物聯網架構智能變電站數據管理系統設計

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摘要：智能變電站是目前變電站發展的主要方向。為了實現變電站的智能化運維和管理，采用物聯網的架構通過在變電站內安裝多種傳感器和智能電表，采集變電站內的所有電力設備、環境、安防等數據，并上傳至物聯網平臺，通過智能變電站數據管理系統對數據進行整合及處理，實現數據分析、報警及動態預測等自動化運維管理功能，最終達到無人值守的目的。

關鍵詞：物聯網；智能變電站；電力數據；管理系統；自動化運維；系統設計

引言

在傳統的變電站中，工作人員需要對變電站中的中低壓電力參數以及工作環境狀況（主要包括溫濕度、水浸、煙及偷盜等）進行實時的巡查，以保證變電站的正常運行。這種依靠人力進行巡查的方式，人力成本比較高，而且有時并不能及時發現問題。隨著物聯網技術的發展，物聯網能夠通過傳感器進行傳統非聯網產品與網絡連接，進行數字化、自動化控制和監控[1]。通過先進的物聯網技術可將變電站進行網絡化、智能化改造，對變電站內相關設備運行及環境狀況進行遠程監控和集中管理，實現全電參量采集、監測，同時通過智能變電站數據管理系統實現設備運行監控、數據分析、各類環境信號報警、故障報警及電能質量管理等功能。從而大大節省人力成本，也能夠及時發現變電站出現的問題。變電站運行越來越趨于自動化，變電站無人值守已經成為可能[2]。物聯網在智能變電站中的應用，旨在提高電力系統生成環節的信息化水平，以適應新時期規模化電網運轉的實際需求[3]。

1系統架構設計

系統應用于變電站，對站內安裝的各種智能電表等進行數據采集，并提供數據的統計和分析，進行可視化展示，為運維管理提供智能決策。系統的整體架構如圖1所示，其由4個部分組成：電力設備層、數據采集層/平臺層、業務處理層、應用展示層。系統的最大特點在于采用分層、分布式形式實現系統的解耦及大數據處理，同時采用云服務形式為各使用者（租戶）創建相互獨立的應用，為電力設備生產企業、用電企業提供電力設備管理及運維的快捷方式。電力設備層主要包含變電站內的各種智能電表、綜保設備、溫濕度傳感器、水浸傳感器、煙霧傳感器、防鼠欄、照明系統、門磁傳感器、視頻監控、周界報警及網關等設備。這些設備負責監測變電站內的電力數據、現場環境數據和安防信息，通過RS485總線組成工業網絡，按照Modbus協議進行數據傳輸，將數據匯總到網關設備，由網關設備將數據上傳到數據采集層/平臺層。通過充分利用物聯網技術，全面采集各項參數，便能夠建設成一個具備儲存、分析、展示的工作流程[4]。數據采集層/平臺層主要是指物聯網平臺。物聯網平臺可以實現底層終端設備的管、控、營一體化，為上層提供應用開發和統一接口，構建終端設備和業務的端到端通道。物聯網平臺在整個體系架構中起著承上啟下的關鍵作用，提供設備的接入、管理，數據采集、規則制定、數據存儲/轉發及安全管理功能，并通過TCP/MQTT/HTTP等形式提供南向、北向接口，方便設備的接入以及業務層獲取設備的實時數據。業務處理層一般放在公有云上，也可以自建私有云，提供租戶、用戶、消息、接口、安全管理功能，同時為保證接口數據的規范性，提供數據的自動序列化/反序列化功能。業務處理層對電力設備生產企業、用電企業常用的實時數據、日數據、月數據、年數據，最大、最小、平均等電力數據都提供了相應的業務接口，通過HTTP/Restful方式向外提供服務，方便應用開發及數據可視化。應用展示層提供PC或移動端的數據展示，包括用戶登錄、認證管理、權限管理、電力的實時、日、月、年及最大、最小、平均數據等功能，應用開發僅需聚焦于數據展示制作。

2存儲架構設計

系統以云服務形式向外提供應用，考慮到并發性及數據的增長性，在數據的存儲架構上，采用三層存儲架構：Redis緩存、MySQL結構化存儲、ElasticSearch分布式存儲。其中，Redis緩存用于存儲用戶的登錄、會話信息，保證多應用的統一性、不間斷性，提高系統用戶體驗化及交互性；MySQL結構化存儲用于存儲租戶、用戶、設備基本信息，考慮到配電站數據的持續增長性，單個變電站若30s采集一次數據，單日即產生2880條數據，1年即有1051200條數據，隨著用戶的增長，數據超過百萬條后，MySQL的存儲性能不能滿足日常的數據存取要求，所以設備數據及系統日志采用ElasticSearch進行分布式存儲；ElasticSearch采用文檔形式存儲數據，便于配電站監測數據的變更，系統的擴展性也更高，同時ElasticSearch支持集群，方便后期的服務擴容。三層存儲架構如圖2所示。

3系統主要使用技術

系統以物聯網平臺+Springboot+MyBatis+ElasticSearch+MySQL整合框架為核心設計理念，電力設備層數據通過物聯網平臺由ElasticSearch獲取并進行存儲。系統以基礎微服務架構為思想，將數據獲取單獨部署。數據處理及前端渲染部署在另外一個服務器上，實現互相獨立。

3.1Springboot+MyBatis+MySQL

本系統使用Springboot+MyBatis+MySQL搭建Web網站。SpringBoot主要用來簡化Spring開發框架的開發、配置、調試、部署工作，同時在項目內集成了大量易于使用且實用的基礎框架[5]。Springboot省去了自己導入JAR包和配置XML的時間，利用MyBatis持久層框架，將Java代碼和SQL代碼完全分離，而且支持復雜對象的映射（輸入映射、輸出映射），其強大特性之一便是它的動態SQL。通過MyBatis拼接SQL語句來操作MySQL，可以減少很多繁瑣的操作。

3.2物聯網平臺

物聯網平臺采用OneNet平臺，該平臺是中國移動推出的用于物聯網開發的專用平臺。OneNet云的應用強大，提供設備接入、數據可視化、數據列表的導出等功能[6]，可以解決協議適配、海量連接、數據存儲、設備管理、規則引擎、事件告警等物聯網應用開發的共性問題，縮短開發周期，減少開發成本。其開放第三方API接口，推進個性化應用系統構建，只要終端設備能聯網，就能對數據組包，通過HTTP，EDP，MQTT等任意一種方式接入平臺。OneNET平臺提供了通過MQTT協議調試API的頁面，操作簡單明了。MQTT協議是一個面向物聯網應用的即時通信協議，使用TCP/IP提供網絡連接，能夠對負載內容實現消息屏蔽傳輸。MQTT協議適用于設備和平臺需要保持長連接的使用場景，其特點在于可以實現設備間的消息單播以及組播，可以不依賴于其他服務（下發命令服務、推送服務等）實現讓設備以應用服務器的方式對真實設備進行管理和控制。

3.3ElasticSearch

ElasticSearch是一個建立在ApacheLucene基礎上的開源、實時、分布式的搜索分析引擎[7]。ElasticSearch能夠為海量數據提供分布式存儲、搜索和快速分析的服務。因其強大的搜索與分析能力，已被成功用于很多海量數據的處理中[8]。ElasticSearch具有以下功能。（1）提供分布式的搜索引擎和數據分析引擎，可以快速準確地找到目標信息（分布式：ElasticSearch會自動將海量數據分散到多臺服務器上去存儲和檢索海量數據的處理）。（2）提供全文檢索、結構化檢索和數據分析。（3）對海量數據進行近實時的處理（近實時：在對數據進行搜索和分析時，花費的時間為秒級別）。ElasticSearch的優點是提供了數據庫所不能提供的很多功能，例如全文檢索、同義詞處理、相關度排名、復雜數據分析、海量數據的近實時處理，而在此可以利用采集到的數據進行復雜的數據分析，查看數據變化趨勢和數據對比等。根據錯誤數據檢索其相關設備源，實時監控設備，提供警報。

4系統功能模塊設計

本智能變電站數據管理系統一期項目分為6大模塊，包括電力監測、運行環境、安防監測、電能分析、電能報表、預警日志等，如圖3所示。電力監測：包括6個模塊，主要都是涉及變電站的電力數據。根據所查詢設備使用周期、電力指標、開始和結束時間等條件將電力、電表數據、電力極值以及電力運行情況分析顯示出來，并將數據根據需求導出。運行環境：監控設備所處環境的溫、濕度信息等，以及所有設備的在線狀況。安防監測：設備周界數據監測，如煙感、門磁、水浸等數據信息。電能分析：查詢所對應配電站的名稱，顯示當前配電站的電壓等級、變壓器臺數、負荷率等基本信息，以及實時監控設備的有功功率、無功功率運行狀態和設備所處環境的溫、濕度信息等。將相應配電站的數據進行可視化顯示，并及時更新。電能報表：主要涉及變電站內相關電力數據的報表，按日生成，巡查人員交接班使用。預警日志：檢測記錄用戶登錄狀態和有無異常操作信息。

5結語

我國電力系統目前正經歷著數字化向智能化方向逐步轉變和發展的過程，在智能電網中物聯網技術的應用研究不斷深入[9]。將物聯網技術應用于電力通信系統，不僅可以節省人力資源，而且還能及時地獲取中心及偏遠變電所設備的運行狀態[10]。基于物聯網架構的智能變電站數據管理系統可以實現變電站電力數據、環境數據、安防數據的在線管理，并提供相關數據可視化分析及故障報警等功能，實現基本的變電站無人值守和自動化運維。基于物聯網架構的智能變電站是智能變電站的基本雛形，隨著大數據技術、人工智能技術的發展，這些技術也可以應用到智能變電站中，特別是數據分析及數據挖掘技術，通過對采集的數據進行預處理，在此基礎上展開數據質量分析及數據挖掘，建立符合智能變電站數據的模型，從而進行節能、故障預測等深入的研究。注：本文通訊作者為王得燕。

參考文獻

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[10]李玉芬，張永安，夏海燕.物聯網及其在電力系統中的應用研究[J].物聯網技術，2014，4（8）：67-69.

作者：高陽 李天豪 王寧 王得燕 單位：無錫職業技術學院