物聯網技術在電力監控係統中的設計與應用

hth下载地址 陳聰

摘要：為(wei) 解決(jue) 電力行業(ye) 智能監控的信息化和自動化程度，基於(yu) 物聯網技術，開展了物聯網電力監控平台的設計，完成了軟件需求設計和硬件初步設計，並進行了實例應用。研究發現：電力監控實施分３個(ge) 層級監控，分別為(wei) 安防監控，運行環境監控和智能檢修輔助監控。安防監控主要包括視頻監控、電子圍欄監控和消防監控，運行環境監測主要用於(yu) 監測電力設備室內(nei) 運行環境，檢修輔助包括熱點溫度監測、形變監測和避雷器狀態監測。物聯網電力的智能監控係統應從(cong) 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(ge) 方麵入手，其中通過對終端數據進行分解，溫度傳(chuan) 感過程中需要設計４個(ge) 模板：射頻模塊、繼電器、主控設備和溫度電流傳(chuan) 感器。文中設計的係統在電力智能監控中具有一定應用參考價(jia) 值。

關(guan) 鍵詞：電力監控;智能變電站;監控係統;電力監控係統

一、前言

物聯網技術是近年來基於(yu) 互聯網和5G通信技術所提出來的一種通過智能監控設備與(yu) 智能感知技術相結合並進行數據傳(chuan) 輸的全新技術手段。通過物聯網技術，能夠使得物與(yu) 物、人與(yu) 物之間實現信息的遠距離實時交流，並在此基礎上進行科學決(jue) 斷和準確管理。自從(cong) 2010年度我國、提及“物聯網”概念後，國內(nei) 就物聯網相關(guan) 技術和應用進行了全國性和戰略性的部署研究，物聯網技術成為(wei) 各個(ge) 行業(ye) 全新的研究方向和焦點。作為(wei) 未來清潔能源的主要驅動力，電能在5G技術普及後的需求量會(hui) 進一步變大，如何發展效率安全的電力供應方式，避免未來出現局部電力短缺現象是可持續發展戰略的一個(ge) 重要落腳點。

國家的主要研究方向為(wei) 家庭電網智能化。目前科羅拉多軸的波爾德市是先實現電網智能化的城市，各類隻能傳(chuan) 感器已經在家庭中得到安裝部署並陸續投入運行。除美國外，日本、歐洲各國同樣進行了較為(wei) 深入的電網監控技術研究，例如日本東(dong) 京大學就多種傳(chuan) 感器例如覆冰絕緣子、紅外測溫以及設備漏電等進行電網狀態智能監控研究。我國近幾年部分學者同樣進行了一些物聯網電力研究，例如，丁寬基於(yu) GIM技術建立了電網信息共享平台，使得電網通信更為(wei) 有效；高娟等建立了虛擬電感設計在電網監控中的應用實踐；曲燦武研究了Zigee技術的特征，用於(yu) 電網監控技術分析；張軒濤等建立了10KV變電站的物聯網控製技術並進行了實踐應用。

但是，現有的研究成果大多數基於(yu) 理論分析和軟件模擬，缺乏實踐應用，並且物聯網技術電力智能監控中的應用成果較為(wei) 少見。本文在分析了智能電網應用情景的基礎上，將智能電力監控架空與(yu) 現實需求想聯係，通過對各種傳(chuan) 感器的集成方法以及軟件的實現過程進行研究，搭建了一個(ge) 智能電網監控平台並進行了實踐運用。

二、物聯網電力監控實施方案

分析電網智能監控中所需要的實際場景，並結合物聯網技術能夠為(wei) 電網所能提供的便利，將係統中與(yu) 物聯網技術結合為(wei) 緊密的功能進行分解，本文分析認為(wei) 研究的重心主要分為(wei) 3個(ge) 主要部分：安防監控、運行環境監測和智能輔修，如圖1所示。

圖1 物聯網電力監控係統設計方案

安防監控層：安防監控層主要實現的是數據收集工作，該層級處在智能電網監控係統的末層級，通過一些列感知設備和通信設施來實現，是物聯網信息感知必不能少的部分。通過分析電網監控中的場景，初步確定安防監控項目包括視頻監控、電子圍欄監控和消防監控。

運行環境監測層：運行環境監測主要用於(yu) 監測電力設備室內(nei) 運行環境，室內(nei) 溫濕度監測傳(chuan) 感器用於(yu) 監測環境的適宜程度，氣體(ti) 監測用於(yu) 感知氣體(ti) 成分和濃度，水浸監測用於(yu) 發現可能的漏水情況。

智能檢修輔助層：智能檢修輔助為(wei) 電網檢修人員提供檢修之前的須檢修數據，並通過計算獲取檢修建議，檢修輔助包括熱點溫度監測、形變監測和避雷器狀態監測。

三、監控係統平台設計

物聯網監控實施方案對電網運行過程中的所收集的數據無法進行處理，需要建立一個(ge) 完善的監控數據處理程序，隻有這樣才能及時的反應電網設備目前的運行狀態和檢修狀況。本文的係統監控平台設計分為(wei) 軟件設計和硬件設計兩(liang) 部分，通過係統需求分析和硬件設計參數建立和完善了該預警平台。

3.1 軟件設計

（1）功能需求分析

從(cong) 電力智能監控設計角度出發，分析電力物聯網所需要實現的功能基本框架，其目標在確保電力運營正常並且降低電網不必要的損耗。從(cong) 根本上分析智能電網監控需要實現3個(ge) 層級的功能，設備監控層、網絡傳(chuan) 輸層和係統分析層。因此，本文初步分析該智能監控軟件平台需要初步實現5個(ge) 基本功能，如圖2所示。

圖2 智能監控軟件平台功能

Ａ．數據采集功能：基於(yu) 串口通信方式，實時收集各個(ge) 傳(chuan) 感器的溫度、濕度、視頻等綜合信息；

Ｂ．數據顯示功能：將設備所收集到的綜合信息處理後接入計算機設備，通過顯示屏展示實時監控；

Ｃ．數據統計功能：通過存儲(chu) 器調取過往監控信息，對各種數字信息進行統計分析發現潛在隱患；

Ｄ．平台管理功能：監控每個(ge) 監控節點的運行狀況，並進行實施反饋和統一管理；

Ｅ．監控預警功能：對每種監控數據和綜合監控數據通過模擬設定一定的安全監控值範圍，及時發現異常值並預警。

（2）性能需求分析

電網設備運行周期長，從(cong) 係統的軟硬件具體(ti) 實現功能為(wei) 出發點，係統在使用過程中需要穩定的工作環境和硬件支撐，因此對於(yu) 硬件的基本性能要求要比一般設備要高，確保係統在運行各種軟件不發生崩潰和傳(chuan) 輸效率問題。

（3）擴展需求分析

電力監控設備處於(yu) 初步設計階段和不斷完善的階段，傳(chuan) 統的電力設備改造難道大、成本高，因此在該係統平台設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(chuan) 輸不受影響並穩定運行，在未來業(ye) 務擴展過程中，係統依然不改變原有架構，與(yu) 上層應用進行準確銜接。

（4）運行需求分析

係統運行需要具有良好的跨平台適用性和*特運行能力，在不改變原有係統代碼的情況下能夠在不同操心係統平台運行並處理數據。

（5）安全需求分析

電網係統的安全性不容忽視，係統需要具備完備的管理員和用戶操作權限方案，數據傳(chuan) 輸需要采取加密手段提升數據安全性，並且能夠抵禦一般病毒攻擊。

3.2 硬件設計

（1）溫度傳(chuan) 感硬件設計

以溫度傳(chuan) 感器為(wei) 例，通過對終端數據進行分解，溫度傳(chuan) 感過程中需要設計４個(ge) 模板：射頻模塊、繼電器、主控設備和溫度電流傳(chuan) 感器。由於(yu) 電力設備故障通常表現為(wei) 電流變大設備溫度升高的現象，因此在傳(chuan) 感器硬件設計環節具體(ti) 的數據采集流程為(wei) 信號采集、數據Zigbee傳(chuan) 輸、數據集成處理、數據上傳(chuan) 控製模塊。節點控製器獲取到控製信號後，繼電器模塊開始工作，判斷是否關(guan) 閉整個(ge) 高壓設備開關(guan) 。其工作流程設計圖，如圖3所示。

圖3 無線傳(chuan) 感器硬件工作設計流程

傳(chuan) 感器模塊是獲取關(guan) 鍵信息的第一步，將不同的傳(chuan) 感器布置在係統中發揮的作用是不同的，本文的設計方案包括集成電路型傳(chuan) 感器（型號DS18B50，用於(yu) 數據收集）、三相電能測量芯片（型號SA990B02，用於(yu) 測量電纜線的通過電流）以及繼電傳(chuan) 感器（型號G10V-2，用於(yu) 控製開關(guan) 工作狀態）。

詳細來說，就是在零下溫度中放置一個(ge) 減法計算器和溫度寄存器，通過觀察某一個(ge) 數值。試驗過程如下，當減法計算器數值為(wei) 1時，低溫情況下愛脈衝(chong) 信號是減弱的；當減法計數器數值為(wei) 0時，計數器和寄存器同時開始變化，溫度計數器的數值和減法計數器同事升高。當減法計數器的數值１開始緩慢上升過程總，溫度寄存器不再發生變化，數據測試工程中溫度寄存器中的數值是傳(chuan) 送至CC2530通信引腳上去。

其中數字溫度傳(chuan) 感器具有如下功能：a:數據采集過程的雙向傳(chuan) 輸；b:接口通用；c:測溫範圍大；d:並網組網過程中可以多點測量。同時該傳(chuan) 感器還能夠在係統的幫助先實現數據無損傳(chuan) 輸和保密傳(chuan) 輸。

（2）無線傳(chuan) 輸硬件電路設計

本文所設計的無線傳(chuan) 輸模塊選擇ME3760模塊，為(wei) 了實現入網效率、網絡穩定性和ＬＥＴ數據的高性能無線傳(chuan) 輸，同時滿足對數據和IP協議，本的硬件設備采用USB接口，並與(yu) S3C2240芯片相結合，其基本電路原理，如圖4所示。

圖4 無線傳(chuan) 輸模塊電力和設備

該DS18B20型號（圖4）傳(chuan) 感器需要具備如下性能指標：溫度在-55～125℃測溫範圍，電源可以選擇3～5V電源，終端控製器可以並聯多個(ge) 傳(chuan) 感器實現同時測溫，傳(chuan) 感器無需獨立外援模塊獨立運作，體(ti) 積小適合多種試驗場所。

四、實例應用

4.1 界麵功能設計

本文的監控界麵設計中首先需要進入用戶登錄環節，這一環節中每個(ge) 用戶均具有完整的信息屬性和操作權限，並為(wei) 每個(ge) 用戶設定了用戶名和密碼。程序進入後進行初始化操作，其中第1/3/5按鈕不能同時使用，然後利用Login類進行實例化操作。實例化完成後搭建登錄框架並居中顯示。每次登錄係統均需要進行用戶名和密碼輸入，若兩(liang) 者相匹配則開始運行工作程序，如圖5所示。

圖5 係統平台操作界麵

若用戶名和密碼不相匹配，則係統自動回到填寫(xie) 用戶名和密碼的節目，直至匹配為(wei) 止。

4.2 傳(chuan) 輸功能設計

本文的研究采用Swing程序設計係統的信息傳(chuan) 輸功能。該程序作為(wei) 一個(ge) 線程，能夠實現所有線程的特點，主要分為(wei) 3個(ge) 階段，首行線程初始化，然後進行事件調度線程，若不影響程序運行，則進行事件調度工作。Swing程序主要進行任務線程調度和通信，可以較好的處理各個(ge) 線程之間的通信關(guan) 係，並且不影響相互協作，在處理管理係統中轉節點通信方麵具有非常高的效率。本文通過在SwingWorker中定義(yi) 類對象的方式去實現多線程工作，具體(ti) 實現代碼如下。

4.3 數據分析設計

係統內(nei) 置監測預警程序，通過在界麵點擊需要監控的數據，那麽(me) 管理係統將會(hui) 給中間節點發送命令，通過*聽8891端口創建服務器指令，若指令判斷可以*聽，將會(hui) 調取傳(chuan) 感器數據並進行統計分析，如圖6所示。

圖6 電網智能監控分析界麵

若*聽指令並未得到反饋，判斷係統無法*聽設備，則打開按鍵Socket，等待係統判斷是否重新發出指令，若依然無法獲取準確指令數據，則係統提示問題，程序運行結束。

五、hth下载地址電力監控係統產(chan) 品介紹與(yu) 選型

5.1 概述

Acrel-2000Z電力監控係統是hth下载地址電氣股份有限公司根據電力係統自動化及無人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發出的一套分層分布式變電站監控管理係統。該係統是應用電力自動化技術、計算機技術和信息傳(chuan) 輸技術，集保護、監測、控製、通信等多功能於(yu) 一體(ti) 的開放式、網絡化、單元化、組態化的係統，適用於(yu) 35kV及以下電壓等級的城網、農(nong) 網變電站和用戶變電站，可實現對變電站方位的控製和管理，滿足變電站無人或少人值守的需求，為(wei) 變電站安全、穩定、經濟運行提供了堅實的保障。

5.2 應用場所

1. 辦公建築（商務辦公、機關(guan) 辦公建築等）

2. 商業(ye) 建築（商場、金融機構建築等）

3. 旅遊建築（賓館飯店、娛樂(le) 場所等）

4. 科教文衛建築（文化、教育、科研、醫療衛生、體(ti) 育建築）

5. 通信建築（郵電、通信、廣播、電視、數據中心等）

6. 交通運輸建築（機場、車站、碼頭建築等）

7. 廠礦企業(ye) 建築（石油、化工、水泥、煤炭、鋼鐵等）

8. 新能源建築（光伏發電、風能發電等）

5.3 係統結構

Acrel-2000Z電力監控係統釆用分層分布式設計，可分為(wei) 三層：站控管理層、網絡通信層和現場設備層，組網方式可為(wei) 標準網絡結構、光纖星型網絡結構、光纖環網網絡結構，根據用戶用電規模、用電設備分布和占地麵積等多方麵的信息綜合考慮組網方式。

5.4 設備選型

應用場合

型號

保護功能

係統解決(jue) 方案

10kV

分配電所

進饋線/廠用變

PT監測

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、結語

物聯網技術為(wei) 電力智能化和信息化發展提供了全新的發展方向，本文通過分析電力自動化監測過程需要實現的監測方案，就物聯網監測係統的軟件設計方案和硬件設計方案進行了詳細分析，並進行了實例應用，得到如下結論。

（1）電力監控需要實施三個(ge) 層級的監控策略，分別為(wei) 安防監控，運行環境監控和智能檢修輔助監控。其中安防監控主要包括視頻監控、電子圍欄監控和消防監控，運行環境監測主要用於(yu) 監測電力設備室內(nei) 運行環境，檢修輔助包括熱點溫度監測、形變監測和避雷器狀態監測。

（2）物聯網電力隻能監控係統應從(cong) 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(ge) 方麵入手，其中通過對終端數據進行分解，溫度傳(chuan) 感過程中需要設計4個(ge) 模板：射頻模塊、繼電器、主控設備和溫度電流傳(chuan) 感器。由於(yu) 電力設備故障通常表現為(wei) 電流變大設備溫度升高的現象，因此在傳(chuan) 感器硬件設計環節具體(ti) 的數據采集流程為(wei) 信號采集、數據ZigBee傳(chuan) 輸、數據集成處理、數據上傳(chuan) 控製模塊。

參考文獻

1. 廖旎煥，胡智宏，馬瑩瑩等，電力係統短期負荷預測方法綜述［J］，電力係統保護與(yu) 控製；

2. 李陽，朱伯濤，胡誌亮，王立波，趙迪，物聯網技術在電力智能監控係統中的應用探究；

3. hth下载地址電力監控與(yu) 保護類產(chan) 品選型手冊(ce) ,2021.01；

4. hth下载地址企業(ye) 微電網設計與(yu) 選型手冊(ce) .2020.06版。