配电网台区管控系统中的物联网技术

■ 文/姚 锐 王航星

配电台区是配电网的重要组成部分，在配电系统中起着电能的变换、传输及分配的作用，保证配电台区的安全可靠运行，对于提高配电系统的供电可靠性具有积极意义。在配电系统中应用物联网技术，可以在多个角度感知到配电系统生产过程中的数据信息，但在应用中需要结合网络通信技术等信息化手段。本文介绍了配电网台区智能化管控系统，通过采用该系统，可以实现配电公变台区状态实时分析、故障辨识、缺陷趋势预测和主动预警，并且可以及时或超前发现公变台区设备薄弱点，从而避免因薄弱点、异常点导致的故障发生，降低故障发生所造成的经济损失和次生事故损失。

1 配电网台区的故障感知及通信机制

要实现对配电网台区的故障监测，故障感知层的构建是关键技术之一，也决定了配电网台区预警信息的准确性。通过采用基于物联网的配电网台区故障感知技术，并构建配电网公变台区故障感知管控策略分析模型，可以实现对配电网公变台区关键参量和指标的实时不间断全景感知和监测。感知层处理除了系统对配网台区运行数据进行采集之外，还需要将数据进行传输，一般以无线通信的方式，故在这个层次中包括无线数据传输设备和传感器两个主要部分。

1.1 配电网台区故障感知系统

为了实现对配电网台区故障的监测预警，首先需要对配电网台区的运行数据进行感知，之后再根据所采集到数据进行分析和判断，以达到主动预警的目的。在配电网台区故障感知系统中，需要借助多种类型的传感器设备，分别采用配电网台区中多个不同的运行物理量，从而全面评估配电网台区的运行状态，图1为配电网台区故障感知系统的组成结构图。

图1 配电网台区故障感知系统的组成结构图

从图1中可以看出，在该智能感知系统中包括温度传感器、湿度传感器、加速度传感器以及声音传感器等设备，分别用来采集配电网台区内的温度信息、湿度信息、是否遭受到了外力碰撞、配电变压器的振幅及分贝数是否在允许范围内。同时在该配电网台区故障感知系统中，还设置了通信模块，用来和配电网台区远程监控平台实现相互通信，既可以将配电网台区的预警信息发送到监控平台中，同时监控平台也可以下发控制指令给现场的配电台区监控终端。由于故障智能感知系统只能处理数字量信息，故还需要设置数字量和模拟量转换功能模块，以便所采集到的数据能够被感知系统所使用。

1.2 配电网台区的物联网通信机制

在配电网台区的协同管理机制设计中，主要分为感知层、物联网平台和主站应用等3 个不同的层次，图2为物联网通信拓扑示意图。

在图2中，MQTT 为为消息队列遥测传输，边缘计算智能终端具备多种不同的功能，和配电网物联网主站系统之间应能够进行良好的互动，可实现对配电网台区的运行监控、电能质量治理等多种目标。主站应用需要调用物联网平台中的API 通信接口，以实现对智能配变终端数据的采集和命令的下发。

图2 物联网通信拓扑示意图

调用方法：

POST

请求接口：

https：//server：port/iocm/app/reg/v1.2.0/devices?appId=

{appId}

app_key：{appId}

Authorization：Bearer {accessToken}

Content-Type：application/json

{

"verifyCode"："****"，

"nodeId"："******"，

"timeout"：300

}

响应：

Status Code：200 OK

Content-Type：application/json

{

"deviceId"："*******"，

"verifyCode"："*******"，

"timeout"：300，

"psk"："******"

}

1.3 无线数据传输设备

在配电网台区故障感知和物联通信技术中，通过无线数据传输设备，可以将多种传感器中的数据整体打包发送给下一个功能单元，实现数据信息的传输。实际应用中的无线数据传输设备一般包括DTU 和RTU 两个主要的类别，DTU 也称为数据传输单元、RTU 称为远程终端单元。其中数据传输单元可以实现串口数据和网络数据之间的转换，并将转换之后的网络数据发送出去，在实际中应用十分广泛。远程终端单元的功能和数据传输单元的功能相类似，但其可以将模拟量转换为数字量，不需要进行串口数据的转换，并且抗干扰能力更强。此外，远程终端单元可以和其他的接口采集到的脉冲信号或者是数字信号一起汇总，再送给处理器进行处理，运行的稳定性也相对更强，故可以采用远程终端单元作为配电网台区管控系统中的无线数据传输设备。

2 配电网台区管控系统中的物联网边缘计算技术

2.1 配电网台区管控系统中的边缘计算系统的软件架构

利用物联网技术所构建的配电网台区管控系统，在系统架构上可以分为感知层、控制层、网络传输层和管控系统应用层等多个不同的层次，每个层次分别承担不同的任务。其中感知层主要负责采用配电网台区内的关键运行数据信息，并将其传输到管控系统的控制层中。经过控制层对数据信息的分析和处理，就可以将数据发送到网络传输层，并进一步传递给远程管控系统的应用层。其中在控制层中，需要对数字量和模拟量进行转换。在系统应用层，可以通过界面浏览的方式展示出配电网台区内的具体运行状况，也可以下发控制指令给现场的监控终端。

此外，由于配电网台区在地理位置上分布较为分散，如果将各个监测终端的数据之间穿撒到远程管控系统中，则对通信系统的带宽要求较高，并且也会导致网络容易出现较长的延时现象。为此可以采用边缘计算技术，图3为配电网台区边缘计算系统的软件架构。

图3 边缘计算系统的软件架构

在边缘计算系统的软件架构中，包括网络管理、系统管理和设备管理等在内的功能模块，通过数据交互技术，并在物联网系统中设置容器，实现多种不同的业务应用。在配电网台区管控系统中，采用的是云端协同、边缘自主决策的管控理念，将各个应用分层部署。将各个配电网台区的数据在本地进行就地计算，之后再将所处理好的数据发送到网络传输层。这样就可以降低通信数据对网络带宽的要求，并且也可以使得网络能够更快响应，更好地实现数据交互。

2.2 边缘计算系统的软件程序设计模式

程序采用Composite 模式，即复合模式，来实现面向对象信息分层建立的既有包含关系，又有继承关系的模型。在Composite 模式中，将各个对象相互组合成为树形结构，来将“部分-整体”的程序逻辑结构表达清楚，具有程序逻辑结构清晰的优势。用户在单个程序对象和组合程序对象的使用过程中具备较高的一致性。

对于抽象基类：

（1）Component：该函数为组合程序对象中的声明接口，用来表达类当中的共有接口的所具备的缺省行为（包括添加Add，删除Remove 以及GetChild 函数）。利用GetChild 函数，可以快速获取到数据窗口对象中的引用，也可以获取相关对象的子物体，并定义一个程序接口函数，使其获得访问Component 子组件的权限。

接口函数：

（1）Component：：Opration：在该函数中，定义了程序中各个组件所共有的接口，需要依靠各个组件来加以实现。

（2）Component：：Add：：利用该函数可以实现添加子组件的功能。

（3）Component：：Remove：：利用该函数可以实现删除子组件的功能

（4）Component：：GetChild：该函数在实际应用中主要是用来获得子组件的指针，方便程序的编写及功能的灵活实现。

利用Component 模式，可以方便实现程序组件之间的递归以及组合，为其提供了一种较为便捷的方法。Component模式在应用中主要包括了两个派生类，其中Leaf 是叶子结点，在该结点中，不包括子组件，而在Composite 中则包括了子组件。

在本程序中，借鉴该复合模式，如在实现数据属性部分时，用CompositeComponent 替换复合模式中的Composite，用PrimitiveComponent 替换Leaf，用DAType 替换Componet，从而实现数据属性部分。在实现数据部分，用CompositeCDC替换Composite，用SimpleCDC 替换Leaf，用DATA 替换Component，再使用Vector 容器把DataAttribute 包含在DATA中，从而实现数据部分。

3 配电网台区设备中的即插即用技术

物联网技术在通信应用过程中，由于采用了多种不同类型的传感器设备，故需要进行通信协议转换，以保证数据信息之后能够共享和利用。可以按照统一的通信规约构建通信的信息模型，从而将传感器中多种数据表达方式、语义等进行集中建模，这也是物联网技术的应用优势。为此可以在管控系统中采用即插即用技术，如图4所示，实现不同传感器之间的统一标识、统一建模、采用同一种通信规约。可以采用面向对象的建模技术，该技术定义了基于客户机/服务器结构的层次数据模型。面向对象的方法的出发点和基本原则是尽可能模拟人类习惯的思维方式，使开发软件的方法尽可能接近人类认识世界的方法与过程。

图4 配电设备即插即用技术的通信过程

在即插即用通信过程中，通过扫码的方式获取设备的SN 号，配电管控平台返回deviceId 之后，就可以建立deviceId、SN 号和主站Id 三者之间的关联关系。通过在某实际配电网中运用该台区管控系统，能够及时可靠发出相应的预警信息，对于保证配电网台区的安全可靠地运行发挥了重要作用。在即插即用技术模型中，其组成包括多个不同的子功能模型，如用来连接服务的模型、访问变量的模型、数据文件传输的模型等，同时还包括时钟同步的模型，保证数据信息在通信过程中，具备统一的时钟。通过采用该配电网台区管控系统，可以提高配电网台区故障的处置效率，降低配网的停电时长，提高配电网的供电可靠性，在实际中具有较大的应用价值。

4 结语

本文系统分析和介绍了物联网技术在配电网台区管控系统中的应用，以及配电网台区智能感知和监测预警技术。通过在时间的配电网台区运维中采用该管控系统，可以保障配电网公变台区设备和电网运行的安全性，对于提高供电可靠性和用户用电满意度也具有一定的价值，可以达到多供少损、促进供用和谐的目的。