励磁系统远程监控的云端化实现

邱 建

（东方电气自动控制工程有限公司，四川 德阳618000）

0 引言

励磁系统是发电机组的关键控制设备之一，对于维持系统电压稳定、调节电网无功，保证机组安全，提高机组及系统稳定具有重要作用。励磁系统故障影响到发电机组及电网的安全稳定运行，励磁系统的投入率也关系着电厂的经济效益。因此，如何进行故障预防，故障发生后如何快速分析并解决故障，是励磁系统生产厂家一直思考并着力改进的问题之一。传统的励磁系统，现场运维人员需要现地巡检，多有不便。另外当励磁系统出现故障时，生产厂家的技术专家只能通过现场运维人员收集历史数据，分析问题。由于信息的不充足、不及时，分析问题、解决问题的效率低下，甚至会出现分析错误的风险。

无论是德国工业4.0，美国工业互联网，还是中国制造2025，其内涵都是信息技术与传统产业的跨界融合。一个制造业向定制化、智能化以及制造业服务化方向转型的时代已经来临。本文利用物联网关和共有云平台设计了一套励磁系统远程监控系统，实现了数据远传、存储、可视化展示，使系统具备实时监测、事件记录、事故追忆等功能。利用本系统可以使技术专家能够随时监测系统的运行状态，掌握系统的运行情况，同时可以不亲临现场，在异地进行故障诊断，为电厂人员提供技术指导，为励磁系统的故障恢复节省时间和成本[1]。

1 系统架构

图1给出了励磁系统远程监控的实现方法，采用“分布式数据采集+云存储+智能远程终端”的系统架构。

图1 远程监控系统架构

通过分布式IO采集整流柜、灭磁保护柜的状态数据，双通道控制器采集调节柜及发电机机端信号、外部操作指令等外部数据。物联网关通过交换机获取双通道控制器、分布式IO的所有数据，并将数据上传到云端。远程终端访问云端获取数据，实现数据可视化，达到远程监控的目的。

该系统中，物联网关数据上云、远程终端从云端获取数据均可通过宽带、WIFI或4G网络实现，可满足不同现场需求。

该系统所使用的云，可以是阿里、百度、华为等公有云，也可以是自己构建的私有云，亦或是共有云+私有云的混合云，本文以百度云为例进行说明。

2 百度云申请

百度云是百度公司提供的公有云平台，于2015年正式开放运营。百度云包括天算、天像、天工3大智能平台，分别提供智能大数据、智能多媒体、智能物联网服务。

2.1 百度云物接入（IoT Hub）

百度云物接入（IoT Hub）是全托管的云服务，可以在智能设备与云端之间建立安全的双向连接，并通过主流的物联网协议（如MQTT）通信，快速实现物联网项目。

IoT Hub服务主要具备如下功能：

（1）从设备到云端以及从云端到设备安全稳定的进行大规模消息传输。

（2）进行设备认证与权限管理，并保证数据安全传输。

（3）支持多种语言开发，兼容主流硬件设备。

（4）与大数据服务无缝对接，以数据分析驱动业务进步。

百度云物接入服务支持MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）协议，基于发布 /订阅（Publish/Subscribe）模式更符合机器之间（Machine-to-Machine，M2M）的大规模沟通[2]。通过支持轻量级可扩展的MQTT，百度云物接入服务非常适合需要低功耗和网络带宽有限的IoT Hub场景。

2.2 百度云IoT Hub服务申请及配置

百度云物接入（IoT Hub）服务申请及配置步骤如下：

（1）进入 https：//login.bce.baidu.com/注册并登陆百度云账号。

（2）进入物接入（IoT Hub）服务界面，根据项目需要选择计费套餐，系统测试时可选择每月一百万条的免费套餐（图2）。

图2 物接入（IoT Hub）资费选择

（3）创建MQTT项目。连接IoT Hub服务需要创建一个项目（endpoint），一个endpoint表示一个完整的IoT Hub服务。一个完整的项目创建及配置过程为：进入IoT Hub→创建项目→创建用户→设置身份→设置策略→配置确认。

配置完成后会自动生成秘钥（图3），项目名、用户名及秘钥是数据接入和获取的重要标识。

图3 百度云用户实例

3 物联网关

远程监控系统采用的物联网关是一款基于RISC架构的智能无线工业网关。具备开放且稳健的平台设计，支持以太网有线通信及WIFI/3G/GPRS/4G无线通信方式，兼容多种工业标准通信协议，适合在工业、能源物联网相关分布式监测进行应用。该物联网关具有以下特点：

（1）透 过 Mini-PCIe接 口 支 持 GPRS，3G，4G，Wi-Fi接入（板载SIM卡插槽）；

（2）多协议 支 持：Modbus/RTU，Modbus/TCP，IEC-60870/104，DL_645等；

（3）Cortex A8 800MHz （TI AM3352）；

（4）256MB DDR3L RAM；

（5）2×Micro-SD 插槽（内置 1GB SD image卡）；

（6）1×USB 2.0；

（7）2×10/100MB 以太网接口；

（8）4×RS-232/485独立串口；

（9）RT Linux V3.12；

（10）支持壁挂式及DIN导轨式安装，方便灵活。

通过物联网关，可以很方便地将数据发布到云端。

4 上云数据配置

为了准确反映励磁系统及物联网关真实的运行状态，为故障预警、故障诊断提供真实有效的数据，为后期的大数据分析提供海量数据，远程监控系统采集了大量的数据。包括模拟量、开关量、系统状态、报警和故障信息、参数设置、程序中间变量和附加信息。

（1）模拟量：包括电网、发电机及励磁系统相关的模拟量，如系统电压、发电机机端电压、发电机机端电流、有功功率、无功功率、机组频率、机端电压给定值、励磁电流给定值、无功功率给定值、功率因数给定值、阳极电压、可控硅元件电流、功率柜出风口风温、励磁电压、励磁电流等。

（2）开关量：包括所有调节器外部输入控制量，如开机令、励磁投入、励磁切除、增磁、减磁、磁场断路器分闸、磁场断路器合闸、PSS投入、PSS切除、并网、95%转速信号等。

（3）系统状态：包括励磁系统及主要部件、器件的状态信息，如恒机端电压/恒励磁电流/恒无功功率/恒功率因数调节模式、A/B通道为主、PSS投入/退出状态、磁场断路器合闸/分闸状态、远方/现地操作模式等。

（4）报警和故障信息：包括系统所有的报警及故障信息，如PT断线、CT断线、同步电压丢失、调节器AD故障、启励失败、逆变失败、磁场过流限制/保护、磁场顶值限制、最小励磁电流限制、低励限制/保护、伏赫限制/保护、脉冲丢失、快熔熔断、可控硅支臂断流、磁场断路器误分、转子过电压保护动作等。

（5）参数设置：包括系统所有参数设定。如机组额定参数、调差系数、PID参数、PSS2B参数、PSS4B参数、旋转励磁机参数、电气制动参数、各限制器参数、各保护参数等。

（6）程序中间变量：包括一些能反映系统状态或能帮助技术人员进行故障分析的程序中间变量和程序计算值，如发电机功角、角速度、内电势、控制电压、PSS2B输出、PSS4B输出、各限制单元输出值、PID单元各环节输出值等。

（7）附加信息：包括控制器CPU负荷率、当前系统时间、励磁系统安装位置纬度、安装位置经度、安装位置海拔、物联网关CPU负荷率、内存使用率、移动信号强度、WLAN信号强度、电池电量等。

表1 远程监控系统采集的数据统计

5 远程终端进行监控的方式

远程监控系统采用B/S架构，通过WebAcess软件采用在云端获取数据并制作设备位置、实时数据、历史趋势、事件列表、参数设定、统计报表、故障录波等不同的监控画面（图4）进行Web发布，所有远程终端通过浏览器Web页面进行监控。B/S架构相对于传统的C/S架构具有以下优点：

图4 部分监控画面

（1）分布性：可以随时随地进行查询和浏览等业务。

（2）功能业务扩展方便：增加服务器的功能，就能增加浏览器端的功能。

（3）维护简单方便：改变服务器端数据即可以实现所有用户同步更新。

（4）开发简单，共享性强，成本低，数据可以持久存储在服务器端而不必担心数据的丢失。

6 结语

在新一轮电力改革政策以及能源互联网、智慧能源等技术政策引导下，在节能减排政策的要求和各发电集团集约化、高效管理的需求驱动下，集中智能管控、智慧决策将成为现实，智能发电成为新的发展方向。在此大背景下，励磁设备厂家均致力于提高励磁系统数字化、智能化水平，通过物联网、云计算、大数据等新的技术手段使系统具有智能监视、智能诊断、故障预警、智能录波、辅助决策、数据挖掘等功能，提升系统的智能化水平，为智能发电服务，为企业转型升级服务。

本文介绍了励磁系统智能化课题中的远程监控系统的云端化实现方式，包括系统架构、百度云物接入申请及配置、物联网关配置、上云数据配置。利用该系统，电厂运维人员可通过手机、PC、平板等终端随时随地掌握系统运行状态；厂家技术人员也能更准确地获知设备真实运行状态，并能在故障发生时及时、准确地提供技术指导。