基于物聯網中間件的變配電系統監控方案研究

呂國，孫皓月，司亞超

(1.河北建筑工程學院現代教育技術中心，河北張家口 075000；2.河北建筑工程學院信息工程學院，河北張家口 075000)

基于物聯網中間件的變配電系統監控方案研究

呂國1，孫皓月2，司亞超2

(1.河北建筑工程學院現代教育技術中心，河北張家口 075000；2.河北建筑工程學院信息工程學院，河北張家口 075000)

智能型變配電監控系統既是保證供配電系統可靠運行的必要手段，又是現代化企業實施電力運行管理的有效方式。充分研究了變配電監控系統的功能，引入物聯網中間件的概念來設計智能變配電系統監控方案。采用了Zigbee和RFID兩種底層數據采集技術來實現上層應用與物聯網感知層數據采集硬件設備的耦合連接。在此基礎上，提出了基于物聯網中間件的智能變配電監控系統的設計及實現方案，并對該方案中涉及的關鍵技術進行了詳細闡述。

物聯網；中間件；變配電；監控

變配電站是電力系統的一個重要的組成部分，是電力網絡各個線路間重要的連接部分。變配電站作為變換電壓、匯集和分配電能的核心設備，它的安全運行直接影響著電網的整體運行。隨著計算機技術和網絡技術的發展，變配電監控技術被引入到電網控制系統中。

作為提高供電系統可靠性的有效手段，變配電監控系統可以迅速而準確地獲得變配電站的運行實時信息，完整掌握變電站實時的運行狀態，及時發現故障，并對相應的故障作出及時反應和處理，減少事故的發生；同時值班管理人員根據變配電站系統的運行情況進行遠控分合閘、躲峰填谷、合理調度，以達到設備按最佳工況運行，節約能源的目的；此外，還可以對變配電站內的設備實現遙控、遙測、遙信，減輕工作人員勞動強度，提高勞動生產率，使供電系統安全、合理、經濟地運行。

變配電設備具有分布點多、分布面廣的基本特征，且大部分都部署在室外，容易受天氣及人為等因素影響而引發故障。所以本文利用物聯網中間件技術，開發了針對各種電力設備日常運行過程中的設備運行參數、設備狀態異常、設備破損、性能降低等項目的實時監測和控制系統，可以在各種隱患發生前采取有效的應對措施，避免電力設備出現故障，以保障供電系統的可靠運行。

1 智能變配電站監控系統總體設計

智能化變配電站監控系統是智能電網的重要組成部分。它是智能變配電站在充分信息化、智能化建設的基礎上通過匯聚、檢測和控制變配電站運行狀態信息而形成的監測系統，主要功能如下：

(1)電力設備的監測及預警功能

將數據采集設備，例如各種傳感器節點部署在變配電設備上，利用這些數據采集設備精確采集變配電設備的運行狀態參數及環境參數，以實現精確監測和控制的目的，以便進行設備故障的早期診斷和預警，提高變配電安全運行的能力。

(2)電力設備的檢修輔助、設備記錄、定位功能

利用各種智能設備的定位、記錄功能，對傳感器節點收集來的信息進行記錄、存儲，對現場設備進行定時巡檢。

從以上功能分析可以得出，一個完善的智能變配電站監控系統必須具備數據采集功能、數據存儲功能、數據分析功能、實時狀態顯示功能、狀態報警與控制功能等。同時，為了遠程監控，還要具備數據通信功能。系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

在總體結構中，處于核心地位的是數據采集和數據通信層的構建。根據功能的分析和研究，利用基于物聯網的中間件技術是解決這一環節的最優方法。

2 利用物聯網中間件技術構建智能變配電站數據采集通信層分析

物聯網是通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[1]。從此定義可以看出，將物聯網的相應技術和產品廣泛地應用于電力系統的發、輸、變、配、用環節，不僅可以有效地對電力系統的基礎設施資源進行整合，全方位提高電力系統的通信水平，還能很好地改善當前電力系統基礎設施的利用率。

物聯網技術體系可分為三層：感知層、網絡層和應用層。感知層是對所監測的事物進行全面的感知，即完成的是數據采集的功能，主要利用了傳感器節點、RFID讀寫器等設備，完成變配電站設備的溫度、環境的溫度、設備的震動、設備的傾斜度、環境的濕度、設備的電流、電壓等參數的采集。同時在感知層還設置了固定IOT Device Agent，功能是將采集的數據進行初步處理和融合；網絡層是將信息利用多種有線或無線通信網絡進行可靠的傳送。在物聯網中，可利用的通信方式有很多種。其中，基于Zigbee技術的無線通訊方式是目前發展態勢最好的一種。它具有近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的基本特性，是一種非常適合于工業監控的雙向無線通訊技術，可以在各種電子設備之間進行數據傳輸。一個Zigbee網絡由一個匯聚節點和若干個分節點組成。將傳感器節點及RFID讀寫器采集的數據通過固定IOT Device Agent融合在一起，再在匯聚節點設置IOT Server服務器。IOT Server服務器將采集的傳感信息進行分析處理后生成透明的業務數據，進而支撐整個變配電監控系統。應用層的主要功能是對在IOT Server服務器端形成的數據流進行智能化的處理，為用戶提供豐富多樣的功能和服務。由于應用層的服務面向不同的應用和用戶，需求多樣而且靈活多變，對數據的處理和應用程序的開發形成了一定的負擔，因此在這一部分與底層之間，應用中間件技術來解決這一難題。

物聯網中間件是實現底層硬件設備與應用系統之間數據傳輸、過濾、數據格式轉換的一種中間程序，其處于物聯網的集成服務器端和感知層、網絡層的嵌入式設備中。

針對于智能變配電站所使用的底層信息采集硬件——RFID讀卡器、傳感器節點，以及網絡層的Zigbee匯聚節點，物聯網的中間件需要實現系統中硬件設備與上層提供的WEB應用服務之間的數據傳輸、過濾以及數據格式轉換。因此中間件需要兩類核心功能：其一，將不同結構的感知層所傳送來的數據流進行格式的統一及集成；其二，將應用層不同的服務轉化為不同底層可以執行的命令，以驅動控制設備的運行過程。具體系統結構如圖2所示。由圖可知，基于Zigbee和RFID/傳感器節點的物聯網中間件應該具有數據流協議轉換功能和底層硬件狀態參數信息的設定功能。

圖2 中間件系統結構

對于數據流協議轉換，采用XML技術來實現。XML是一種自描述、半結構化和可擴展的標記語言。它將數據和對數據的描述結合起來，不僅能夠表示結構化數據，還能表示半結構化數據。XML具有內容獨立性，所存儲數據不受一種統一的數據模型限制，屏蔽了數據源中應用環境和數據結構的異構性。XML把文檔如數據、結構、以及顯示方式這三個基本要素獨立開來，分別進行處理，這使得其他應用系統能夠忽略不相關部分而直接對自描述的XML文件中的數據進行操作，從而實現異構數據源中數據的互操作[2]。

對于底層硬件狀態參數信息設定功能，采用中間件獲得Zigbee和RFID/傳感器節點的接口位置信息，并利用VC++等開發工具對其接口操作進行編程，從而實現對設備的操控。當需要調用某一具體技術對應的類的時候，可以利用第三方工具包dom4j中的方法解析配置文件，通過XML文件配置的映射關系對處理命令進行一定程序的解析，最后再利用開發工具進行實現。

3 總結

隨著物聯網技術的不斷發展，物聯網應用于智能變配電站中將成為推動變配電站控制技術發展的重要手段，有助于解決電網各個環節重要運行參數的在線檢測和實時信息掌控。基于物聯網中間件的信息聚合方案，采用傳感器、RFID與Zigbee技術相結合的方式，構建了基于智能變配電站的信息感知層、網絡層和應用層，形成了較強的數據處理能力和完善的通信能力，能夠為智能配變電監控系統提供良好的技術支撐和彈性可擴展的軟件架構。

[1]李正明，吳波．基于物聯網的智能家居控制系統研究[J]．現代科學儀器，2012(4)：68-69.

[2]王凡．基于Zigbee和RFID的物聯網中間件的設計與實現[D]．北京：北京郵電大學，2011：13-16.

Research on distribution system monitoring scheme based on internet of thing middleware

LV Guo1,SUN Hao-yue2,SI Ya-chao2

Intenlligent variable power distribution monitoring system not only was the essential means to ensure reliable operation of distribution system,but also was a modern enterprise implementation of electric power operation management the effective way.The distribution function of the monitoring system was fully studies.The concept of the Internet of middle price monitoring scheme was introduced to design the intelligent power distribution system. Zigbee and RFID were adopted to realize the upper application and coupling connection for two underlying data acquisition technology.And on this basis,the Internet of things middleware intelligent for the design and implementation scheme of power distribution monitoring system was put forward,and the key technologies was described in detail.

IOT;middleware;substation;monitoring

TM 63

A

1002-087 X(2014)02-0371-02

2013-09-30

張家口市2013年科學技術研究與發展計劃自籌經費項目(1321006B)

呂國(1978—)，男，河北省人，講師，碩士，主要研究方向為計算機網絡與物聯網技術。