校園是肩負著教育、科研和社會服務重任的基地，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，建設節(jié)約型校園已經(jīng)成為各高校持續(xù)推進的工作。電力作為校園運行的主要能源，越來越受到學校建設和后勤管理部門的重視，部分校區(qū)會出現(xiàn)設備老化、供電故障、監(jiān)控系統(tǒng)落后等問題。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動技術(shù)等先進技術(shù)的出現(xiàn)，將這些先進技術(shù)與能源及電力傳統(tǒng)業(yè)務領(lǐng)域相結(jié)合，可以大幅提升能源監(jiān)管的效率，實現(xiàn)新的節(jié)能增長點。在此背景下，對校園進行增容或設備更換改造，并對能源監(jiān)控系統(tǒng)進行升級具有重要的現(xiàn)實意義。

1 校園供電現(xiàn)狀及存在的問題

上海交通大學共有5個校區(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，建設年代較遠。由于科研快速發(fā)展，各院系建筑樓宇功能調(diào)整，實驗室設備增加，其對應開關(guān)站的供電相對緊張，而且部分硬件設備及電力監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過十多年的運行，逐步出現(xiàn)故障報警及功能失效等問題。為防范電力系統(tǒng)運行風險，急需對電力監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡、功能等進行一次升級。

1.1 硬件設備

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

在保護裝置方面，原保護裝置老化、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，急需更換新的保護裝置對新系統(tǒng)進行支撐。

在通信設施方面，原配電網(wǎng)運行的通信光強故障率較高，不易維護，已嚴重影響配電網(wǎng)絡的有效監(jiān)控和運行，需在原光纜通信上進行升級和改造。

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)已遠遠落后于現(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)設備改造方案

2.1 微機保護裝置改造

校區(qū)變電站內(nèi)原供電保護裝置為Sepam S20，已經(jīng)運行15年，已經(jīng)出現(xiàn)監(jiān)控顯示故障、保護信號誤動作、傳輸數(shù)據(jù)滯后、監(jiān)控功能不全、報表統(tǒng)計不準等問題。本次改造綜合保護裝置選用ABB的REF615K，具有保護、控制、測量、信號功能，滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性要求。

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Modbus、IEC 61850和Modbus都可同時并列運行。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行狀況，時標精度≤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。具有故障錄波功能，可記錄12個模擬量和64個開關(guān)量信號通道、100條故障錄波，最長可達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90年代建設的，高壓為GG1A型高壓隔離刀柜，無斷路器保護及綜合保護裝置監(jiān)測，低壓為GGD動力柜，無倉位分割和綜合表計數(shù)據(jù)采集傳輸，在供電操作和安全保護上，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的變電站運行要求。

本次改造選用KYN-37型中置式高壓斷路器柜，配置P3U30綜合保護裝置和PM5350綜合多功能表計，低壓配電柜選用msn抽屜柜，把每個出線回路單獨隔離，做到操作簡便，使用安全，加裝PM810綜合多功能表計，實現(xiàn)實時采集配電線路各項電力參數(shù)，通過串口服務器傳輸?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)運行中損耗大、故障率高、維護成本大，本次改造選用SCB13型節(jié)能變壓器，實現(xiàn)低損耗、高性能的變壓供電效果。

3 校園電力監(jiān)控平臺升級與應用

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)絡拓撲結(jié)構(gòu)。在每個站內(nèi)，都有工控機來采集數(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、報表曲線生成緩慢、數(shù)據(jù)顯示紊亂等多種問題。

IEC 61850標準是由國際電工委員會第57技術(shù)委員會于2004年頒布的、應用于變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)的國際標準。IEC 61850標準吸收了IEC 60870系列標準和UCA的經(jīng)驗，對保護和控制等自動化產(chǎn)品和變電站自動化系統(tǒng)的設計產(chǎn)生深刻的影響。它不僅可以應用在變電站內(nèi)，而且也能運用于變電站與調(diào)度中心之間以及各級調(diào)度中心之間。

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

為了保證系統(tǒng)安全運行，在開關(guān)站內(nèi)部署1臺電力監(jiān)控系統(tǒng)服務器、1臺數(shù)據(jù)服務器和1臺應用服務器，實現(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，實現(xiàn)對新系統(tǒng)的實時監(jiān)控和日常值班應用等。在開關(guān)站內(nèi)部署防火墻，配置安全防護策略，通過網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換（network address trans- lation, NAT）端口映射，實現(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、平臺層、應用層。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，主要負責規(guī)約適配及數(shù)據(jù)分發(fā)，將采集或分發(fā)的數(shù)據(jù)及時送到電力監(jiān)控系統(tǒng)中；平臺層采用IEC 61850體系設計，將接收的實時數(shù)據(jù)按IEC 61850模型進行組織存庫和展現(xiàn)，保障系統(tǒng)架構(gòu)的先進性和數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和開放性。

實現(xiàn)權(quán)限安全管理、硬件資源及網(wǎng)絡資源的監(jiān)測、系統(tǒng)電站初始化及建模、對外提供應用程序接口（application programmable interface, API）等功能；應用層分為移動端和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、調(diào)度作業(yè)、智能運維、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)有的站點數(shù)據(jù)。在開關(guān)站內(nèi)配置節(jié)點管理機，原電力監(jiān)控實時數(shù)據(jù)通過分發(fā)機制，經(jīng)原系統(tǒng)光纖網(wǎng)絡，分發(fā)到新系統(tǒng)實時服務，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和存儲，并在監(jiān)控中心實時展現(xiàn)；綜保裝置接入到節(jié)點機上，節(jié)點機實現(xiàn)雙發(fā)機制，通過原系統(tǒng)光纖網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)發(fā)送到新舊電力監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的更新過渡。

3.3 智慧能源云

智慧能源云服務平臺，把物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動技術(shù)等先進技術(shù)與能源及電力傳統(tǒng)業(yè)務領(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。平臺功能圍繞著變電站的安全、效率和經(jīng)濟3個維度構(gòu)建。它涵蓋了變電站監(jiān)控、智能運維、能效管理等多方面的運維管理功能，滿足了用戶對于用電安全、節(jié)能與可持續(xù)發(fā)展的需求。其架構(gòu)如圖3所示。

針對高校用電的特殊性，同時為了保證核心數(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。主要云端服務器都使用教育網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)，僅Web及APP支持服務器連接外網(wǎng)用于支持用戶訪問，大大增加了安全性及有效性。

設計建模是平臺的核心基礎(chǔ)工作，對校區(qū)內(nèi)的電站進行必要的建模，包括校區(qū)/電站、回路/設備、通信/測點、圖形等多方面，使在平臺中的各類模型對應各電站實際的各種工況，才能保證云平臺的各項智能化管理和分析工作有效運行。

圖3 智慧能源云系統(tǒng)架構(gòu)圖

本次只針對校園電網(wǎng)的管理進行系統(tǒng)升級，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)度計劃等功能。平臺對所管轄的全部電站進行同步的監(jiān)控，提供了氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設備（gas insulated switchgear, GIS）信息圖、電站實時數(shù)據(jù)、電站實時畫面等，實現(xiàn)集中監(jiān)控、集約化管理、平臺總調(diào)度的功能。

2）電網(wǎng)監(jiān)控：平臺對電站的運行狀態(tài)進行全方位的監(jiān)控，結(jié)合電力運行的相關(guān)技術(shù)，智能化的組態(tài)運算，生動展示潮流情況，同步實時數(shù)據(jù)，根據(jù)預先定義參數(shù)同步著色畫面圖元，動態(tài)模擬展示線路、設備的運行工況等，提供電站概況、主接線圖、實時數(shù)據(jù)、歷史告警、故障錄波、操作日志、告警統(tǒng)計、運行診斷等功能事項構(gòu)成實時監(jiān)控體系。

3）臺賬管理：包括用戶臺賬、電站臺賬、電源臺賬和設備臺賬。用戶臺賬提供管理其服務用戶的功能，電站臺賬提供管理所服務電站的信息，包括基本信息、運維信息、擴展信息、應用信息等。電源臺賬功能提供管理各變電站進線電源的功能。設備臺賬功能提供管理變電站所有電力設備的功能，實現(xiàn)有效的信息化管理和資產(chǎn)設備的全生命周期管理，協(xié)助電網(wǎng)監(jiān)控中的電網(wǎng)運行穩(wěn)定。

4）平臺監(jiān)控：包括云節(jié)點統(tǒng)計、平臺事件、霧節(jié)點管理和資源池工況。云節(jié)點統(tǒng)計為用戶提供查看系統(tǒng)云節(jié)點相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。平臺事件為用戶提供查詢在指定時間段內(nèi)的各類平臺事件的功能。霧節(jié)點管理采集層各終端設備的運行情況。資源池工況為用戶提供查詢包括物理節(jié)點、邏輯節(jié)點上各類云設備的工況情況。

5）智能運維：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、短信預警配置、運行統(tǒng)計等功能，是為了保證電站安全穩(wěn)定運行、可靠供電、各類電力生產(chǎn)工作有序進行而采用的一種有效的管理手段。對異常事件的過程處理，并對出現(xiàn)的頻率進行統(tǒng)計分析、提供異常事件報表，是智能運維的特色。

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

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)，也可以嚴格的身份認證機制和API獲取數(shù)據(jù)，同時也滿足日后更多系統(tǒng)的升級和集成，如視頻監(jiān)控系統(tǒng)、路燈系統(tǒng)等。

圖6 移動端運維版系統(tǒng)主界面

8）移動APP：電站衛(wèi)士，包括運維版和用戶版兩個版本。運維版用于運維人員日常作業(yè)，用戶版用于最終業(yè)主查看電站運行情況。可以在移動終端實現(xiàn)對系統(tǒng)各個開關(guān)站的數(shù)據(jù)監(jiān)測、日常運維、設備臺賬以及數(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。平臺層也采用IEC 61850體系設計，保障系統(tǒng)架構(gòu)的先進性和數(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、智能運維、能效管理等多方面的功能，大大增加了平臺的靈活性及可塑性。云端服務器使用教育網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)，僅Web及APP支持服務器連接外網(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、運維、臺賬管理、搶修、巡檢簽到等功能，實現(xiàn)了精細化管理，大大提高了校園電網(wǎng)的智慧化管理水平，為節(jié)約型校園建設提供了有力的支撐。

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