淺談物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力監(jiān)控系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：為解決電力行業(yè)智能監(jiān)控的信息化和自動(dòng)化程度，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開展了物聯(lián)網(wǎng)電力監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)，完成了軟件需求設(shè)計(jì)和硬件初步設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)：電力監(jiān)控實(shí)施分３個(gè)層級(jí)監(jiān)控，分別為安防監(jiān)控，運(yùn)行環(huán)境監(jiān)控和智能檢修輔助監(jiān)控。安防監(jiān)控主要包括視頻監(jiān)控、電子圍欄監(jiān)控和消防監(jiān)控，運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)主要用于監(jiān)測(cè)電力設(shè)備室內(nèi)運(yùn)行環(huán)境，檢修輔助包括熱點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)、形變監(jiān)測(cè)和避雷器狀態(tài)監(jiān)測(cè)。物聯(lián)網(wǎng)電力的智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)從功能需求分析、性能需求分析、擴(kuò)展需求、運(yùn)行需求和安全需求５個(gè)方面入手，其中通過對(duì)終端數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，溫度傳感過程中需要設(shè)計(jì)４個(gè)模板：射頻模塊、繼電器、主控設(shè)備和溫度電流傳感器。文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在電力智能監(jiān)控中具有一定應(yīng)用參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電力監(jiān)控;智能變電站;監(jiān)控系統(tǒng);電力監(jiān)控系統(tǒng)

一、前言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是近年來基于互聯(lián)網(wǎng)和5G通信技術(shù)所提出來的一種通過智能監(jiān)控設(shè)備與智能感知技術(shù)相結(jié)合并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜录夹g(shù)手段。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠使得物與物、人與物之間實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)交流，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)決斷和準(zhǔn)確管理。自從2010年度我國(guó)、提及“物聯(lián)網(wǎng)”概念后，國(guó)內(nèi)就物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行了全國(guó)性和戰(zhàn)略性的部署研究，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為各個(gè)行業(yè)全新的研究方向和焦點(diǎn)。作為未來清潔能源的主要驅(qū)動(dòng)力，電能在5G技術(shù)普及后的需求量會(huì)進(jìn)一步變大，如何發(fā)展效率安全的電力供應(yīng)方式，避免未來出現(xiàn)局部電力短缺現(xiàn)象是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一個(gè)重要落腳點(diǎn)。

國(guó)家的主要研究方向?yàn)榧彝ル娋W(wǎng)智能化。目前科羅拉多軸的波爾德市是先實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化的城市，各類只能傳感器已經(jīng)在家庭中得到安裝部署并陸續(xù)投入運(yùn)行。除美國(guó)外，日本、歐洲各國(guó)同樣進(jìn)行了較為深入的電網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)研究，例如日本東京大學(xué)就多種傳感器例如覆冰絕緣子、紅外測(cè)溫以及設(shè)備漏電等進(jìn)行電網(wǎng)狀態(tài)智能監(jiān)控研究。我國(guó)近幾年部分學(xué)者同樣進(jìn)行了一些物聯(lián)網(wǎng)電力研究，例如，丁寬基于GIM技術(shù)建立了電網(wǎng)信息共享平臺(tái)，使得電網(wǎng)通信更為有效；高娟等建立了虛擬電感設(shè)計(jì)在電網(wǎng)監(jiān)控中的應(yīng)用實(shí)踐；曲燦武研究了Zigee技術(shù)的特征，用于電網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)分析；張軒濤等建立了10KV變電站的物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)并進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。

但是，現(xiàn)有的研究成果大多數(shù)基于理論分析和軟件模擬，缺乏實(shí)踐應(yīng)用，并且物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)電力智能監(jiān)控中的應(yīng)用成果較為少見。本文在分析了智能電網(wǎng)應(yīng)用情景的基礎(chǔ)上，將智能電力監(jiān)控架空與現(xiàn)實(shí)需求想聯(lián)系，通過對(duì)各種傳感器的集成方法以及軟件的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行研究，搭建了一個(gè)智能電網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)并進(jìn)行了實(shí)踐運(yùn)用。

二、物聯(lián)網(wǎng)電力監(jiān)控實(shí)施方案

分析電網(wǎng)智能監(jiān)控中所需要的實(shí)際場(chǎng)景，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?yàn)殡娋W(wǎng)所能提供的便利，將系統(tǒng)中與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合為緊密的功能進(jìn)行分解，本文分析認(rèn)為研究的重心主要分為3個(gè)主要部分：安防監(jiān)控、運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)和智能輔修，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

安防監(jiān)控層：安防監(jiān)控層主要實(shí)現(xiàn)的是數(shù)據(jù)收集工作，該層級(jí)處在智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的末層級(jí)，通過一些列感知設(shè)備和通信設(shè)施來實(shí)現(xiàn)，是物聯(lián)網(wǎng)信息感知必不能少的部分。通過分析電網(wǎng)監(jiān)控中的場(chǎng)景，初步確定安防監(jiān)控項(xiàng)目包括視頻監(jiān)控、電子圍欄監(jiān)控和消防監(jiān)控。

運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)層：運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)主要用于監(jiān)測(cè)電力設(shè)備室內(nèi)運(yùn)行環(huán)境，室內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)傳感器用于監(jiān)測(cè)環(huán)境的適宜程度，氣體監(jiān)測(cè)用于感知?dú)怏w成分和濃度，水浸監(jiān)測(cè)用于發(fā)現(xiàn)可能的漏水情況。

智能檢修輔助層：智能檢修輔助為電網(wǎng)檢修人員提供檢修之前的須檢修數(shù)據(jù)，并通過計(jì)算獲取檢修建議，檢修輔助包括熱點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)、形變監(jiān)測(cè)和避雷器狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

三、監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控實(shí)施方案對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行過程中的所收集的數(shù)據(jù)無法進(jìn)行處理，需要建立一個(gè)完善的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理程序，只有這樣才能及時(shí)的反應(yīng)電網(wǎng)設(shè)備目前的運(yùn)行狀態(tài)和檢修狀況。本文的系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)分為軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)兩部分，通過系統(tǒng)需求分析和硬件設(shè)計(jì)參數(shù)建立和完善了該預(yù)警平臺(tái)。

3.1 軟件設(shè)計(jì)

（1）功能需求分析

從電力智能監(jiān)控設(shè)計(jì)角度出發(fā)，分析電力物聯(lián)網(wǎng)所需要實(shí)現(xiàn)的功能基本框架，其目標(biāo)在確保電力運(yùn)營(yíng)正常并且降低電網(wǎng)不必要的損耗。從根本上分析智能電網(wǎng)監(jiān)控需要實(shí)現(xiàn)3個(gè)層級(jí)的功能，設(shè)備監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和系統(tǒng)分析層。因此，本文初步分析該智能監(jiān)控軟件平臺(tái)需要初步實(shí)現(xiàn)5個(gè)基本功能，如圖2所示。

圖2 智能監(jiān)控軟件平臺(tái)功能

Ａ．?dāng)?shù)據(jù)采集功能：基于串口通信方式，實(shí)時(shí)收集各個(gè)傳感器的溫度、濕度、視頻等綜合信息；

Ｂ．?dāng)?shù)據(jù)顯示功能：將設(shè)備所收集到的綜合信息處理后接入計(jì)算機(jī)設(shè)備，通過顯示屏展示實(shí)時(shí)監(jiān)控；

Ｃ．?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能：通過存儲(chǔ)器調(diào)取過往監(jiān)控信息，對(duì)各種數(shù)字信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)潛在隱患；

Ｄ．平臺(tái)管理功能：監(jiān)控每個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀況，并進(jìn)行實(shí)施反饋和統(tǒng)一管理；

Ｅ．監(jiān)控預(yù)警功能：對(duì)每種監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和綜合監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過模擬設(shè)定一定的安全監(jiān)控值范圍，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常值并預(yù)警。

（2）性能需求分析

電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行周期長(zhǎng)，從系統(tǒng)的軟硬件具體實(shí)現(xiàn)功能為出發(fā)點(diǎn)，系統(tǒng)在使用過程中需要穩(wěn)定的工作環(huán)境和硬件支撐，因此對(duì)于硬件的基本性能要求要比一般設(shè)備要高，確保系統(tǒng)在運(yùn)行各種軟件不發(fā)生崩潰和傳輸效率問題。

（3）擴(kuò)展需求分析

電力監(jiān)控設(shè)備處于初步設(shè)計(jì)階段和不斷完善的階段，傳統(tǒng)的電力設(shè)備改造難道大、成本高，因此在該系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)過程中需要考慮到未來更多的擴(kuò)展需求和多變量接口。在確保信息傳輸不受影響并穩(wěn)定運(yùn)行，在未來業(yè)務(wù)擴(kuò)展過程中，系統(tǒng)依然不改變?cè)屑軜?gòu)，與上層應(yīng)用進(jìn)行準(zhǔn)確銜接。

（4）運(yùn)行需求分析

系統(tǒng)運(yùn)行需要具有良好的跨平臺(tái)適用性和*特運(yùn)行能力，在不改變?cè)邢到y(tǒng)代碼的情況下能夠在不同操心系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)行并處理數(shù)據(jù)。

（5）安全需求分析

電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性不容忽視，系統(tǒng)需要具備完備的管理員和用戶操作權(quán)限方案，數(shù)據(jù)傳輸需要采取加密手段提升數(shù)據(jù)安全性，并且能夠抵御一般病毒攻擊。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

（1）溫度傳感硬件設(shè)計(jì)

以溫度傳感器為例，通過對(duì)終端數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，溫度傳感過程中需要設(shè)計(jì)４個(gè)模板：射頻模塊、繼電器、主控設(shè)備和溫度電流傳感器。由于電力設(shè)備故障通常表現(xiàn)為電流變大設(shè)備溫度升高的現(xiàn)象，因此在傳感器硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)具體的數(shù)據(jù)采集流程為信號(hào)采集、數(shù)據(jù)Zigbee傳輸、數(shù)據(jù)集成處理、數(shù)據(jù)上傳控制模塊。節(jié)點(diǎn)控制器獲取到控制信號(hào)后，繼電器模塊開始工作，判斷是否關(guān)閉整個(gè)高壓設(shè)備開關(guān)。其工作流程設(shè)計(jì)圖，如圖3所示。

圖3 無線傳感器硬件工作設(shè)計(jì)流程

傳感器模塊是獲取關(guān)鍵信息的第一步，將不同的傳感器布置在系統(tǒng)中發(fā)揮的作用是不同的，本文的設(shè)計(jì)方案包括集成電路型傳感器（型號(hào)DS18B50，用于數(shù)據(jù)收集）、三相電能測(cè)量芯片（型號(hào)SA990B02，用于測(cè)量電纜線的通過電流）以及繼電傳感器（型號(hào)G10V-2，用于控制開關(guān)工作狀態(tài)）。

詳細(xì)來說，就是在零下溫度中放置一個(gè)減法計(jì)算器和溫度寄存器，通過觀察某一個(gè)數(shù)值。試驗(yàn)過程如下，當(dāng)減法計(jì)算器數(shù)值為1時(shí)，低溫情況下愛脈沖信號(hào)是減弱的；當(dāng)減法計(jì)數(shù)器數(shù)值為0時(shí)，計(jì)數(shù)器和寄存器同時(shí)開始變化，溫度計(jì)數(shù)器的數(shù)值和減法計(jì)數(shù)器同事升高。當(dāng)減法計(jì)數(shù)器的數(shù)值１開始緩慢上升過程總，溫度寄存器不再發(fā)生變化，數(shù)據(jù)測(cè)試工程中溫度寄存器中的數(shù)值是傳送至CC2530通信引腳上去。

其中數(shù)字溫度傳感器具有如下功能：a:數(shù)據(jù)采集過程的雙向傳輸；b:接口通用；c:測(cè)溫范圍大；d:并網(wǎng)組網(wǎng)過程中可以多點(diǎn)測(cè)量。同時(shí)該傳感器還能夠在系統(tǒng)的幫助先實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無損傳輸和保密傳輸。

（2）無線傳輸硬件電路設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的無線傳輸模塊選擇ME3760模塊，為了實(shí)現(xiàn)入網(wǎng)效率、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和ＬＥＴ數(shù)據(jù)的高性能無線傳輸，同時(shí)滿足對(duì)數(shù)據(jù)和IP協(xié)議，本的硬件設(shè)備采用USB接口，并與S3C2240芯片相結(jié)合，其基本電路原理，如圖4所示。

圖4 無線傳輸模塊電力和設(shè)備

該DS18B20型號(hào)（圖4）傳感器需要具備如下性能指標(biāo)：溫度在-55～125℃測(cè)溫范圍，電源可以選擇3～5V電源，終端控制器可以并聯(lián)多個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)溫，傳感器無需獨(dú)立外援模塊獨(dú)立運(yùn)作，體積小適合多種試驗(yàn)場(chǎng)所。

四、實(shí)例應(yīng)用

4.1 界面功能設(shè)計(jì)

本文的監(jiān)控界面設(shè)計(jì)中首先需要進(jìn)入用戶登錄環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)中每個(gè)用戶均具有完整的信息屬性和操作權(quán)限，并為每個(gè)用戶設(shè)定了用戶名和密碼。程序進(jìn)入后進(jìn)行初始化操作，其中第1/3/5按鈕不能同時(shí)使用，然后利用Login類進(jìn)行實(shí)例化操作。實(shí)例化完成后搭建登錄框架并居中顯示。每次登錄系統(tǒng)均需要進(jìn)行用戶名和密碼輸入，若兩者相匹配則開始運(yùn)行工作程序，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)平臺(tái)操作界面

若用戶名和密碼不相匹配，則系統(tǒng)自動(dòng)回到填寫用戶名和密碼的節(jié)目，直至匹配為止。

4.2 傳輸功能設(shè)計(jì)

本文的研究采用Swing程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)的信息傳輸功能。該程序作為一個(gè)線程，能夠?qū)崿F(xiàn)所有線程的特點(diǎn)，主要分為3個(gè)階段，首行線程初始化，然后進(jìn)行事件調(diào)度線程，若不影響程序運(yùn)行，則進(jìn)行事件調(diào)度工作。Swing程序主要進(jìn)行任務(wù)線程調(diào)度和通信，可以較好的處理各個(gè)線程之間的通信關(guān)系，并且不影響相互協(xié)作，在處理管理系統(tǒng)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)通信方面具有非常高的效率。本文通過在SwingWorker中定義類對(duì)象的方式去實(shí)現(xiàn)多線程工作，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下。

4.3 數(shù)據(jù)分析設(shè)計(jì)

系統(tǒng)內(nèi)置監(jiān)測(cè)預(yù)警程序，通過在界面點(diǎn)擊需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)，那么管理系統(tǒng)將會(huì)給中間節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，通過*聽8891端口創(chuàng)建服務(wù)器指令，若指令判斷可以*聽，將會(huì)調(diào)取傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖6所示。

圖6 電網(wǎng)智能監(jiān)控分析界面

若*聽指令并未得到反饋，判斷系統(tǒng)無法*聽設(shè)備，則打開按鍵Socket，等待系統(tǒng)判斷是否重新發(fā)出指令，若依然無法獲取準(zhǔn)確指令數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)提示問題，程序運(yùn)行結(jié)束。

五、安科瑞電力監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品介紹與選型

5.1 概述

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)是安科瑞電氣股份有限公司根據(jù)電力系統(tǒng)自動(dòng)化及無人值守的要求，針對(duì)35kV及以下電壓等級(jí)研發(fā)出的一套分層分布式變電站監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是應(yīng)用電力自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，集保護(hù)、監(jiān)測(cè)、控制、通信等多功能于一體的開放式、網(wǎng)絡(luò)化、單元化、組態(tài)化的系統(tǒng)，適用于35kV及以下電壓等級(jí)的城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)變電站和用戶變電站，可實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站方位的控制和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為變電站安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

5.2 應(yīng)用場(chǎng)所

1. 辦公建筑（商務(wù)辦公、機(jī)關(guān)辦公建筑等）

2. 商業(yè)建筑（商場(chǎng)、金融機(jī)構(gòu)建筑等）

3. 旅游建筑（賓館飯店、娛樂場(chǎng)所等）

4. 科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑）

5. 通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數(shù)據(jù)中心等）

6. 交通運(yùn)輸建筑（機(jī)場(chǎng)、車站、碼頭建筑等）

7. 廠礦企業(yè)建筑（石油、化工、水泥、煤炭、鋼鐵等）

8. 新能源建筑（光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等）

5.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Acrel-2000Z電力監(jiān)控系統(tǒng)釆用分層分布式設(shè)計(jì)，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，組網(wǎng)方式可為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、光纖星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)用戶用電規(guī)模、用電設(shè)備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。

5.4 設(shè)備選型

電力監(jiān)控系統(tǒng)

Acrel-2000Z

可建立配電網(wǎng)絡(luò)一次系統(tǒng)圖，模擬配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無人值班模式；根據(jù)順序事件記錄、波形記錄、故障錄波，協(xié)助運(yùn)維人員實(shí)現(xiàn)快速故障分析、定位和排除問題，盡量縮短停電時(shí)間；實(shí)時(shí)采集各回路、設(shè)備的電流、電壓、功率、電能以及諧波、電壓波動(dòng)等參數(shù)，對(duì)配電系統(tǒng)和用電設(shè)備進(jìn)行用能分析和能效管理。

六、結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為電力智能化和信息化發(fā)展提供了全新的發(fā)展方向，本文通過分析電力自動(dòng)化監(jiān)測(cè)過程需要實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)方案，就物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案和硬件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)分析，并進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用，得到如下結(jié)論。

（1）電力監(jiān)控需要實(shí)施三個(gè)層級(jí)的監(jiān)控策略，分別為安防監(jiān)控，運(yùn)行環(huán)境監(jiān)控和智能檢修輔助監(jiān)控。其中安防監(jiān)控主要包括視頻監(jiān)控、電子圍欄監(jiān)控和消防監(jiān)控，運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)主要用于監(jiān)測(cè)電力設(shè)備室內(nèi)運(yùn)行環(huán)境，檢修輔助包括熱點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)、形變監(jiān)測(cè)和避雷器狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

（2）物聯(lián)網(wǎng)電力只能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)從功能需求分析、性能需求分析、擴(kuò)展需求、運(yùn)行需求和安全需求5個(gè)方面入手，其中通過對(duì)終端數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，溫度傳感過程中需要設(shè)計(jì)4個(gè)模板：射頻模塊、繼電器、主控設(shè)備和溫度電流傳感器。由于電力設(shè)備故障通常表現(xiàn)為電流變大設(shè)備溫度升高的現(xiàn)象，因此在傳感器硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)具體的數(shù)據(jù)采集流程為信號(hào)采集、數(shù)據(jù)ZigBee傳輸、數(shù)據(jù)集成處理、數(shù)據(jù)上傳控制模塊。

參考文獻(xiàn)

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