电力物联网云技术解决方案V10.0

电力物联网云技术解决方案前言实现电力物联网，需要一个完整的技术架构。为此，我们提供基于物联网与云技术相融合的一体化解决方案。方案为电力企业提供一个整合的业务架构蓝图，帮助电网企业成为“随需应变”的企业。方案是以电力信息中心控制系统为中枢神经系统，以电力通信网关为神经节点，形成完整的网络体系，采用云技术作为神经系统实现各点的采集、控制、分析、传输和存储；同时，方案支持开放标准，灵活、自由的组件选择，可扩展性强，实现系统的快速设计、开发、部署和运行；方案兼容电网企业已有的应用系统，节省投资。云计算与云存储云计算是是分布式处理(DistributedComputing)、并行处理(ParallelComputing)和网格计算(GridComputing)的发展，是通过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统经计算分析之后将处理结果回传给用户。通过云计算技术，电力通信网关成为网络服务提供者，处理来自本地电力二次设备的监测信息，保证信息及时有效处理，达到和“超级计算机”同样强大的网络服务。云存储的概念与云计算类似，它是指通过集群应用、网格技术或分布式文件系统等功能，将网络中大量各种不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能的一个系统。在这里，我们的电力通信网关实现相同数据访问和业务访问支撑功能。一、目标在开放和互联的信息模式基础上，通过加载电力通信网关和电力信息中心控制系统，对发电、输电、配电、用电等关键设备的运行状况进行实时监测和数据整合，实现电力产业全流程的智能化、信息化、分级化互动管理，从而构建电力系统的“中枢神经系统”。中心控制系统通过物联网技术对电力通信网关实现统一管理，通过云计算实现海量状态数据分析，并通过云存储技术保证大数据量存储安全，从而为建设电力物联网提供技术支撑，并以此来提高信息化管理水平，实现二次设备统一化管理，兼容二次设备多样化接口，提高复杂环境适应能力，加强数据共享，避免孤岛效应。二、现状分析现有电力二次设备的数据采集和分析功能，在发电、输变电、配电、用电过程的某一环节上，能实现故障发生之前及时进行预警或告警，故障发生之后精确定位故障源。现有的监测技术互为补充，为保障电网安全生产发挥着越来越大的作用。但由于各监测系统的生产厂家没有统一的设计标准，造成各个监测系统间无法兼容和统一管理，不能构建点到线，线到面的全局监测系统，最终形成了一个个“信息孤岛”。究其原因，可概括为以下三个方面：2.1二次设备的设计标准不统一现有的配变监测系统、负荷控制系统、无功补偿等系统或者终端设备通常是来自不同厂家的产品，各厂家采用自己的设计标准，自成一体、相互独立；即便是同一厂家，其在不同时期的产品也存在多种设计标准，因此系统信息难以共享、功能重复交叉、综合投资较大和运行维护困难。2.2二次设备的连接方式不统一在现有的发输配用环节中，监测设备采用的联网方式主要有以下四大类：（1）采用以太网通信协议在TCP/IP协议族中，监测厂商或使用传输层的协议进行通信（如：TCP、UDP协议），或使用网络层的协议进行通信（如：IP协议），或使用其他层次的协议进行通信。（2）采用串口通信协议为远程采集电气设备的数据或与计算机通信，监测厂商大多使用RS-232和RS-485串口标准进行通信；为达到更好的抗噪性和更远的传输距离，部分厂商采用RS-422进行串口通信。（3）采用无线通信协议为适应特殊的地理环境，监测厂商使用无线手持监测设备，通过无线应用协议（WAP），可以获取监测数据。（4）采用USB通信协议在现有基于USB接口的电力二次设备中，USB1.0和USB2.0相互惨杂，导致数据传输速率不统一。2.3数据共享程度低目前在发电、输变电、配电、用电过程的各环节上已经有比较成熟的监测管理系统，同时在这四个环节上的区域上也有相应的监测系统，但这些监测系统之间缺乏有效的互联，信息共享和交互性，造成各环节和各个地理区域上的“信息孤岛”。三、总体方案设计通过中心控制系统和电力通信网关构建的电力物联网云技术解决方案，主要实现以下功能（如下图所示）：电力设备状态数据的采集、复杂背景下的状态数据传输、多维数据信息集成、海量数据分析、实时状态信息展示，以及精细化、智能化运营控制管理。四、网络拓扑以中心控制系统为神经中枢、电力通信网关为神经节点、通信链路为神经链，通过电力通信网关与电力二次设备的无缝对接，完成与数字电网的信息交互、信息处理以及信息校验，最终实现各环节监测设备的数据共享，为中心控制系统提供全面、及时的现场数据展示。组网通道发电输变电配电用电发电发电输变电输变电配电配电用电用电CAN总总总总总总……电力通信网关电力通信网关总总总总总总总……防火墙Internet云计算云存储Internet中心控制系统……电力通信网关电力通信网关五、电力通信网关5.1电力通信网关介绍5.1.1多接口兼容设计为兼容目前多样化的二次设备及适应以后的扩展，电力通信网关向上层系统提供的接口有：以太网口、光纤口、无线通信接口等；向下层设备提供的接口有：以太网口、串口、USB口、无线通信接口等；电力通信网关以太网口光纤口无线通信口……组网通道以太网口串口无线通信口USB口……5.1.2网络状况智能分析电力通信网关具备强大的网络状况智能分析、判断能力。通过对中心控制系统的以太网、3G网络、GPRS网络、短信网络环境进行测试，电力通信网关可智能地摒弃不可用的网络链路，并在可用的网络链路中选择最佳的网络通道建立连接，实现数据共享、指令互递。3G网络测试GPRS网络测试以太网络测试短信通信电力通信网关证书服务器通信链路5.1.3数字证书验证数字证书是电力通信网关唯一性的标识，它从以下三个方面来保证电力通信网关和中心控制系统之间通信的安全性和可靠性。1.身份认证，即身份识别与鉴别：确认电力通信网关是否为中心控制系统中所声明的实体，避免非法网关实体进入中心控制系统。2.数据传输的完整性：保证数据在传输和存储的过程中未被修改。3.数据安全性：数据经过加密后传输，仅有电力通信网关和中心控制系统可正确识别数据，保证数据的安全性。IDXXXXIDXXXXIDXXXXIDXXXX证书服务器通信链路5.2电力通信网关应用5.2.1发电环节监测并维护发电机组状态和性能在电网监测中有着举足轻重的作用。把各个机组设备参数相关联，对机组做全面的考察和研究，可以提高发电设备的可利用率。在发电环节须实时采集设备参数及各种特性试验数据。设备参数包括：电压、电流、谐波、功率、转速、开关量、电气设备绝缘参数、空气间隙、磁通测量数据、发电机差流、相量、序量、发电机功角等等；特性试验数据包括：发电机零起升压/升流试验数据、发电机空载特性试验数据、发电机短路特性试验数据、发电机灭磁试验数据、发电机并列同期试验数据、发电机甩负荷试验数据、发电机空载/负载阶跃试验数据、发电机电压-频率特性试验数据、励磁机空载/负载试验等等数据。电力通信网关可采用双百兆以太网冗余运行方式或其他可行方式，双网热备用，实现无损切换，采用TCP/IP、UDP等多种网络协议与二次设备进行交互；也可经485/232串口直接与相应机组DCS的电气控制器DPU相联，实现数据交换。5.2.2输变电环节在输变电环节须采集物理设备数据和监测参数。物理设备的采集数据包括：导线温度、湿度、弧垂、污秽物（盐密）、覆冰重量、厚度、复合绝缘子的温度、泄漏电流、湿度传感器等等；监测参数包括：介质损耗、电容、全电流、阻性电流、风向传感器、风速传感器、雨量传感器、复合绝缘子的运行情况等等；电力通信网关通过Ethernet网络或RS485总线或GPRS无线通讯模式给组网传送监测数据，实现实时数据传输与共享。5.2.3配电环节配电变压器是将电能直接分配给低压用户的电力设备，其运行数据是整个配电网基础数据的重要组成部分。因此，对其运行参数与状态进行监测是必要的。监测数据项包括：配电线路（架空和电缆线）的短路故障、接地故障、过流、断线、停电、送电、导线电流、温度、有功功率、无功功率、功率因数、谐波电流、图像信息、开关状态、线路窃电、配变参数监测等等。电力通信网关采用MODBUS标准通讯协议，采用双向隔离RS485（或232通讯口）通讯接口，与组网实现数据通信；也可通过RS232、RS485口扩展，与无线通讯模块（如GPRS模块或CDMA1x无线DTU）、MODEM等连接，构成通讯网络，实现无线网络收发数据。5.2.4用电环节通过先进的计算机技术、嵌入式技术、通信技术、控制技术、智能仪器技术、GPRS无线通讯技术等专业技术集成的现代化计量管理系统，完成智能化抄表。电力通信网关通过配电监测仪的数据通讯无线收发器，进行终端数据的采集；也可因地制宜，选择红外电表数据接收，RFID电表数据遥测或者GPRS无线通讯等技术手段，实现终端电表数据的收集。电力通信网关再通过Ethernet网络或RS485总线或GPRS无线通讯模式给组网传送监测数据，实现实时数据传输与共享。六、中心控制系统电网每天采集分析大量数据，被多个系统和业务部门使用。因此，采用基于云存储和云计算的分布式数据处理技术将有效提高电网数据输送和使用的有效性、可靠性和安全性，确保电网企业对数据及时分析，及时做出响应。中心控制系统处理的数据包括三类：电网运行数据、设备状态数据和客户计量数据。分为两种处理方式：一种是正常运行的设备数据和客户计量数据，这些数据量大分散，实时性要求不高，由分布在现场的电力通信网关进行分析和存储，将结果数据按预设的时间周期传回数据存储系统保存；另一种是电网运行数据，包括发生故障时的警报数据，实时性要求高，将第一时间优先传回中心控制系统及时进行处理。电力物联网功能结构图6.1电力通信网关调度管理6.1.1电力通信网关管理机制每一个电力通信网关拥有唯一编码，通过建立电力通信网关信息库，每个电力通信网关包含网关唯一编号，网关名，网关功能，网关应用环节，网关所属单位，网关地理位置等基础信息,实现电力通信网关的智能化管理。（1）电力通信网关是物联网节点电力通信网关通过太网口、光纤口、无线通信接口等接口与中心控制系列连接，进行信息交换和通讯，并实现电力设备的智能化识别、定位、追踪、监测和管理，通过互联网技术，通信网关和通信网关之间，通信网关和中心控制系统之间形成物联网。（2）电力通信网关是云计算与云存储节点电力通信网关采集来自二次电力设备的状态数据，由于电力设备的特殊性，数据种类繁多，数据采集量庞大，在这种情况下由中心处理无法及时处理所有节点的数据。为解决这个问题，通过虚拟化技术整合电力通信网关资源，构建一个云存储和云计算环境。6.1.2电力通信网关时钟同步机制中心控制系统需要保证电力通信网关的时钟同步，由于电力通信网关分布广泛，而对采集数据的实时查询和信息及时反馈要求在秒级，基于云计算的高精密时钟同步是中心控制系统一切应用的基础。为此，在电网的分布式系统中建立统一的时钟服务器，通过网络时钟同步和同步指令下发，实现系统的各个通信网关时钟同步。云计算同步时钟发布机制依赖于至上而下的网络服务实现，中心控制系统成为中心云节点，对各个通信网关子节点提供时间请求服务。6.1.3电力通信网关数据传输机制中心控制系统与电力通信网关之间的数据传输包括定时传输、紧急传输和轮询三种方式：定时传输建立在通信网关时钟同步的基础上，以此构建秒级的数据传输实现状态更新；紧急传输是指发生异常情况时，由通信网关及时将数据传输至中心控制系统，并更新状态；轮询方式是指当需要手动更新整个状态时，由中心控制系统发出轮询指令，各通信网关接收到指令后及时反馈轮询结果。6.2业务处理电力通信网关实现电力监测设备的数据采集，主要获得设备状态数据，由目前传统的计划检修向状态检修过渡，延长设备使用寿命，减少资产运维的人员需求和成本。6.2.1与二次设备数据交互通过电力通信网关和电力监测元件终端整合，构建监测控制与数据采集系统，从而扩展数据采集范围和数量，提高电网“可视化”数据。6.2.2云