基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站監(jiān)控架構(gòu)方案

蔣亞坤，王彬筌，黎強(qiáng)，韓校

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，昆明 650051；2.長(zhǎng)園深瑞繼保自動(dòng)化有限公司，廣東 深圳 518057）

0 前言

變電站是電力生產(chǎn)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，其主要作用是變換電壓、交換功率和匯集、分配電能。變電站監(jiān)控系統(tǒng)是電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，具有運(yùn)行高效、實(shí)時(shí)、可靠特性，可對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測(cè)、管理、協(xié)調(diào)和控制。同時(shí)，又必須與電網(wǎng)其他監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效的信息交換、共享。

目前在智能化變電站中存在多個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)各自為政，各子系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)和信息通過(guò)不同的傳輸網(wǎng)絡(luò)上送到不同的主站系統(tǒng)，如：四遙等運(yùn)行數(shù)據(jù)和信息上送到各級(jí)調(diào)度中心的監(jiān)控系統(tǒng)、二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和信息上送到二次設(shè)備狀態(tài)主站、保護(hù)和錄波信息上送到保護(hù)信息主站、PMU數(shù)據(jù)上送到WAMS主站、視頻信息上送到指揮中心等等，這樣形成了一個(gè)個(gè)信息孤島，各子系統(tǒng)之間的信息相互隔離，無(wú)法做到共享和互用。同時(shí)由于各子系統(tǒng)將數(shù)據(jù)和信息上送到各自主站時(shí)采用各自獨(dú)立的采集通道，按省網(wǎng)其所屬的幾百個(gè)變電站來(lái)講，網(wǎng)絡(luò)通道的維護(hù)工作量相當(dāng)巨大。

另一方面，變電站監(jiān)控系統(tǒng)采集和上送的數(shù)據(jù)和信息也不全面，無(wú)法達(dá)到“全景”信息的要求，目前這些信息在多數(shù)變電站還未上送到主站系統(tǒng)：一二次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)類(lèi)信息；二次設(shè)備管理類(lèi)信息；變電站網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)實(shí)時(shí)信息；過(guò)程層設(shè)備采集數(shù)據(jù)和信息；變電站環(huán)境信息和視頻監(jiān)視信息。

對(duì)于傳統(tǒng)調(diào)度系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其主要數(shù)據(jù)為四遙數(shù)據(jù)和報(bào)警類(lèi)信息。如果調(diào)度系統(tǒng)需要其他數(shù)據(jù)，則需要連接到其他信息系統(tǒng)，并向其他系統(tǒng)請(qǐng)求數(shù)據(jù)；因此調(diào)度系統(tǒng)需要增加與其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的多樣化接口處理，而且數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性往往不能得到保證，更何況很多信息系統(tǒng)目前處在建設(shè)或計(jì)劃建設(shè)中。如果調(diào)度系統(tǒng)無(wú)法獲取完整的變電站數(shù)據(jù)，不但不能對(duì)變電站進(jìn)行全景監(jiān)視，而且其很多高級(jí)應(yīng)用功能因數(shù)據(jù)缺失而無(wú)法發(fā)揮甚至完全喪失應(yīng)用功能的作用。

“物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；第二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在變電站的應(yīng)用，其基本思路為：首先在調(diào)度中心建立基于云計(jì)算技術(shù)的調(diào)度云平臺(tái)，調(diào)度云平臺(tái)是一個(gè)數(shù)據(jù)共享中心、數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理中心和應(yīng)用服務(wù)共享中心；其次在變電站內(nèi)，依托基于物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)，建立一個(gè)變電站全景信息網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)。在物聯(lián)網(wǎng)中，傳輸網(wǎng)絡(luò)IP化，對(duì)于眾多變電站來(lái)說(shuō)，如何對(duì)設(shè)備IP進(jìn)行規(guī)劃是另一個(gè)研究重點(diǎn)。

本文在研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)之上，探索一種變電站監(jiān)控系統(tǒng)的物理架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)之上解決監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 變電站物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成

基于物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)所建立變電站全景信息網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)，稱(chēng)為變電站物聯(lián)網(wǎng)。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層次

物聯(lián)網(wǎng)是以感知與應(yīng)用為目的的物物互聯(lián)系統(tǒng)，涉及傳感器、RFID、安全、網(wǎng)絡(luò)、通信、信息處理、服務(wù)技術(shù)、標(biāo)識(shí)、定位、同步等眾多技術(shù)領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值在于讓物體也擁有了“智慧”，從而實(shí)現(xiàn)人與物、物與物之間的溝通，物聯(lián)網(wǎng)的特征在于感知、互聯(lián)和智能的疊加。作為一種形式多樣的聚合性復(fù)雜系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)一般可分為以下三層，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層次

1)感知層：主要功能是信息感知與采集，主要包括二維碼標(biāo)簽和識(shí)讀器、RFID標(biāo)簽和讀寫(xiě)器、攝像頭、各種傳感器等。

2)網(wǎng)絡(luò)層：解決傳輸和預(yù)處理感知層所獲得數(shù)據(jù)的問(wèn)題。

3)應(yīng)用層：通過(guò)分析處理的感知數(shù)據(jù)，提供監(jiān)控類(lèi)、查詢類(lèi)、控制類(lèi)和掃描類(lèi)等各種應(yīng)用服務(wù)。

在物聯(lián)網(wǎng)各層之間，信息傳輸不是單向傳遞，信息是相互交互、并且是可控制的。物聯(lián)網(wǎng)所傳遞的信息可以是多種多樣，既有結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)和信息，也有半結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)類(lèi)的數(shù)據(jù)和信息。在物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)感知層傳感器可以通過(guò)其IP進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)。

1.2 變電站物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

變電站物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 變電站物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

變電站物聯(lián)網(wǎng)中，感知層和網(wǎng)絡(luò)層部署在變電站內(nèi)，應(yīng)用層部署在基于云計(jì)算技術(shù)的調(diào)度云平臺(tái)中。調(diào)度云平臺(tái)為數(shù)據(jù)共享中心，數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理中心和統(tǒng)一應(yīng)用服務(wù)共享中心。

1)感知層：變電站感知層設(shè)備包括一次設(shè)備、二次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備、REID電子標(biāo)簽、智能環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備、IP化攝像設(shè)備及其他（如變電站機(jī)器人、GPS定位定時(shí)設(shè)備等）。從這些設(shè)備中，將獲得變電站結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和信息、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和信息、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和信息，

2)網(wǎng)絡(luò)層：又稱(chēng)為信息匯聚層，由無(wú)線設(shè)備、藍(lán)牙、移動(dòng)通訊、變電站專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)等組成。在網(wǎng)絡(luò)層配置了網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置和管理、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全、同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行負(fù)載均衡等優(yōu)化工作。網(wǎng)絡(luò)層采用雙網(wǎng)配置。

3)應(yīng)用層：中間件負(fù)責(zé)對(duì)變電站物聯(lián)網(wǎng)信息處理包括信息識(shí)別、去噪音處理等，同時(shí)將信息寫(xiě)入到調(diào)度云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中。應(yīng)用服務(wù)器部署在調(diào)度云平臺(tái)，由多臺(tái)服務(wù)器組成，完成對(duì)變電站數(shù)據(jù)和信息處理、展示、控制、計(jì)算、高級(jí)應(yīng)用和管理等服務(wù)。

2 變電站物聯(lián)網(wǎng)地址規(guī)劃

2.1 IP地址規(guī)劃方法

對(duì)變電站物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行IP地址規(guī)劃，可采用以下方法：

2.1.1 基于三級(jí)的IP地址規(guī)劃

劃分子網(wǎng)是將一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)劃分成幾個(gè)較小的子網(wǎng)絡(luò)，將傳統(tǒng)“網(wǎng)絡(luò)號(hào)—主機(jī)號(hào)”兩級(jí)結(jié)構(gòu)變成“網(wǎng)絡(luò)號(hào)—子網(wǎng)號(hào)—主機(jī)號(hào)”的三級(jí)結(jié)構(gòu)，從而有利于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，改善網(wǎng)絡(luò)管理。

2.1.2 基于NAT技術(shù)IP地址規(guī)劃

網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）設(shè)計(jì)的基本思路為變電站分配一個(gè)或少量的全局IP地址，用于傳輸Internet的流量，在變電站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上分配一個(gè)不能夠在Internet上使用的專(zhuān)用IP地址。

當(dāng)內(nèi)網(wǎng)主機(jī)訪問(wèn)Internet的請(qǐng)求分組到達(dá)執(zhí)行NAT功能的路由器時(shí)，該分組的源IP地址、源端口號(hào)發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，點(diǎn)該分組的目的IP地址、目的端口號(hào)均保持轉(zhuǎn)換，但源IP地址、源端口號(hào)均保持不變。

NAT可以分為“一對(duì)一”、“多對(duì)多”等類(lèi)型。實(shí)現(xiàn)地址“一對(duì)一”轉(zhuǎn)換的方法屬于靜態(tài)NAT，即配置一個(gè)內(nèi)部專(zhuān)用IP地址對(duì)應(yīng)一個(gè)公用的IP地址。如果每個(gè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的N個(gè)用戶可以共享M個(gè)全局IP地址，那么就屬于動(dòng)態(tài)NAT。

2.1.3 基于IPv6技術(shù)IP地址規(guī)劃

IPv6的128位地址采用冒號(hào)十六進(jìn)制表示，即按每16位劃分為1個(gè)位段，每個(gè)位段被轉(zhuǎn)換位1個(gè)4位的十六進(jìn)制數(shù)，并用冒號(hào)“：”隔開(kāi)。

一個(gè)IPv6地址中可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)二進(jìn)制數(shù)0，因此規(guī)定了“前導(dǎo)零壓縮法”，通過(guò)壓縮某個(gè)位段中的前導(dǎo)0來(lái)簡(jiǎn)化IPv6地址的表示。但是在使用零壓縮法時(shí)，不能把一個(gè)位段內(nèi)部的有效零也壓縮掉。需要注意的是，每個(gè)位段至少應(yīng)該有1個(gè)數(shù)字，“0000”可以簡(jiǎn)寫(xiě)為“0”。

如果幾個(gè)連續(xù)位段的值均為0，那么這些0就可以簡(jiǎn)寫(xiě)“：：”，即IPv6的地址可以使用“雙冒號(hào)表示法”進(jìn)一步簡(jiǎn)化地址表達(dá)。但雙冒號(hào)“：：”在一個(gè)IPv6地址中只能出現(xiàn)一次。

IPv6不支持子網(wǎng)掩碼，它只支持前綴長(zhǎng)度表示法—“地址/前綴長(zhǎng)度”。前綴是IPv6地址的一部分，用作IPv6路由或子網(wǎng)標(biāo)識(shí)。

IPv6支持地址自動(dòng)配置。鏈路上的主機(jī)會(huì)自己自動(dòng)地配置適合于所在鏈路的IPv6地址（稱(chēng)為鏈路本地地址），或者是適合于IPv4和IPv6共存的IP地址。

2.2 IP地址規(guī)劃管理軟件

IP地址規(guī)劃管理軟件部署在調(diào)度云平臺(tái)中，對(duì)外提供設(shè)備IP地址查詢等服務(wù)業(yè)務(wù)，對(duì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備IP地址規(guī)劃和配置。

IP地址規(guī)劃流程如圖3所示。

圖3 IP地址規(guī)劃工作流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而構(gòu)建的變電站全景信息傳輸平臺(tái)主要具有以下特點(diǎn)：

1)向主站傳輸數(shù)據(jù)和信息通道減少。傳統(tǒng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)的各子系統(tǒng)向各自主站傳輸數(shù)據(jù)需要5-7個(gè)專(zhuān)用通道，在變電站物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下，變電站信息統(tǒng)一送到調(diào)度云平臺(tái)，各主站需要數(shù)據(jù)時(shí)向調(diào)度云平臺(tái)索取。變電站物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)化了變電站數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，大大減少傳輸網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的工作量，減少變電站物理設(shè)備的投資。

2)全景信息采集。通過(guò)變電站物聯(lián)網(wǎng)不僅將原變電站監(jiān)控系統(tǒng)各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息匯聚在一起，同時(shí)還可采集了變電站一二次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)類(lèi)信息、一二次設(shè)備管理類(lèi)信息、變電站網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)實(shí)時(shí)信息、過(guò)程層設(shè)備采集數(shù)據(jù)和信息、變電站環(huán)境信息和視頻監(jiān)視信息等，形成了真正意義上的全景信息采集。變電站物聯(lián)網(wǎng)可容納結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

3)通過(guò)變電站物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)器對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度、安全管理，使變電站數(shù)據(jù)和信息傳輸更高效和更安全。

4)物聯(lián)網(wǎng)最終目的是使變電站物聯(lián)網(wǎng)為變電站監(jiān)測(cè)設(shè)備、控制設(shè)備、傳感器、信息傳輸?shù)葘?shí)現(xiàn)智能化提供了可用平臺(tái)。