基于物联网的直流电源远程监控和运维服务

王炳林

引言

变电站是电网的核心，担负着所在区域的供电任务，直流电源是变电站继电保护装置、开关操作、自动化等设备的供电电源，它在电力系统安全稳定运行中起着极其重要的作用，直流电源自身的可靠及安全直接影响到电网稳定和设备安全。目前，电力系统推广变电站无人值班，虽然现场监控中心可以获取变电站运行情况的实时信息，但是对于直流电源部分只能得到少量的重要信息，对于更加详尽的信息仍旧无法获得，尤其是当直流电源刚开始出现异常状况时不能及时得到预警信息，直到异常状况积累成为故障时才能被发现，此时事故已经扩大。另外，直流电源设备已经朝着自动化、系统化、集成化方向发展，结构更复杂，功能更强大，故维护技术含量日益提高，对维修人员的要求也不断上升，传统的人工定期巡视很难及时发现系统故障，人工维护也存在数据测量和维护的人员差异，不利于对系统状态做出综合判断。并且，随着变电站数量的日益增加，直流电源的日常检测维护工作量非常大，变电站多，维护人员少，显然无法保证按期按量完成。因此，如何加强对变电站直流电源的监控和故障分析，并采取相应的对策是电力系统急需解决的问题。

浙江三辰电器股份有限公司提出一套完整的基于物联网的直流电源设备远程监控与运维服务系统解决方案，通过物联网及移动通信等新技术，把传统的监控与运维服务系统远程化、网络化，将分布各地的直流电源设备纳入统一的管理平台中，实现对电源设备信息的分散采集、统一监控、集中管理。

1　相关概念

物联网：物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。其英文名称是：“Internet of Things（IoT）”。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网是互联网的应用拓展，与其说物联网是网络，不如说物联网是业务和应用。

直流电源：直流电源又称直流电源屏或直流屏，是指应用于发电厂、变电站(所)中，为给控制负荷和动力负荷以及直流事故照明负荷等提供直流电源的电源设备，是当代电力系统控制、保护的基础。直流电源的可靠性、安全性直接影响到电力系统供电的可靠性和安全性，因此也应用了大量的先进的科学技术。直流电源由交配电单元、充电模块单元、降压硅链单元、直流馈电单元、配电监控单元、监控模块单元及绝缘监测单元组成。

2　系统技术结构

基于物联网的远程监控与运维服务系统（简称“三辰智云”）是以物联网、大数据、云计算和移动通信等新一代信息技术作为支撑，以“互联网+运维服务”为目标，构建电源设备、监控中心、移动终端三位一体的智能化远程监控与运维服务云平台，实现系统间的互联互通和数据共享，为客户提供远程监控、故障预警、故障诊断、故障分析、运维服务等专业的在线增值服务，从而帮助客户建立一套高效的设备运行及维护管理体系。

2.1　系统组成

“三辰智云”系统主要由以下三个部分组成：

（1）带有智能无线通讯装置的直流电源系统；

（2）“直流电源远程监控与运维服务系统”平台软件；

（3）移动终端应用软件，包含Android及iOS系统APP。

2.2　系统结构

2.2.1系统技术架构

系统技术架构如图1所示，由现场设备层、通讯网络层和远程监控层三部分组成。

现场设备层：由直流电源和智能无线远程通信装置组成。直流电源设备通过智能无线远程通信装置将信息经由无线网络发送到监控中心数据服务器，同时也可以接收远程监控中心数据服务器发来的各种应答类、控制类等指令。

图1　系统技术架构图

通讯网络层：由RS485工业总线、GPRS无线传输网络和以太网络三部分组成。实现各种应用网络的互联互通，它是现场设备与后台监控之间的数据传输通道。

远程监控层：包括通信服务器、数据库服务器、Web服务器和监控中心应用软件等软硬件设备。监控中心应用软件负责系统中所有数据信息的显示、存储、运算、查询等操作和管理，为用户提供一个可视化的监测界面。

2.2.2系统逻辑架构

本系统逻辑架构如图2所示。

图2　系统逻辑架构图

采用B/S结构即浏览器和服务器结构，在这种结构下，用户界面完全通过www浏览器实现，一部分事务逻辑在前端实现，但是主要事务逻辑在服务器端实现，形成所谓3-tier结构。系统设有两个通道接入企业的Web服务器：一路是移动终端 (手机)通过无线网络连接到企业的服务器，另一路是监控中心（PC）通过Internet网络连接到企业的服务器。

2.2.3系统功能模块

“三辰智云”系统利用运营商提供的无线网络进行数据传输，将分布在不同区域、不同地点的直流电源设备运行数据汇集至物联网云平台，维护人员可通过移动终端APP实现对电源设备运行状态进行远程监控，随时掌握现场设备情况，对突发事件及时发现及时处理。或通过监控中心Web网页实现对电源设备的远程数据采集、实时状态监测，实时掌握设备的运行状况，并为客户单位提供远程故障诊断及智能运维服务综合管理。

本系统功能如图3所示，其主要功能模块体现在数据采集、实时监控、统计分析、运维管理和系统管理上。

图3　系统功能图

（1）数据采集：通过现场总线、互联网和无线网络的多种通信网络结合的方式，远程采集分布各地的电源设备的运行数据，实现基于云平台的直流电源、监控中心和移动终端互联互通、数据共享。

（2）实时监控：能对直流电源设备运行数据、运行状态和故障信息进行实时监测，在故障发生时能够及时显示故障信息并进行报警。

（3）统计分析：以多种报表的形式显示直流屏历史运行数据。包括年、月、日报表等，方便对历史运行数据和故障记录进行统计分析。

（4）故障诊断：建立集中的告警分析处理和故障预警机制，能够超前预判事故的发生，并在故障产生或故障征兆时进行快速定位，从而能够使维护人员快速排除故障。

（5）运维管理：提供在线报修，故障诊断，维修服务，服务评价等业务功能。内嵌知识库作为运维服务重要的技术支持，为用户故障诊断提供在线自助咨询服务。

（6）系统管理：包括用户管理、设备管理、角色管理。用户管理如：客户名称、联系方式等；设备管理如：型号规格、出厂编号等；角色管理如：角色名称、权限管理等功能。

3　“三辰智云”系统技术实现

3.1　智能无线通信装置开发

智能无线远程通信装置是专门针对直流电源设备监测需要而设计开发的工业级无线数据传输单元，是一种物联网无线数据终端，负责采集现场电源设备运行数据，并提供无线数据传输功能，实现与监控中心的通信。该装置采用了先进的工业级处理器，并采用数据透明转发技术，实现数据的透明转发。直流电源设备通过RS232/RS485接连接到智能无线通信装置，智能无线通信装置将从直流电源设备接收的数据转换成 TCP/IP通信协议的数据包，而不需要改变原有的数据通信内容，通过GPRS网络传递给远程监控中心。同时智能无线通信装置可接收监控中心传送来的远程控制信号给直流电源设备。

3.2　直流电源远程监控与运维服务系统平台软件开发

采用Eclipse作为编写程序调试程序的工具软件，基于JDK1.7上开发的应用软件，数据库采用mysql5.6。系统后端采用spring框架集成 shiro、spring data等框架实现服务器后端架构，系统可以部署到安装有jdk1.7的操作系统上。系统前段采用angular 1.5.8版本开发，实行前后端分离的开发，后端提供restapi接口实现数据交互。并通过消息服务器来实现实时数据的推送、报警信息的推送等。

3.3　移动终端APP软件开发

（1）Android系统应用软件

采用Eclipse作为编写程序调试程序的工具软件，在Android SDK上运行所开发的应用软件。所开发应用软件版本适配Android 4.3及以上系统，因未使用暂停维护的NDK，故适配版本覆盖较新的6.0及以上版本，应用软件采用较先进的技术架构，应用软件对运行终端的计算能力、存储能力需求较低，软件运行状态下（无其他第三方应用进程）要求达到CPU占用率小于30%，持续运行无终端发热、死机现象。

（2）iOS系统应用软件

采用Web Storm作为编写程序开发工具软件，利用React-Native提供的编译调试环境进行debug、热更新等，最终在macOS所提供的iphone模拟器查看效果。所开发应用软件版本适配iOS9.0及以上系统，采用面向组件开发，采用redux管理状态（state），保证state的可预测性，采用immutable持久化不可变性数据，并且支持了热修复。在场景中做了大量的优化，从而CPU占用率较低，同时减少APP对流量和电量的消耗，持续运行应用未出现闪退、假死等状态。

4　应用实例

三辰公司开发的“基于物联网的直流电源远程监控与运维服务系统”，在2016年底已完成系统测试，并于2017年1月正式上线投入运行，目前在全国范围内已经拥有2314个用户单位，累计10560套直流电源设备上线运行，该平台的研发成功，也进一步让企业实现从单纯制造业向制造业服务化转型升级。

该项目已获浙江省“2016年信息化项目优秀奖”，将进一步在电力、冶金、石化、建筑等行业投入运行使用。

5　应用价值

5.1　提高产品可靠性，降低设备故障率

“三辰智云”平台通过物联网技术，把传统的智能电源监控系统远程化、网络化，提供了功能强大的从远程监控、故障报警、故障诊断、故障分析到运维服务功能，该应用方案对提高产品可靠性、降低设备故障率，保障电网安全稳定运行具有极为重要的战略意义和极高的实际应用价值。

5.2　提高维护效率，节省故障处理时间

利用“三辰智云”平台建立的集中告警分析处理和故障预警机制，使监控系统成为强有力的助手,能够超前预判事故的发生，尽可能地做到事前防范，并在故障产生时进行快速定位，能够准确确定故障部位、判断故障原因，以便及时进行处理，大大提高了维护效率，节省了紧急情况下的故障处理时间。

5.3　降低维护成本，减轻人员劳动强度

借助“三辰智云”平台建立的电源设备实时数据库，对电源设备运行状态进行综合诊断，能够更及时、准确、灵敏地反映设备健康水平，从而有针对性地对设备检修时间和周期进行决策，实现从定期检修到状态检修的转变，可有效降低维护成本，并大大减轻了维护人员的劳动强度。

6　结束语

在直流电源设备运行维护过程中，已经从传统的人工值班、人工检测设备方式发展到采用内部联网获取设备运行数据、各站点人工定时巡检、基层站点实现无人值班模式，并已经在实际应用中得到广泛运用和推广。但是在实际运作过程中，经常遇到以下情况：

（1）设备分布广泛，分散在不同区域，专网不易连接，只能采用在广域网中采用VPN方式传输，但仍存在风险；

（2）有的站点分布在偏远山区，网络线路不能到达，或者即使能够到达网络信号非常弱，需加大投入改造；

（3）如果在内部专网的网络线路、内部服务器异常或停机维护时产生故障，前台不能及时获取，会导致事故进一步扩大；

（4）若站点设备发生故障，则维护人员需先到达站点，检测设备各运行参数，确定设备故障点及故障器件，然后再联系供货厂商购买故障器件进行更换或维修，完成一个维修需要的时间周期较长。

笔者提出了一种基于物联网的直流电源远程监测及运行维护的方法，利用运营商提供的无线网络进行数据传输，将分布在不同区域、不同地点的变电站直流电源设备运行数据汇集至物联网云平台，实现对电源设备信息的分散采集、统一监控、集中管理。设备管理者或维护人员可通过PC端浏览器或移动终端APP可实现对电源设备的运行状态进行远程监控，随时掌握现场设备的情况，节省巡查时间、提高运维工作效率，对突发事件及时发现及处理，消除事故隐患，确保现场设备安全运行，是对直流电源设备进行远程监控与运维服务的最佳解决方案。

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