淺談物聯網技術在電力監控系統中的設計與應用

摘要：為解決電力行業智能監控的信息化和自動化程度，基于物聯網技術，開展了物聯網電力監控平臺的設計，完成了軟件需求設計和硬件初步設計，并進行了實例應用。研究發現：電力監控實施分３個層級監控，分別為安防監控，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于監測電力設備室內運行環境，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系統應從功能需求分析、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，其中通過對終端數據進行分解，溫度傳感過程中需要設計４個模板：射頻模塊、繼電器、主控設備和溫度電流傳感器。文中設計的系統在電力智能監控中具有一定應用參考價值。

關鍵詞：電力監控;智能變電站;監控系統;電力監控系統

一、前言

物聯網技術是近年來基于互聯網和5G通信技術所提出來的一種通過智能監控設備與智能感知技術相結合并進行數據傳輸的全新技術手段。通過物聯網技術，能夠使得物與物、人與物之間實現信息的遠距離實時交流，并在此基礎上進行科學決斷和準確管理。自從2010年度我國、提及“物聯網”概念后，國內就物聯網相關技術和應用進行了全國性和戰略性的部署研究，物聯網技術成為各個行業全新的研究方向和焦點。作為未來清潔能源的主要驅動力，電能在5G技術普及后的需求量會進一步變大，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重要落腳點。

國家的主要研究方向為家庭電網智能化。目前科羅拉多軸的波爾德市是先實現電網智能化的城市，各類只能傳感器已經在家庭中得到安裝部署并陸續投入運行。除美國外，日本、歐洲各國同樣進行了較為深入的電網監控技術研究，例如日本東京大學就多種傳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，丁寬基于GIM技術建立了電網信息共享平臺，使得電網通信更為有效；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，用于電網監控技術分析；張軒濤等建立了10KV變電站的物聯網控制技術并進行了實踐應用。

但是，現有的研究成果大多數基于理論分析和軟件模擬，缺乏實踐應用，并且物聯網技術電力智能監控中的應用成果較為少見。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現實需求想聯系，通過對各種傳感器的集成方法以及軟件的實現過程進行研究，搭建了一個智能電網監控平臺并進行了實踐運用。

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，并結合物聯網技術能夠為電網所能提供的便利，將系統中與物聯網技術結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 物聯網電力監控系統設計方案

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系統的末層級，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于監測電力設備室內運行環境，室內溫濕度監測傳感器用于監測環境的適宜程度，氣體監測用于感知氣體成分和濃度，水浸監測用于發現可能的漏水情況。

智能檢修輔助層：智能檢修輔助為電網檢修人員提供檢修之前的須檢修數據，并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、監控系統平臺設計

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，需要建立一個完善的監控數據處理程序，只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。本文的系統監控平臺設計分為軟件設計和硬件設計兩部分，通過系統需求分析和硬件設計參數建立和完善了該預警平臺。

3.1 軟件設計

（1）功能需求分析

從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并且降低電網不必要的損耗。從根本上分析智能電網監控需要實現3個層級的功能，設備監控層、網絡傳輸層和系統分析層。因此，本文初步分析該智能監控軟件平臺需要初步實現5個基本功能，如圖2所示。

圖2 智能監控軟件平臺功能

Ａ．數據采集功能：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．數據顯示功能：將設備所收集到的綜合信息處理后接入計算機設備，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．平臺管理功能：監控每個監控節點的運行狀況，并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范圍，及時發現異常值并預警。

（2）性能需求分析

電網設備運行周期長，從系統的軟硬件具體實現功能為出發點，系統在使用過程中需要穩定的工作環境和硬件支撐，因此對于硬件的基本性能要求要比一般設備要高，確保系統在運行各種軟件不發生崩潰和傳輸效率問題。

（3）擴展需求分析

電力監控設備處于初步設計階段和不斷完善的階段，傳統的電力設備改造難道大、成本高，因此在該系統平臺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。在確保信息傳輸不受影響并穩定運行，在未來業務擴展過程中，系統依然不改變原有架構，與上層應用進行準確銜接。

（4）運行需求分析

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

（5）安全需求分析

電網系統的安全性不容忽視，系統需要具備完備的管理員和用戶操作權限方案，數據傳輸需要采取加密手段提升數據安全性，并且能夠抵御一般病毒攻擊。

3.2 硬件設計

（1）溫度傳感硬件設計

以溫度傳感器為例，通過對終端數據進行分解，溫度傳感過程中需要設計４個模板：射頻模塊、繼電器、主控設備和溫度電流傳感器。由于電力設備故障通常表現為電流變大設備溫度升高的現象，因此在傳感器硬件設計環節具體的數據采集流程為信號采集、數據Zigbee傳輸、數據集成處理、數據上傳控制模塊。節點控制器獲取到控制信號后，繼電器模塊開始工作，判斷是否關閉整個高壓設備開關。其工作流程設計圖，如圖3所示。

圖3 無線傳感器硬件工作設計流程

傳感器模塊是獲取關鍵信息的第一步，將不同的傳感器布置在系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感器（型號DS18B50，用于數據收集）、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，用于控制開關工作狀態）。

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，通過觀察某一個數值。試驗過程如下，當減法計算器數值為1時，低溫情況下愛脈沖信號是減弱的；當減法計數器數值為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送至CC2530通信引腳上去。

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

（2）無線傳輸硬件電路設計

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

圖4 無線傳輸模塊電力和設備

該DS18B20型號（圖4）傳感器需要具備如下性能指標：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多個傳感器實現同時測溫，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、實例應用

4.1 界面功能設計

本文的監控界面設計中首先需要進入用戶登錄環節，這一環節中每個用戶均具有完整的信息屬性和操作權限，并為每個用戶設定了用戶名和密碼。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 系統平臺操作界面

若用戶名和密碼不相匹配，則系統自動回到填寫用戶名和密碼的節目，直至匹配為止。

4.2 傳輸功能設計

本文的研究采用Swing程序設計系統的信息傳輸功能。該程序作為一個線程，能夠實現所有線程的特點，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線程之間的通信關系，并且不影響相互協作，在處理管理系統中轉節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多線程工作，具體實現代碼如下。

4.3 數據分析設計

系統內置監測預警程序，通過在界面點擊需要監控的數據，那么管理系統將會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，將會調取傳感器數據并進行統計分析，如圖6所示。

圖6 電網智能監控分析界面

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

五、安科瑞電力監控系統產品介紹與選型

5.1 概述

Acrel-2000Z電力監控系統是安科瑞電氣股份有限公司根據電力系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系統。該系統是應用電力自動化技術、計算機技術和信息傳輸技術，集保護、監測、控制、通信等多功能于一體的開放式、網絡化、單元化、組態化的系統，適用于35kV及以下電壓等級的城網、農網變電站和用戶變電站，可實現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、穩定、經濟運行提供了堅實的保障。

5.2 應用場所

1. 辦公建筑（商務辦公、機關辦公建筑等）

2. 商業建筑（商場、金融機構建筑等）

3. 旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）

4. 科教文衛建筑（文化、教育、科研、醫療衛生、體育建筑）

5. 通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數據中心等）

6. 交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）

7. 廠礦企業建筑（石油、化工、水泥、煤炭、鋼鐵等）

8. 新能源建筑（光伏發電、風能發電等）

5.3 系統結構

Acrel-2000Z電力監控系統釆用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網絡通信層和現場設備層，組網方式可為標準網絡結構、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面積等多方面的信息綜合考慮組網方式。

5.4 設備選型

電力監控系統

Acrel-2000Z

可建立配電網絡一次系統圖，模擬配電網絡運行，實現無人值班模式；根據順序事件記錄、波形記錄、故障錄波，協助運維人員實現快速故障分析、定位和排除問題，盡量縮短停電時間；實時采集各回路、設備的電流、電壓、功率、電能以及諧波、電壓波動等參數，對配電系統和用電設備進行用能分析和能效管理。

六、結語

物聯網技術為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，就物聯網監測系統的軟件設計方案和硬件設計方案進行了詳細分析，并進行了實例應用，得到如下結論。

（1）電力監控需要實施三個層級的監控策略，分別為安防監控，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于監測電力設備室內運行環境，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）物聯網電力只能監控系統應從功能需求分析、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，其中通過對終端數據進行分解，溫度傳感過程中需要設計4個模板：射頻模塊、繼電器、主控設備和溫度電流傳感器。由于電力設備故障通常表現為電流變大設備溫度升高的現象，因此在傳感器硬件設計環節具體的數據采集流程為信號采集、數據ZigBee傳輸、數據集成處理、數據上傳控制模塊。

參考文獻

1. 廖旎煥，胡智宏，馬瑩瑩等，電力系統短期負荷預測方法綜述［J］，電力系統保護與控制；

2. 李陽，朱伯濤，胡志亮，王立波，趙迪，物聯網技術在電力智能監控系統中的應用探究；

3. 安科瑞電力監控與保護類產品選型手冊,2021.01；

4. 安科瑞企業微電網設計與選型手冊.2020.06版。