置、調試、部署工作，同時在項目內集成了大量易于使用且實用的基礎框架[5]。Springboot省去了自己導入JAR包和配置XML的時間，利用MyBatis持久層框架，將Java代碼和SQL代碼完全分離，而且支持復雜對象的映射（輸入映射、輸出映射），其強大特性之一便是它的動態(tài)SQL。通過MyBatis拼接SQL語句來操作MySQL，可以減少很多繁瑣的操作。

3.2物聯(lián)網(wǎng)平臺

物聯(lián)網(wǎng)平臺采用OneNet平臺，該平臺是中國移動推出的用于物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的專用平臺。OneNet云的應用強大，提供設備接入、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)列表的導出等功能[6]，可以解決協(xié)議適配、海量連接、數(shù)據(jù)存儲、設備管理、規(guī)則引擎、事件告警等物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)的共性問題，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)成本。其開放第三方API接口，推進個性化應用系統(tǒng)構建，只要終端設備能聯(lián)網(wǎng)，就能對數(shù)據(jù)組包，通過HTTP，EDP，MQTT等任意一種方式接入平臺。OneNET平臺提供了通過MQTT協(xié)議調試API的頁面，操作簡單明了。MQTT協(xié)議是一個面向物聯(lián)網(wǎng)應用的即時通信協(xié)議，使用TCP/IP提供網(wǎng)絡連接，能夠對負載內容實現(xiàn)消息屏蔽傳輸。MQTT協(xié)議適用于設備和平臺需要保持長連接的使用場景，其特點在于可以實現(xiàn)設備間的消息單播以及組播，可以不依賴于其他服務（下發(fā)命令服務、推送服務等）實現(xiàn)讓設備以應用服務器的方式對真實設備進行管理和控制。

3.3ElasticSearch

ElasticSearch是一個建立在ApacheLucene基礎上的開源、實時、分布式的搜索分析引擎[7]。ElasticSearch能夠為海量數(shù)據(jù)提供分布式存儲、搜索和快速分析的服務。因其強大的搜索與分析能力，已被成功用于很多海量數(shù)據(jù)的處理中[8]。ElasticSearch具有以下功能。（1）提供分布式的搜索引擎和數(shù)據(jù)分析引擎，可以快速準確地找到目標信息（分布式：ElasticSearch會自動將海量數(shù)據(jù)分散到多臺服務器上去存儲和檢索海量數(shù)據(jù)的處理）。（2）提供全文檢索、結構化檢索和數(shù)據(jù)分析。（3）對海量數(shù)據(jù)進行近實時的處理（近實時：在對數(shù)據(jù)進行搜索和分析時，花費的時間為秒級別）。ElasticSearch的優(yōu)點是提供了數(shù)據(jù)庫所不能提供的很多功能，例如全文檢索、同義詞處理、相關度排名、復雜數(shù)據(jù)分析、海量數(shù)據(jù)的近實時處理，而在此可以利用采集到的數(shù)據(jù)進行復雜的數(shù)據(jù)分析，查看數(shù)據(jù)變化趨勢和數(shù)據(jù)對比等。根據(jù)錯誤數(shù)據(jù)檢索其相關設備源，實時監(jiān)控設備，提供警報。

4系統(tǒng)功能模塊設計

本智能變電站數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)一期項目分為6大模塊，包括電力監(jiān)測、運行環(huán)境、安防監(jiān)測、電能分析、電能報表、預警日志等，如圖3所示。電力監(jiān)測：包括6個模塊，主要都是涉及變電站的電力數(shù)據(jù)。根據(jù)所查詢設備使用周期、電力指標、開始和結束時間等條件將電力、電表數(shù)據(jù)、電力極值以及電力運行情況分析顯示出來，并將數(shù)據(jù)根據(jù)需求導出。運行環(huán)境：監(jiān)控設備所處環(huán)境的溫、濕度信息等，以及所有設備的在線狀況。安防監(jiān)測：設備周界數(shù)據(jù)監(jiān)測，如煙感、門磁、水浸等數(shù)據(jù)信息。電能分析：查詢所對應配電站的名稱，顯示當前配電站的電壓等級、變壓器臺數(shù)、負荷率等基本信息，以及實時監(jiān)控設備的有功功率、無功功率運行狀態(tài)和設備所處環(huán)境的溫、濕度信息等。將相應配電站的數(shù)據(jù)進行可視化顯示，并及時更新。電能報表：主要涉及變電站內相關電力數(shù)據(jù)的報表，按日生成，巡查人員交接班使用。預警日志：檢測記錄用戶登錄狀態(tài)和有無異常操作信息。

5結語

我國電力系統(tǒng)目前正經(jīng)歷著數(shù)字化向智能化方向逐步轉變和發(fā)展的過程，在智能電網(wǎng)中物聯(lián)網(wǎng)技術的應用研究不斷深入[9]。將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于電力通信系統(tǒng)，不僅可以節(jié)省人力資源，而且還能及時地獲取中心及偏遠變電所設備的運行狀態(tài)[10]?；谖锫?lián)網(wǎng)架構的智能變電站數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)變電站電力數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、安防數(shù)據(jù)的在線管理，并提供相關數(shù)據(jù)可視化分析及故障報警等功能，實現(xiàn)基本的變電站無人值守和自動化運維?；谖锫?lián)網(wǎng)架構的智能變電站是智能變電站的基本雛形，隨著大數(shù)據(jù)技術、人工智能技術的發(fā)展，這些技術也可以應用到智能變電站中，特別是數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)挖掘技術，通過對采集的數(shù)據(jù)進行預處理，在此基礎上展開數(shù)據(jù)質量分析及數(shù)據(jù)挖掘，建立符合智能變電站數(shù)據(jù)的模型，從而進行節(jié)能、故障預測等深入的研究。注：本文通訊作者為王得燕。

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作者：高陽 李天豪 王寧 王得燕 單位：無錫職業(yè)技術學院