勵磁系統遠程監控的云端化實現

邱 建

（東方電氣自動控制工程有限公司，四川 德陽618000）

0 引言

勵磁系統是發電機組的關鍵控制設備之一，對于維持系統電壓穩定、調節電網無功，保證機組安全，提高機組及系統穩定具有重要作用。勵磁系統故障影響到發電機組及電網的安全穩定運行，勵磁系統的投入率也關系著電廠的經濟效益。因此，如何進行故障預防，故障發生后如何快速分析并解決故障，是勵磁系統生產廠家一直思考并著力改進的問題之一。傳統的勵磁系統，現場運維人員需要現地巡檢，多有不便。另外當勵磁系統出現故障時，生產廠家的技術專家只能通過現場運維人員收集歷史數據，分析問題。由于信息的不充足、不及時，分析問題、解決問題的效率低下，甚至會出現分析錯誤的風險。

無論是德國工業4.0，美國工業互聯網，還是中國制造2025，其內涵都是信息技術與傳統產業的跨界融合。一個制造業向定制化、智能化以及制造業服務化方向轉型的時代已經來臨。本文利用物聯網關和共有云平臺設計了一套勵磁系統遠程監控系統，實現了數據遠傳、存儲、可視化展示，使系統具備實時監測、事件記錄、事故追憶等功能。利用本系統可以使技術專家能夠隨時監測系統的運行狀態，掌握系統的運行情況，同時可以不親臨現場，在異地進行故障診斷，為電廠人員提供技術指導，為勵磁系統的故障恢復節省時間和成本[1]。

1 系統架構

圖1給出了勵磁系統遠程監控的實現方法，采用“分布式數據采集+云存儲+智能遠程終端”的系統架構。

圖1 遠程監控系統架構

通過分布式IO采集整流柜、滅磁保護柜的狀態數據，雙通道控制器采集調節柜及發電機機端信號、外部操作指令等外部數據。物聯網關通過交換機獲取雙通道控制器、分布式IO的所有數據，并將數據上傳到云端。遠程終端訪問云端獲取數據，實現數據可視化，達到遠程監控的目的。

該系統中，物聯網關數據上云、遠程終端從云端獲取數據均可通過寬帶、WIFI或4G網絡實現，可滿足不同現場需求。

該系統所使用的云，可以是阿里、百度、華為等公有云，也可以是自己構建的私有云，亦或是共有云+私有云的混合云，本文以百度云為例進行說明。

2 百度云申請

百度云是百度公司提供的公有云平臺，于2015年正式開放運營。百度云包括天算、天像、天工3大智能平臺，分別提供智能大數據、智能多媒體、智能物聯網服務。

2.1 百度云物接入（IoT Hub）

百度云物接入（IoT Hub）是全托管的云服務，可以在智能設備與云端之間建立安全的雙向連接，并通過主流的物聯網協議（如MQTT）通信，快速實現物聯網項目。

IoT Hub服務主要具備如下功能：

（1）從設備到云端以及從云端到設備安全穩定的進行大規模消息傳輸。

（2）進行設備認證與權限管理，并保證數據安全傳輸。

（3）支持多種語言開發，兼容主流硬件設備。

（4）與大數據服務無縫對接，以數據分析驅動業務進步。

百度云物接入服務支持MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）協議，基于發布 /訂閱（Publish/Subscribe）模式更符合機器之間（Machine-to-Machine，M2M）的大規模溝通[2]。通過支持輕量級可擴展的MQTT，百度云物接入服務非常適合需要低功耗和網絡帶寬有限的IoT Hub場景。

2.2 百度云IoT Hub服務申請及配置

百度云物接入（IoT Hub）服務申請及配置步驟如下：

（1）進入 https：//login.bce.baidu.com/注冊并登陸百度云賬號。

（2）進入物接入（IoT Hub）服務界面，根據項目需要選擇計費套餐，系統測試時可選擇每月一百萬條的免費套餐（圖2）。

圖2 物接入（IoT Hub）資費選擇

（3）創建MQTT項目。連接IoT Hub服務需要創建一個項目（endpoint），一個endpoint表示一個完整的IoT Hub服務。一個完整的項目創建及配置過程為：進入IoT Hub→創建項目→創建用戶→設置身份→設置策略→配置確認。

配置完成后會自動生成秘鑰（圖3），項目名、用戶名及秘鑰是數據接入和獲取的重要標識。

圖3 百度云用戶實例

3 物聯網關

遠程監控系統采用的物聯網關是一款基于RISC架構的智能無線工業網關。具備開放且穩健的平臺設計，支持以太網有線通信及WIFI/3G/GPRS/4G無線通信方式，兼容多種工業標準通信協議，適合在工業、能源物聯網相關分布式監測進行應用。該物聯網關具有以下特點：

（1）透 過 Mini-PCIe接 口 支 持 GPRS，3G，4G，Wi-Fi接入（板載SIM卡插槽）；

（2）多協議 支 持：Modbus/RTU，Modbus/TCP，IEC-60870/104，DL_645等；

（3）Cortex A8 800MHz （TI AM3352）；

（4）256MB DDR3L RAM；

（5）2×Micro-SD 插槽（內置 1GB SD image卡）；

（6）1×USB 2.0；

（7）2×10/100MB 以太網接口；

（8）4×RS-232/485獨立串口；

（9）RT Linux V3.12；

（10）支持壁掛式及DIN導軌式安裝，方便靈活。

通過物聯網關，可以很方便地將數據發布到云端。

4 上云數據配置

為了準確反映勵磁系統及物聯網關真實的運行狀態，為故障預警、故障診斷提供真實有效的數據，為后期的大數據分析提供海量數據，遠程監控系統采集了大量的數據。包括模擬量、開關量、系統狀態、報警和故障信息、參數設置、程序中間變量和附加信息。

（1）模擬量：包括電網、發電機及勵磁系統相關的模擬量，如系統電壓、發電機機端電壓、發電機機端電流、有功功率、無功功率、機組頻率、機端電壓給定值、勵磁電流給定值、無功功率給定值、功率因數給定值、陽極電壓、可控硅元件電流、功率柜出風口風溫、勵磁電壓、勵磁電流等。

（2）開關量：包括所有調節器外部輸入控制量，如開機令、勵磁投入、勵磁切除、增磁、減磁、磁場斷路器分閘、磁場斷路器合閘、PSS投入、PSS切除、并網、95%轉速信號等。

（3）系統狀態：包括勵磁系統及主要部件、器件的狀態信息，如恒機端電壓/恒勵磁電流/恒無功功率/恒功率因數調節模式、A/B通道為主、PSS投入/退出狀態、磁場斷路器合閘/分閘狀態、遠方/現地操作模式等。

（4）報警和故障信息：包括系統所有的報警及故障信息，如PT斷線、CT斷線、同步電壓丟失、調節器AD故障、啟勵失敗、逆變失敗、磁場過流限制/保護、磁場頂值限制、最小勵磁電流限制、低勵限制/保護、伏赫限制/保護、脈沖丟失、快熔熔斷、可控硅支臂斷流、磁場斷路器誤分、轉子過電壓保護動作等。

（5）參數設置：包括系統所有參數設定。如機組額定參數、調差系數、PID參數、PSS2B參數、PSS4B參數、旋轉勵磁機參數、電氣制動參數、各限制器參數、各保護參數等。

（6）程序中間變量：包括一些能反映系統狀態或能幫助技術人員進行故障分析的程序中間變量和程序計算值，如發電機功角、角速度、內電勢、控制電壓、PSS2B輸出、PSS4B輸出、各限制單元輸出值、PID單元各環節輸出值等。

（7）附加信息：包括控制器CPU負荷率、當前系統時間、勵磁系統安裝位置緯度、安裝位置經度、安裝位置海拔、物聯網關CPU負荷率、內存使用率、移動信號強度、WLAN信號強度、電池電量等。

表1 遠程監控系統采集的數據統計

5 遠程終端進行監控的方式

遠程監控系統采用B/S架構，通過WebAcess軟件采用在云端獲取數據并制作設備位置、實時數據、歷史趨勢、事件列表、參數設定、統計報表、故障錄波等不同的監控畫面（圖4）進行Web發布，所有遠程終端通過瀏覽器Web頁面進行監控。B/S架構相對于傳統的C/S架構具有以下優點：

圖4 部分監控畫面

（1）分布性：可以隨時隨地進行查詢和瀏覽等業務。

（2）功能業務擴展方便：增加服務器的功能，就能增加瀏覽器端的功能。

（3）維護簡單方便：改變服務器端數據即可以實現所有用戶同步更新。

（4）開發簡單，共享性強，成本低，數據可以持久存儲在服務器端而不必擔心數據的丟失。

6 結語

在新一輪電力改革政策以及能源互聯網、智慧能源等技術政策引導下，在節能減排政策的要求和各發電集團集約化、高效管理的需求驅動下，集中智能管控、智慧決策將成為現實，智能發電成為新的發展方向。在此大背景下，勵磁設備廠家均致力于提高勵磁系統數字化、智能化水平，通過物聯網、云計算、大數據等新的技術手段使系統具有智能監視、智能診斷、故障預警、智能錄波、輔助決策、數據挖掘等功能，提升系統的智能化水平，為智能發電服務，為企業轉型升級服務。

本文介紹了勵磁系統智能化課題中的遠程監控系統的云端化實現方式，包括系統架構、百度云物接入申請及配置、物聯網關配置、上云數據配置。利用該系統，電廠運維人員可通過手機、PC、平板等終端隨時隨地掌握系統運行狀態；廠家技術人員也能更準確地獲知設備真實運行狀態，并能在故障發生時及時、準確地提供技術指導。