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

安科瑞 陳聰

摘要：為解決電力行業(yè)智能監(jiān)控的信息化和自動化程度，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開展了物聯(lián)網(wǎng)電力監(jiān)控平臺的設(shè)計，完成了軟件需求設(shè)計和硬件初步設(shè)計，并進行了實例應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)：電力監(jiān)控實施分３個層級監(jiān)控，分別為安防監(jiān)控，運行環(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，運行環(huán)境監(jiān)測主要用于監(jiān)測電力設(shè)備室內(nèi)運行環(huán)境，檢修輔助包括熱點溫度監(jiān)測、形變監(jiān)測和避雷器狀態(tài)監(jiān)測。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、擴展需求、運行需求和安全需求５個方面入手，其中通過對終端數(shù)據(jù)進行分解，溫度傳感過程中需要設(shè)計４個模板：射頻模塊、繼電器、主控設(shè)備和溫度電流傳感器。文中設(shè)計的系統(tǒng)在電力智能監(jiān)控中具有一定應(yīng)用參考價值。

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、人與物之間實現(xiàn)信息的遠距離實時交流，并在此基礎(chǔ)上進行科學(xué)決斷和準(zhǔn)確管理。自從2010年度我國、提及“物聯(lián)網(wǎng)”概念后，國內(nèi)就物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用進行了全國性和戰(zhàn)略性的部署研究，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為各個行業(yè)全新的研究方向和焦點。作為未來清潔能源的主要驅(qū)動力，電能在5G技術(shù)普及后的需求量會進一步變大，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)略的一個重要落腳點。

國家的主要研究方向為家庭電網(wǎng)智能化。目前科羅拉多軸的波爾德市是先實現(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)投入運行。除美國外，日本、歐洲各國同樣進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、紅外測溫以及設(shè)備漏電等進行電網(wǎng)狀態(tài)智能監(jiān)控研究。我國近幾年部分學(xué)者同樣進行了一些物聯(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，使得電網(wǎng)通信更為有效；高娟等建立了虛擬電感設(shè)計在電網(wǎng)監(jiān)控中的應(yīng)用實踐；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)并進行了實踐應(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)實需求想聯(lián)系，通過對各種傳感器的集成方法以及軟件的實現(xiàn)過程進行研究，搭建了一個智能電網(wǎng)監(jiān)控平臺并進行了實踐運用。

二、物聯(lián)網(wǎng)電力監(jiān)控實施方案

分析電網(wǎng)智能監(jiān)控中所需要的實際場景，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠為電網(wǎng)所能提供的便利，將系統(tǒng)中與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合為緊密的功能進行分解，本文分析認為研究的重心主要分為3個主要部分：安防監(jiān)控、運行環(huán)境監(jiān)測和智能輔修，如圖1所示。

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

安防監(jiān)控層：安防監(jiān)控層主要實現(xiàn)的是數(shù)據(jù)收集工作，該層級處在智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的末層級，通過一些列感知設(shè)備和通信設(shè)施來實現(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)控中的場景，初步確定安防監(jiān)控項目包括視頻監(jiān)控、電子圍欄監(jiān)控和消防監(jiān)控。

運行環(huán)境監(jiān)測層：運行環(huán)境監(jiān)測主要用于監(jiān)測電力設(shè)備室內(nèi)運行環(huán)境，室內(nèi)溫濕度監(jiān)測傳感器用于監(jiān)測環(huán)境的適宜程度，氣體監(jiān)測用于感知氣體成分和濃度，水浸監(jiān)測用于發(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)，并通過計算獲取檢修建議，檢修輔助包括熱點溫度監(jiān)測、形變監(jiān)測和避雷器狀態(tài)監(jiān)測。

三、監(jiān)控系統(tǒng)平臺設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控實施方案對電網(wǎng)運行過程中的所收集的數(shù)據(jù)無法進行處理，需要建立一個完善的監(jiān)控數(shù)據(jù)處理程序，只有這樣才能及時的反應(yīng)電網(wǎng)設(shè)備目前的運行狀態(tài)和檢修狀況。本文的系統(tǒng)監(jiān)控平臺設(shè)計分為軟件設(shè)計和硬件設(shè)計兩部分，通過系統(tǒng)需求分析和硬件設(shè)計參數(shù)建立和完善了該預(yù)警平臺。

3.1 軟件設(shè)計

（1）功能需求分析

從電力智能監(jiān)控設(shè)計角度出發(fā)，分析電力物聯(lián)網(wǎng)所需要實現(xiàn)的功能基本框架，其目標(biāo)在確保電力運營正常并且降低電網(wǎng)不必要的損耗。從根本上分析智能電網(wǎng)監(jiān)控需要實現(xiàn)3個層級的功能，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)控軟件平臺需要初步實現(xiàn)5個基本功能，如圖2所示。

圖2 智能監(jiān)控軟件平臺功能

Ａ．?dāng)?shù)據(jù)采集功能：基于串口通信方式，實時收集各個傳感器的溫度、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算機設(shè)備，通過顯示屏展示實時監(jiān)控；

Ｃ．?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計功能：通過存儲器調(diào)取過往監(jiān)控信息，對各種數(shù)字信息進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)潛在隱患；

Ｄ．平臺管理功能：監(jiān)控每個監(jiān)控節(jié)點的運行狀況，并進行實施反饋和統(tǒng)一管理；

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

（2）性能需求分析

電網(wǎng)設(shè)備運行周期長，從系統(tǒng)的軟硬件具體實現(xiàn)功能為出發(fā)點，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)在運行各種軟件不發(fā)生崩潰和傳輸效率問題。

（3）擴展需求分析

電力監(jiān)控設(shè)備處于初步設(shè)計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)平臺設(shè)計過程中需要考慮到未來更多的擴展需求和多變量接口。在確保信息傳輸不受影響并穩(wěn)定運行，在未來業(yè)務(wù)擴展過程中，系統(tǒng)依然不改變原有架構(gòu)，與上層應(yīng)用進行準(zhǔn)確銜接。

（4）運行需求分析

系統(tǒng)運行需要具有良好的跨平臺適用性和*特運行能力，在不改變原有系統(tǒng)代碼的情況下能夠在不同操心系統(tǒng)平臺運行并處理數(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

（1）溫度傳感硬件設(shè)計

以溫度傳感器為例，通過對終端數(shù)據(jù)進行分解，溫度傳感過程中需要設(shè)計４個模板：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)計環(huán)節(jié)具體的數(shù)據(jù)采集流程為信號采集、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)點控制器獲取到控制信號后，繼電器模塊開始工作，判斷是否關(guān)閉整個高壓設(shè)備開關(guān)。其工作流程設(shè)計圖，如圖3所示。

圖3 無線傳感器硬件工作設(shè)計流程

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)計方案包括集成電路型傳感器（型號DS18B50，用于數(shù)據(jù)收集）、三相電能測量芯片（型號SA990B02，用于測量電纜線的通過電流）以及繼電傳感器（型號G10V-2，用于控制開關(guān)工作狀態(tài)）。

詳細來說，就是在零下溫度中放置一個減法計算器和溫度寄存器，通過觀察某一個數(shù)值。試驗過程如下，當(dāng)減法計算器數(shù)值為1時，低溫情況下愛脈沖信號是減弱的；當(dāng)減法計數(shù)器數(shù)值為0時，計數(shù)器和寄存器同時開始變化，溫度計數(shù)器的數(shù)值和減法計數(shù)器同事升高。當(dāng)減法計數(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:測溫范圍大；d:并網(wǎng)組網(wǎng)過程中可以多點測量。同時該傳感器還能夠在系統(tǒng)的幫助先實現(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

本文所設(shè)計的無線傳輸模塊選擇ME3760模塊，為了實現(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，同時滿足對數(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（圖4）傳感器需要具備如下性能指標(biāo)：溫度在-55～125℃測溫范圍，電源可以選擇3～5V電源，終端控制器可以并聯(lián)多個傳感器實現(xiàn)同時測溫，傳感器無需獨立外援模塊獨立運作，體積小適合多種試驗場所。

四、實例應(yīng)用

4.1 界面功能設(shè)計

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

圖5 系統(tǒng)平臺操作界面

若用戶名和密碼不相匹配，則系統(tǒng)自動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

本文的研究采用Swing程序設(shè)計系統(tǒng)的信息傳輸功能。該程序作為一個線程，能夠?qū)崿F(xiàn)所有線程的特點，主要分為3個階段，首行線程初始化，然后進行事件調(diào)度線程，若不影響程序運行，則進行事件調(diào)度工作。Swing程序主要進行任務(wù)線程調(diào)度和通信，可以較好的處理各個線程之間的通信關(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)點通信方面具有非常高的效率。本文通過在SwingWorker中定義類對象的方式去實現(xiàn)多線程工作，具體實現(xiàn)代碼如下。

4.3 數(shù)據(jù)分析設(shè)計

系統(tǒng)內(nèi)置監(jiān)測預(yù)警程序，通過在界面點擊需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)，那么管理系統(tǒng)將會給中間節(jié)點發(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，將會調(diào)取傳感器數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)計分析，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)自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發(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)用電力自動化技術(shù)、計算機技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，集保護、監(jiān)測、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及以下電壓等級的城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)變電站和用戶變電站，可實現(xiàn)對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)濟運行提供了堅實的保障。

5.2 應(yīng)用場所

1. 辦公建筑（商務(wù)辦公、機關(guān)辦公建筑等）

2. 商業(yè)建筑（商場、金融機構(gòu)建筑等）

3. 旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）

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. 交通運輸建筑（機場、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，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和現(xiàn)場設(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

應(yīng)用場合

型號

保護功能

系統(tǒng)解決方案

10kV

分配電所

進饋線/廠用變

PT監(jiān)測

AM4-I

AM4-U

三段式定時限過流保護、反時限過流保護、零序過流保護、零序過壓保護、非電量保

護、低電壓保護、過電壓保護、過負荷保護、斷路器遙控分合閘、故障錄波

低電壓警告、PT斷線告警、過電壓告警、零序過壓告警

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化監(jiān)測過程需要實現(xiàn)的監(jiān)測方案，就物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計方案和硬件設(shè)計方案進行了詳細分析，并進行了實例應(yīng)用，得到如下結(jié)論。

（1）電力監(jiān)控需要實施三個層級的監(jiān)控策略，分別為安防監(jiān)控，運行環(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，運行環(huán)境監(jiān)測主要用于監(jiān)測電力設(shè)備室內(nèi)運行環(huán)境，檢修輔助包括熱點溫度監(jiān)測、形變監(jiān)測和避雷器狀態(tài)監(jiān)測。

（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、擴展需求、運行需求和安全需求5個方面入手，其中通過對終端數(shù)據(jù)進行分解，溫度傳感過程中需要設(shè)計4個模板：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)計環(huán)節(jié)具體的數(shù)據(jù)采集流程為信號采集、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

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