校園是肩負(fù)著教育、科研和社會(huì)服務(wù)重任的基地，也是能源消耗的大戶，其能耗占國民建筑總能耗的比重也日益增大，建設(shè)節(jié)約型校園已經(jīng)成為各高校持續(xù)推進(jìn)的工作。電力作為校園運(yùn)行的主要能源，越來越受到學(xué)校建設(shè)和后勤管理部門的重視，部分校區(qū)會(huì)出現(xiàn)設(shè)備老化、供電故障、監(jiān)控系統(tǒng)落后等問題。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動(dòng)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的出現(xiàn)，將這些先進(jìn)技術(shù)與能源及電力傳統(tǒng)業(yè)務(wù)領(lǐng)域相結(jié)合，可以大幅提升能源監(jiān)管的效率，實(shí)現(xiàn)新的節(jié)能增長點(diǎn)。在此背景下，對(duì)校園進(jìn)行增容或設(shè)備更換改造，并對(duì)能源監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 校園供電現(xiàn)狀及存在的問題

上海交通大學(xué)共有5個(gè)校區(qū)，其中閔行校區(qū)為主校區(qū)，閔行校區(qū)又分為西區(qū)、中區(qū)和東區(qū)，西區(qū)自1986年開始使用，建設(shè)年代較遠(yuǎn)。由于科研快速發(fā)展，各院系建筑樓宇功能調(diào)整，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備增加，其對(duì)應(yīng)開關(guān)站的供電相對(duì)緊張，而且部分硬件設(shè)備及電力監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過十多年的運(yùn)行，逐步出現(xiàn)故障報(bào)警及功能失效等問題。為防范電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，急需對(duì)電力監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)、功能等進(jìn)行一次升級(jí)。

1.1 硬件設(shè)備

在供電硬件設(shè)備方面，站內(nèi)供電設(shè)備使用年限較久，主要元器件嚴(yán)重老化，更換維修配件已淘汰，造成供電系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)故障，需要升級(jí)改造。

在保護(hù)裝置方面，原保護(hù)裝置老化、故障較多，在通信規(guī)約及數(shù)據(jù)采集上已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的系統(tǒng)監(jiān)控要求，急需更換新的保護(hù)裝置對(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行支撐。

在通信設(shè)施方面，原配電網(wǎng)運(yùn)行的通信光強(qiáng)故障率較高，不易維護(hù)，已嚴(yán)重影響配電網(wǎng)絡(luò)的有效監(jiān)控和運(yùn)行，需在原光纜通信上進(jìn)行升級(jí)和改造。

1.2 電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

原電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集（supervisory control and data acquisition, SCADA）系統(tǒng)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于現(xiàn)在的電網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)要求，具體表現(xiàn)在原有的C/S架構(gòu)已經(jīng)不能適用于現(xiàn)在云架構(gòu)系統(tǒng)的需求，嚴(yán)重制約了校園配網(wǎng)智能化的發(fā)展需求和供電可靠性的發(fā)展。

2 校園變電站內(nèi)設(shè)備改造方案

2.1 微機(jī)保護(hù)裝置改造

校區(qū)變電站內(nèi)原供電保護(hù)裝置為Sepam S20，已經(jīng)運(yùn)行15年，已經(jīng)出現(xiàn)監(jiān)控顯示故障、保護(hù)信號(hào)誤動(dòng)作、傳輸數(shù)據(jù)滯后、監(jiān)控功能不全、報(bào)表統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)等問題。本次改造綜合保護(hù)裝置選用ABB的REF615K，具有保護(hù)、控制、測(cè)量、信號(hào)功能，滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性要求。

裝置支持IEC 61850、IEC 60870-5-103和Modbus?多種通信協(xié)議，串口Modbus和網(wǎng)絡(luò)Modbus、IEC 61850和Modbus都可同時(shí)并列運(yùn)行。裝置內(nèi)置的自檢功能持續(xù)監(jiān)視裝置硬件和軟件的運(yùn)行狀況，時(shí)標(biāo)精度≤1ms。具有掉電保持功能、可靠的硬件閉鎖功能，保證任何情況下都不誤動(dòng)。具有故障錄波功能，可記錄12個(gè)模擬量和64個(gè)開關(guān)量信號(hào)通道、100條故障錄波，最長可達(dá)25s。

2.2 高低壓配電柜裝置改造

校區(qū)變電站內(nèi)的部分高低壓配電柜為20世紀(jì)90年代建設(shè)的，高壓為GG1A型高壓隔離刀柜，無斷路器保護(hù)及綜合保護(hù)裝置監(jiān)測(cè)，低壓為GGD動(dòng)力柜，無倉位分割和綜合表計(jì)數(shù)據(jù)采集傳輸，在供電操作和安全保護(hù)上，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的變電站運(yùn)行要求。

本次改造選用KYN-37型中置式高壓斷路器柜，配置P3U30綜合保護(hù)裝置和PM5350綜合多功能表計(jì)，低壓配電柜選用msn抽屜柜，把每個(gè)出線回路單獨(dú)隔離，做到操作簡便，使用安全，加裝PM810綜合多功能表計(jì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集配電線路各項(xiàng)電力參數(shù)，通過串口服務(wù)器傳輸?shù)诫娏ΡO(jiān)控系統(tǒng)上。在系統(tǒng)中加裝有源濾波柜，消除線路的無功功率、奇次諧波，穩(wěn)定電網(wǎng)運(yùn)行。

2.3 變壓器改造

校區(qū)變電站內(nèi)原有油浸式變壓器在電網(wǎng)運(yùn)行中損耗大、故障率高、維護(hù)成本大，本次改造選用SCB13型節(jié)能變壓器，實(shí)現(xiàn)低損耗、高性能的變壓供電效果。

3 校園電力監(jiān)控平臺(tái)升級(jí)與應(yīng)用

3.1 硬件架構(gòu)

校區(qū)內(nèi)原有電力監(jiān)控系統(tǒng)是分布式、多層轉(zhuǎn)發(fā)、多層匯聚的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在每個(gè)站內(nèi)，都有工控機(jī)來采集數(shù)據(jù)，然后通過層層轉(zhuǎn)發(fā)，層層匯聚，最后集中在監(jiān)控中心展示，并與校區(qū)多個(gè)其他系統(tǒng)有數(shù)據(jù)接口，如能量管理系統(tǒng)（energy management system, EMS）、抄表系統(tǒng)等。原有系統(tǒng)存在卡頓、告警繁多、重要告警信息被淹沒、報(bào)表曲線生成緩慢、數(shù)據(jù)顯示紊亂等多種問題。

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是由國際電工委員會(huì)第57技術(shù)委員會(huì)于2004年頒布的、應(yīng)用于變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)吸收了IEC 60870系列標(biāo)準(zhǔn)和UCA的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)保護(hù)和控制等自動(dòng)化產(chǎn)品和變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生深刻的影響。它不僅可以應(yīng)用在變電站內(nèi)，而且也能運(yùn)用于變電站與調(diào)度中心之間以及各級(jí)調(diào)度中心之間。

為了解決上述問題，并且將微機(jī)保護(hù)裝置采用IEC 61850通信規(guī)約接入，直接與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，需要在利用校園原有通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，升級(jí)原電力監(jiān)控系統(tǒng)。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，在開關(guān)站內(nèi)部署1臺(tái)電力監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器、1臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器和1臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和系統(tǒng)訪問。利用監(jiān)控中心原有值班操作站，實(shí)現(xiàn)對(duì)新系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和日常值班應(yīng)用等。在開關(guān)站內(nèi)部署防火墻，配置安全防護(hù)策略，通過網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（network address trans- lation, NAT）端口映射，實(shí)現(xiàn)新系統(tǒng)校園網(wǎng)訪問。

3.2 軟件架構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)為3層架構(gòu)，即數(shù)據(jù)采集層、平臺(tái)層、應(yīng)用層。其軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖1 電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集層采用IEC 61850通信規(guī)約，主要負(fù)責(zé)規(guī)約適配及數(shù)據(jù)分發(fā)，將采集或分發(fā)的數(shù)據(jù)及時(shí)送到電力監(jiān)控系統(tǒng)中；平臺(tái)層采用IEC 61850體系設(shè)計(jì)，將接收的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)按IEC 61850模型進(jìn)行組織存庫和展現(xiàn)，保障系統(tǒng)架構(gòu)的先進(jìn)性和數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和開放性。

實(shí)現(xiàn)權(quán)限安全管理、硬件資源及網(wǎng)絡(luò)資源的監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)電站初始化及建模、對(duì)外提供應(yīng)用程序接口（application programmable interface, API）等功能；應(yīng)用層分為移動(dòng)端和Web調(diào)度監(jiān)管，Web調(diào)度監(jiān)管是調(diào)度人員日常電站監(jiān)測(cè)、調(diào)度作業(yè)、智能運(yùn)維、用能分析等。

采用與原系統(tǒng)做數(shù)據(jù)接口的方式，在匯聚層或者采集層配置數(shù)據(jù)雙發(fā)通道，在確保原接口不變的情況下，增加新的轉(zhuǎn)發(fā)接口來接入現(xiàn)有的站點(diǎn)數(shù)據(jù)。在開關(guān)站內(nèi)配置節(jié)點(diǎn)管理機(jī)，原電力監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過分發(fā)機(jī)制，經(jīng)原系統(tǒng)光纖網(wǎng)絡(luò)，分發(fā)到新系統(tǒng)實(shí)時(shí)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，并在監(jiān)控中心實(shí)時(shí)展現(xiàn)；綜保裝置接入到節(jié)點(diǎn)機(jī)上，節(jié)點(diǎn)機(jī)實(shí)現(xiàn)雙發(fā)機(jī)制，通過原系統(tǒng)光纖網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到新舊電力監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的更新過渡。

3.3 智慧能源云

智慧能源云服務(wù)平臺(tái)，把物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動(dòng)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)與能源及電力傳統(tǒng)業(yè)務(wù)領(lǐng)域相結(jié)合，為用戶打造創(chuàng)新的智慧能源管理整體解決方案，包括Web端和APP端。平臺(tái)功能圍繞著變電站的安全、效率和經(jīng)濟(jì)3個(gè)維度構(gòu)建。它涵蓋了變電站監(jiān)控、智能運(yùn)維、能效管理等多方面的運(yùn)維管理功能，滿足了用戶對(duì)于用電安全、節(jié)能與可持續(xù)發(fā)展的需求。其架構(gòu)如圖3所示。

針對(duì)高校用電的特殊性，同時(shí)為了保證核心數(shù)據(jù)安全，專門定制了校園版私有云的平臺(tái)模式，取代傳統(tǒng)意義的C/S系統(tǒng)，具有更大的靈活性以及可塑性。主要云端服務(wù)器都使用教育網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)，僅Web及APP支持服務(wù)器連接外網(wǎng)用于支持用戶訪問，大大增加了安全性及有效性。

設(shè)計(jì)建模是平臺(tái)的核心基礎(chǔ)工作，對(duì)校區(qū)內(nèi)的電站進(jìn)行必要的建模，包括校區(qū)/電站、回路/設(shè)備、通信/測(cè)點(diǎn)、圖形等多方面，使在平臺(tái)中的各類模型對(duì)應(yīng)各電站實(shí)際的各種工況，才能保證云平臺(tái)的各項(xiàng)智能化管理和分析工作有效運(yùn)行。

圖3 智慧能源云系統(tǒng)架構(gòu)圖

本次只針對(duì)校園電網(wǎng)的管理進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)，系統(tǒng)主要功能如圖4所示，系統(tǒng)主界面如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)功能組成圖

圖5 校園智慧能源云系統(tǒng)界面

1）調(diào)度中心：包括全景電網(wǎng)、多維監(jiān)控、調(diào)度計(jì)劃等功能。平臺(tái)對(duì)所管轄的全部電站進(jìn)行同步的監(jiān)控，提供了氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear, GIS）信息圖、電站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、電站實(shí)時(shí)畫面等，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控、集約化管理、平臺(tái)總調(diào)度的功能。

2）電網(wǎng)監(jiān)控：平臺(tái)對(duì)電站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全方位的監(jiān)控，結(jié)合電力運(yùn)行的相關(guān)技術(shù)，智能化的組態(tài)運(yùn)算，生動(dòng)展示潮流情況，同步實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)先定義參數(shù)同步著色畫面圖元，動(dòng)態(tài)模擬展示線路、設(shè)備的運(yùn)行工況等，提供電站概況、主接線圖、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史告警、故障錄波、操作日志、告警統(tǒng)計(jì)、運(yùn)行診斷等功能事項(xiàng)構(gòu)成實(shí)時(shí)監(jiān)控體系。

3）臺(tái)賬管理：包括用戶臺(tái)賬、電站臺(tái)賬、電源臺(tái)賬和設(shè)備臺(tái)賬。用戶臺(tái)賬提供管理其服務(wù)用戶的功能，電站臺(tái)賬提供管理所服務(wù)電站的信息，包括基本信息、運(yùn)維信息、擴(kuò)展信息、應(yīng)用信息等。電源臺(tái)賬功能提供管理各變電站進(jìn)線電源的功能。設(shè)備臺(tái)賬功能提供管理變電站所有電力設(shè)備的功能，實(shí)現(xiàn)有效的信息化管理和資產(chǎn)設(shè)備的全生命周期管理，協(xié)助電網(wǎng)監(jiān)控中的電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定。

4）平臺(tái)監(jiān)控：包括云節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)、平臺(tái)事件、霧節(jié)點(diǎn)管理和資源池工況。云節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)為用戶提供查看系統(tǒng)云節(jié)點(diǎn)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。平臺(tái)事件為用戶提供查詢?cè)谥付〞r(shí)間段內(nèi)的各類平臺(tái)事件的功能。霧節(jié)點(diǎn)管理采集層各終端設(shè)備的運(yùn)行情況。資源池工況為用戶提供查詢包括物理節(jié)點(diǎn)、邏輯節(jié)點(diǎn)上各類云設(shè)備的工況情況。

5）智能運(yùn)維：提供了缺陷管理、工單管理、排班管理、簽到管理、故障搶修、電試管理、巡檢管理、短信預(yù)警配置、運(yùn)行統(tǒng)計(jì)等功能，是為了保證電站安全穩(wěn)定運(yùn)行、可靠供電、各類電力生產(chǎn)工作有序進(jìn)行而采用的一種有效的管理手段。對(duì)異常事件的過程處理，并對(duì)出現(xiàn)的頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、提供異常事件報(bào)表，是智能運(yùn)維的特色。

6）精細(xì)化用能：基于變電站在監(jiān)控、運(yùn)營、維護(hù)、管理過程中收集的各類數(shù)據(jù)，經(jīng)過平臺(tái)的智能化整理，提供給用戶在用電質(zhì)量方面更加精細(xì)的數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行有效的管控，達(dá)到以可持續(xù)發(fā)展為目的的管理方式。具體包括用電對(duì)比、用電排行、分時(shí)用量統(tǒng)計(jì)、分時(shí)用量對(duì)比、時(shí)段方案等功能。

7）開放API：可以與其他系統(tǒng)之間建立互聯(lián)互通，通過協(xié)議層交互數(shù)據(jù)，也可以嚴(yán)格的身份認(rèn)證機(jī)制和API獲取數(shù)據(jù)，同時(shí)也滿足日后更多系統(tǒng)的升級(jí)和集成，如視頻監(jiān)控系統(tǒng)、路燈系統(tǒng)等。

圖6 移動(dòng)端運(yùn)維版系統(tǒng)主界面

8）移動(dòng)APP：電站衛(wèi)士，包括運(yùn)維版和用戶版兩個(gè)版本。運(yùn)維版用于運(yùn)維人員日常作業(yè)，用戶版用于最終業(yè)主查看電站運(yùn)行情況?？梢栽谝苿?dòng)終端實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各個(gè)開關(guān)站的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、日常運(yùn)維、設(shè)備臺(tái)賬以及數(shù)據(jù)分析等功能。

4 結(jié)論

本文闡述的校園供配電系統(tǒng)的升級(jí)方案中，電力監(jiān)控系統(tǒng)的采集層采用IEC 61850通信規(guī)約，相比Modbus規(guī)約更安全，兼容性更高，大大提高了數(shù)據(jù)采集及通信的質(zhì)量。平臺(tái)層也采用IEC 61850體系設(shè)計(jì)，保障系統(tǒng)架構(gòu)的先進(jìn)性和數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和開放性。

智慧能源私有云的平臺(tái)模式，取代傳統(tǒng)的C/S系統(tǒng)，涵蓋了變電站監(jiān)控、智能運(yùn)維、能效管理等多方面的功能，大大增加了平臺(tái)的靈活性及可塑性。云端服務(wù)器使用教育網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)，僅Web及APP支持服務(wù)器連接外網(wǎng)給用戶訪問，大大增加了安全性。

其中，APP功能使用更為便捷，具有包括SCADA、運(yùn)維、臺(tái)賬管理、搶修、巡檢簽到等功能，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化管理，大大提高了校園電網(wǎng)的智慧化管理水平，為節(jié)約型校園建設(shè)提供了有力的支撐。

本文編自2020年第9期《電氣技術(shù)》，標(biāo)題為“基于智慧能源云的校園配電系統(tǒng)升級(jí)建設(shè)”，作者為沈海軍、許少倫。