应用智慧能源云技术，升级上海交通大学校园配电系统

校园电网的节能改造和智慧能源管控，是节约型校园建设工作的重中之重。上海交通大学的研究人员沈海军、许少伦，在2020年第9期《电气技术》杂志上撰文，针对校园电网部分硬件设备和电力监控系统出现的故障、功能失效及不能适应当前节能管理的需要等问题，根据工程实际应用，基于智能监测终端和云能效管理技术，提出了校园供配电系统的升级方案。

作者首先介绍了变电站内一二次设备的改造方案，之后介绍了电力监控系统的硬件架构、网络结构、软件架构以及智慧能源云系统的具体功能实现。升级后的校园配电系统，大大改善了学校电网的可靠性和稳定性，提高了校园能源管理的智慧化水平。

校园是肩负着教育、科研和社会服务重任的基地，也是能源消耗的大户，其能耗占国民建筑总能耗的比重也日益增大，建设节约型校园已经成为各高校持续推进的工作。电力作为校园运行的主要能源，越来越受到学校建设和后勤管理部门的重视，部分校区会出现设备老化、供电故障、监控系统落后等问题。

随着物联网、云计算、大数据、人工智能、移动技术等先进技术的出现，将这些先进技术与能源及电力传统业务领域相结合，可以大幅提升能源监管的效率，实现新的节能增长点。在此背景下，对校园进行增容或设备更换改造，并对能源监控系统进行升级具有重要的现实意义。

1  校园供电现状及存在的问题

上海交通大学共有5个校区，其中闵行校区为主校区，闵行校区又分为西区、中区和东区，西区自1986年开始使用，建设年代较远。由于科研快速发展，各院系建筑楼宇功能调整，实验室设备增加，其对应开关站的供电相对紧张，而且部分硬件设备及电力监控系统经过十多年的运行，逐步出现故障报警及功能失效等问题。为防范电力系统运行风险，急需对电力监控系统的网络、功能等进行一次升级。

1.1  硬件设备

在供电硬件设备方面，站内供电设备使用年限较久，主要元器件严重老化，更换维修配件已淘汰，造成供电系统经常出现故障，需要升级改造。

在保护装置方面，原保护装置老化、故障较多，在通信规约及数据采集上已经不能满足现在的系统监控要求，急需更换新的保护装置对新系统进行支撑。

在通信设施方面，原配电网运行的通信光强故障率较高，不易维护，已严重影响配电网络的有效监控和运行，需在原光缆通信上进行升级和改造。

1.2  电力监控与数据采集系统

原电力监控与数据采集（supervisory control and data acquisition, SCADA）系统已远远落后于现在的电网监控技术要求，具体表现在原有的C/S架构已经不能适用于现在云架构系统的需求，严重制约了校园配网智能化的发展需求和供电可靠性的发展。

2  校园变电站内设备改造方案

2.1  微机保护装置改造

校区变电站内原供电保护装置为Sepam S20，已经运行15年，已经出现监控显示故障、保护信号误动作、传输数据滞后、监控功能不全、报表统计不准等问题。本次改造综合保护装置选用ABB的REF615K，具有保护、控制、测量、信号功能，满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性要求。

装置支持IEC 61850、IEC 60870-5-103和Modbus®多种通信协议，串口Modbus和网络Modbus、IEC 61850和Modbus都可同时并列运行。装置内置的自检功能持续监视装置硬件和软件的运行状况，时标精度≤1ms。具有掉电保持功能、可靠的硬件闭锁功能，保证任何情况下都不误动。具有故障录波功能，可记录12个模拟量和64个开关量信号通道、100条故障录波，最长可达25s。

2.2  高低压配电柜装置改造

校区变电站内的部分高低压配电柜为20世纪90年代建设的，高压为GG1A型高压隔离刀柜，无断路器保护及综合保护装置监测，低压为GGD动力柜，无仓位分割和综合表计数据采集传输，在供电操作和安全保护上，已经不能满足现有的变电站运行要求。

本次改造选用KYN-37型中置式高压断路器柜，配置P3U30综合保护装置和PM5350综合多功能表计，低压配电柜选用msn抽屉柜，把每个出线回路单独隔离，做到操作简便，使用安全，加装PM810综合多功能表计，实现实时采集配电线路各项电力参数，通过串口服务器传输到电力监控系统上。在系统中加装有源滤波柜，消除线路的无功功率、奇次谐波，稳定电网运行。

2.3  变压器改造

校区变电站内原有油浸式变压器在电网运行中损耗大、故障率高、维护成本大，本次改造选用SCB13型节能变压器，实现低损耗、高性能的变压供电效果。

3  校园电力监控平台升级与应用

3.1  硬件架构

校区内原有电力监控系统是分布式、多层转发、多层汇聚的网络拓扑结构。在每个站内，都有工控机来采集数据，然后通过层层转发，层层汇聚，最后集中在监控中心展示，并与校区多个其他系统有数据接口，如能量管理系统（energy management system, EMS）、抄表系统等。原有系统存在卡顿、告警繁多、重要告警信息被淹没、报表曲线生成缓慢、数据显示紊乱等多种问题。

IEC 61850标准是由国际电工委员会第57技术委员会于2004年颁布的、应用于变电站通信网络和系统的国际标准。IEC 61850标准吸收了IEC 60870系列标准和UCA的经验，对保护和控制等自动化产品和变电站自动化系统的设计产生深刻的影响。它不仅可以应用在变电站内，而且也能运用于变电站与调度中心之间以及各级调度中心之间。

为了解决上述问题，并且将微机保护装置采用IEC 61850通信规约接入，直接与服务器进行数据交互，需要在利用校园原有通信网络的基础上，升级原电力监控系统。其网络结构如图1所示。

为了保证系统安全运行，在开关站内部署1台电力监控系统服务器、1台数据服务器和1台应用服务器，实现数据接收和系统访问。利用监控中心原有值班操作站，实现对新系统的实时监控和日常值班应用等。在开关站内部署防火墙，配置安全防护策略，通过网络地址转换（network address trans- lation, NAT）端口映射，实现新系统校园网访问。

3.2  软件架构

监控系统为3层架构，即数据采集层、平台层、应用层。其软件架构如图2所示。

图1  电力监控系统网络结构图

图2  监控系统软件架构图

数据采集层采用IEC 61850通信规约，主要负责规约适配及数据分发，将采集或分发的数据及时送到电力监控系统中；平台层采用IEC 61850体系设计，将接收的实时数据按IEC 61850模型进行组织存库和展现，保障系统架构的先进性和数据的互联互通和开放性。

实现权限安全管理、硬件资源及网络资源的监测、系统电站初始化及建模、对外提供应用程序接口（application programmable interface, API）等功能；应用层分为移动端和Web调度监管，Web调度监管是调度人员日常电站监测、调度作业、智能运维、用能分析等。

采用与原系统做数据接口的方式，在汇聚层或者采集层配置数据双发通道，在确保原接口不变的情况下，增加新的转发接口来接入现有的站点数据。在开关站内配置节点管理机，原电力监控实时数据通过分发机制，经原系统光纤网络，分发到新系统实时服务，实现数据采集和存储，并在监控中心实时展现；综保装置接入到节点机上，节点机实现双发机制，通过原系统光纤网络，将数据发送到新旧电力监控系统，实现系统的更新过渡。

3.3  智慧能源云

智慧能源云服务平台，把物联网、云计算、大数据、人工智能、移动技术等先进技术与能源及电力传统业务领域相结合，为用户打造创新的智慧能源管理整体解决方案，包括Web端和APP端。平台功能围绕着变电站的安全、效率和经济3个维度构建。它涵盖了变电站监控、智能运维、能效管理等多方面的运维管理功能，满足了用户对于用电安全、节能与可持续发展的需求。其架构如图3所示。

针对高校用电的特殊性，同时为了保证核心数据安全，专门定制了校园版私有云的平台模式，取代传统意义的C/S系统，具有更大的灵活性以及可塑性。主要云端服务器都使用教育网内网，仅Web及APP支持服务器连接外网用于支持用户访问，大大增加了安全性及有效性。

设计建模是平台的核心基础工作，对校区内的电站进行必要的建模，包括校区/电站、回路/设备、通信/测点、图形等多方面，使在平台中的各类模型对应各电站实际的各种工况，才能保证云平台的各项智能化管理和分析工作有效运行。

图3  智慧能源云系统架构图

本次只针对校园电网的管理进行系统升级，系统主要功能如图4所示，系统主界面如图5所示。

图4  系统功能组成图

图5  校园智慧能源云系统界面

1）调度中心：包括全景电网、多维监控、调度计划等功能。平台对所管辖的全部电站进行同步的监控，提供了气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear, GIS）信息图、电站实时数据、电站实时画面等，实现集中监控、集约化管理、平台总调度的功能。

2）电网监控：平台对电站的运行状态进行全方位的监控，结合电力运行的相关技术，智能化的组态运算，生动展示潮流情况，同步实时数据，根据预先定义参数同步着色画面图元，动态模拟展示线路、设备的运行工况等，提供电站概况、主接线图、实时数据、历史告警、故障录波、操作日志、告警统计、运行诊断等功能事项构成实时监控体系。

3）台账管理：包括用户台账、电站台账、电源台账和设备台账。用户台账提供管理其服务用户的功能，电站台账提供管理所服务电站的信息，包括基本信息、运维信息、扩展信息、应用信息等。电源台账功能提供管理各变电站进线电源的功能。设备台账功能提供管理变电站所有电力设备的功能，实现有效的信息化管理和资产设备的全生命周期管理，协助电网监控中的电网运行稳定。

4）平台监控：包括云节点统计、平台事件、雾节点管理和资源池工况。云节点统计为用户提供查看系统云节点相关统计数据。平台事件为用户提供查询在指定时间段内的各类平台事件的功能。雾节点管理采集层各终端设备的运行情况。资源池工况为用户提供查询包括物理节点、逻辑节点上各类云设备的工况情况。

5）智能运维：提供了缺陷管理、工单管理、排班管理、签到管理、故障抢修、电试管理、巡检管理、短信预警配置、运行统计等功能，是为了保证电站安全稳定运行、可靠供电、各类电力生产工作有序进行而采用的一种有效的管理手段。对异常事件的过程处理，并对出现的频率进行统计分析、提供异常事件报表，是智能运维的特色。

6）精细化用能：基于变电站在监控、运营、维护、管理过程中收集的各类数据，经过平台的智能化整理，提供给用户在用电质量方面更加精细的数据，从而进行有效的管控，达到以可持续发展为目的的管理方式。具体包括用电对比、用电排行、分时用量统计、分时用量对比、时段方案等功能。

7）开放API：可以与其他系统之间建立互联互通，通过协议层交互数据，也可以严格的身份认证机制和API获取数据，同时也满足日后更多系统的升级和集成，如视频监控系统、路灯系统等。

图6  移动端运维版系统主界面

8）移动APP：电站卫士，包括运维版和用户版两个版本。运维版用于运维人员日常作业，用户版用于最终业主查看电站运行情况。可以在移动终端实现对系统各个开关站的数据监测、日常运维、设备台账以及数据分析等功能。

4  结论

本文阐述的校园供配电系统的升级方案中，电力监控系统的采集层采用IEC 61850通信规约，相比Modbus规约更安全，兼容性更高，大大提高了数据采集及通信的质量。平台层也采用IEC 61850体系设计，保障系统架构的先进性和数据的互联互通和开放性。

智慧能源私有云的平台模式，取代传统的C/S系统，涵盖了变电站监控、智能运维、能效管理等多方面的功能，大大增加了平台的灵活性及可塑性。云端服务器使用教育网内网，仅Web及APP支持服务器连接外网给用户访问，大大增加了安全性。

其中，APP功能使用更为便捷，具有包括SCADA、运维、台账管理、抢修、巡检签到等功能，实现了精细化管理，大大提高了校园电网的智慧化管理水平，为节约型校园建设提供了有力的支撑。

本文编自2020年第9期《电气技术》，标题为“基于智慧能源云的校园配电系统升级建设”，作者为沈海军、许少伦。