基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力環(huán)網(wǎng)柜環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

程偉華

本文針對傳統(tǒng)電力環(huán)網(wǎng)柜運行狀態(tài)在安全、效率等方面存在的不足，將物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)在環(huán)網(wǎng)柜智能化監(jiān)控總系統(tǒng)中充分應(yīng)用，并分別從環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部環(huán)境信息采集、局放信息檢測、門禁管理三個子模塊進行闡述，構(gòu)建了一個智能化、信息化水平較高的現(xiàn)代環(huán)網(wǎng)柜環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的運用將有助于提高整個城市供電系統(tǒng)的安全性、可靠性、高效性。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 電力環(huán)網(wǎng)柜 環(huán)境監(jiān)控

電力環(huán)網(wǎng)柜數(shù)量眾多，分布范圍廣泛，是城市6～10KV 供電網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分和控制接點，環(huán)網(wǎng)柜的運行狀態(tài)直接關(guān)系到城市供電系統(tǒng)的可靠性。環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)空間相對狹小，設(shè)備長時間帶負荷運行，環(huán)境溫度和電氣接點溫度容易偏高，如果不及時處理可能 導(dǎo)致著火或爆炸事故，為保證安全運行，目前電力檢修人員需要定期對環(huán)網(wǎng)柜進行溫度檢測，工作量大，準確度低。為了確保城市供電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，提高環(huán)網(wǎng)柜的智能化、信息化管理水平，滿足配網(wǎng)狀態(tài)檢修的需求，降低檢修人員的勞動強度，需要結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部的信息數(shù)據(jù)的采集，本文基于物聯(lián)網(wǎng)及其關(guān)鍵技術(shù)對環(huán)網(wǎng)柜環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)進行研究。

1 物聯(lián)網(wǎng)

1999年，麻省理工學(xué)院（MIT）的教授提出了物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things）的概念，不同學(xué)者對物聯(lián)網(wǎng)的定義進行了闡述和拓展，目前對物聯(lián)網(wǎng)的基本含義闡述較為全面、傳播較為廣泛、獲得普遍接受的內(nèi)涵產(chǎn)生于國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布的報告，該報告提出“物聯(lián)網(wǎng)是通過無線射頻識別技術(shù)（RFID）、傳感網(wǎng)技術(shù)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、激光掃描器等信息傳感設(shè)備， 通過約定的協(xié)議， 基于互聯(lián)網(wǎng)平臺進行信息采集與傳輸，從而達到智能化管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”。

2 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無線射頻識別（RFID）技術(shù)

RFID技術(shù)是通過射頻方式進行非接觸雙向通信的自動識別技術(shù)，系統(tǒng)由讀寫器、應(yīng)用接口、傳輸網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)答器、閱讀器和應(yīng)用軟件系統(tǒng)組成，由閱讀器發(fā)射特定頻率的無線電波能量，送給應(yīng)用軟件系統(tǒng)進行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理，具有讀取方便快捷、安全度高、抗干擾強、使用使命長、數(shù)據(jù)容量大等許多優(yōu)點。目前無線射頻識別技術(shù)在跟蹤識別、記錄存儲、傳感網(wǎng)通信、門禁系統(tǒng)等具有廣泛應(yīng)用，但因商品流通領(lǐng)域的高昂成本、技術(shù)標準不統(tǒng)一、信息安全存在隱患等制約了技術(shù)的傳播與發(fā)展。

2.2 傳感網(wǎng)技術(shù)

國際權(quán)威期刊定義傳感器網(wǎng)是大量隨機分布的傳感器節(jié)點、數(shù)據(jù)處理單元及通信模塊單元，通過自組織的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能單元，由傳感器和處理數(shù)據(jù)及執(zhí)行元件組成的設(shè)備，主要功能是感知、識別、采集和監(jiān)測各種環(huán)境或?qū)ο蟮男畔ⅲ⑹占降男畔⑦M行監(jiān)督控制、信息共享和存儲管理。傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，能夠感知被測量件物理條件或化學(xué)成分并且轉(zhuǎn)換與被觀察的特性可用的電信號的器件或裝置。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)網(wǎng)柜環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用

3.1 環(huán)網(wǎng)柜環(huán)境監(jiān)控總系統(tǒng)

整個環(huán)網(wǎng)柜環(huán)境監(jiān)控總系統(tǒng)主要包含以下三個監(jiān)控子系統(tǒng)：環(huán)境信息監(jiān)測子系統(tǒng)、局放系統(tǒng)檢測子系統(tǒng)、門禁管理子系統(tǒng)。系統(tǒng)的設(shè)備架構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)中由一臺中央控制主機構(gòu)成，中央控制主機通過網(wǎng)絡(luò)交換機的網(wǎng)絡(luò)通信方式與各個監(jiān)控子系統(tǒng)相連，各種傳感器如溫濕度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器組成傳感網(wǎng)絡(luò)，各個監(jiān)控子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)絡(luò)通信與各個傳感器相互聯(lián)系，利用傳感網(wǎng)絡(luò)平臺對信息的搜集與處理，通過中央控制中心將任務(wù)傳遞到各個子系統(tǒng)中。另外除了上述幾個功能子模塊外，系統(tǒng)還包括視頻監(jiān)控模塊以及其他的功能模塊。比如本系統(tǒng)中的，視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要用于監(jiān)控打開環(huán)網(wǎng)柜的人員信息等。

信息采集主要分為環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部環(huán)境信息采集、門禁系統(tǒng)數(shù)據(jù)、以及局放信息三個部分，三個部分的具體流程如下所示：

（1）環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部環(huán)境信息采集：環(huán)網(wǎng)柜中具體的采集信息包括：溫濕度信息、SF6濃度、O3濃度、水位、煙霧共五項環(huán)境信息參數(shù)，傳感采集器每隔一分鐘的時間讀取各個傳感器的檢測數(shù)值，并將讀取到的數(shù)值進行處理后通過無線或者有線的方式發(fā)送出去。

（2）局放信息檢測：局放檢測設(shè)備實時的獲取設(shè)備的局放信息，并將放電參數(shù)、位置信息等通過路由上傳至遠端服務(wù)系統(tǒng)。

（3）門禁系統(tǒng)檢測：門禁系統(tǒng)主要用于環(huán)網(wǎng)柜、箱變的出入人員信息的管理。電力監(jiān)管人員通過掃描自身攜帶的RFID卡進入環(huán)網(wǎng)柜、箱變內(nèi)部，當門禁系統(tǒng)檢測到人員進入系統(tǒng)時，將RFID中的人員信息發(fā)送至路由器設(shè)備。

3.2 環(huán)網(wǎng)柜環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)

3.2.1 環(huán)境信息采集子系統(tǒng)

環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部環(huán)境信息采集部分的系統(tǒng)框圖如圖2所示。與配電站房相同，環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部的信息采集參數(shù)包括：SF6、O3、煙霧、水位、溫濕度這五項。數(shù)據(jù)采集完成后由綜合信息采集器統(tǒng)一處理，并打包上傳。環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部安裝一臺工業(yè)空調(diào)，用于環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部環(huán)境信息的調(diào)節(jié)。

（1）系統(tǒng)運行流程。環(huán)境信息監(jiān)控子系統(tǒng)運行流程的主要過程為傳感器、傳感采集器、繼電器控制器、綜合網(wǎng)關(guān)以及應(yīng)用平臺的數(shù)據(jù)流向過程。綜合網(wǎng)關(guān)設(shè)備主要負責(zé)各種數(shù)據(jù)信息的傳輸。多接口數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)具有多種通信接口，可以將各種通信信息的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)形式上傳至遠端信息服務(wù)系統(tǒng)。多接口數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過中斷的方式接收傳感采集器以及環(huán)境控制器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息，并將這些數(shù)據(jù)通過（GSM、GPRS、Ethernet）其中一種方式發(fā)送到遠端的服務(wù)系統(tǒng)。繼電器控制器主要用于對環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部的空調(diào)進行控制，繼電器控制器通過485通信口接收綜合信息采集發(fā)送的控制信息。當繼電器控制器接收到調(diào)節(jié)指令后，立即打開或者關(guān)閉空調(diào)并返回控制指令。應(yīng)用平臺主要用于實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的可視化以及報警的功能，系統(tǒng)每個5S讀取一次數(shù)據(jù)庫的信息，并實時更新檢測到的數(shù)據(jù)值。信息監(jiān)控軟件平臺主要接收綜合網(wǎng)關(guān)傳輸過來的信息值并對數(shù)據(jù)進行分析，最終實現(xiàn)環(huán)境信息遠程監(jiān)控的功能。

（2）設(shè)備具體布局。由于環(huán)網(wǎng)柜的空間相對來說比較小，工作環(huán)境比較復(fù)雜。每個環(huán)網(wǎng)柜中分別放置一組傳感信息采集器、環(huán)境控制器以及多接口數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。下面對環(huán)境檢測系統(tǒng)中的各個設(shè)備的具體布局做詳細的說明。①傳感器布局：傳感器的具體安裝在環(huán)網(wǎng)柜的內(nèi)部，具體的安裝方式通過直插、懸掛、附貼的方式完成，整個傳感器以網(wǎng)絡(luò)的形式分布在環(huán)網(wǎng)柜中。②傳感信息采集器：通常每個環(huán)網(wǎng)柜中對應(yīng)一個傳感信息采集器，傳感信息采集器以掛壁的方式安裝于環(huán)網(wǎng)柜的內(nèi)部。③環(huán)境控制器：對應(yīng)于信息采集器，一個傳感信息采集配合一個環(huán)境控制器工作，環(huán)境控制器的安裝方式也以掛壁的方式安裝。④多接口數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)：網(wǎng)關(guān)設(shè)備的布局安裝同樣以掛壁的方式安裝于環(huán)網(wǎng)柜中。⑤其他說明：設(shè)備的安裝布局必須滿足電氣安裝規(guī)范，以整體簡潔、美觀、方便為主要安裝需求。

3.2.2 環(huán)網(wǎng)柜局放檢測子系統(tǒng)

在電力設(shè)備實際運行過程中，當電力設(shè)備的絕緣內(nèi)部存在氣隙或生產(chǎn)過程中造成一些缺陷，設(shè)備可能發(fā)生局部放電的現(xiàn)象。如果電氣設(shè)備絕緣在運行電壓下出現(xiàn)局部放電，這些微弱的放電會使絕緣材料受到電暈腐蝕、局部過熱、紫外線輻射和氧化作用，產(chǎn)生的累積效應(yīng)會使絕緣的介電性能逐漸劣化并使局部缺陷擴大，最后導(dǎo)致整個絕緣擊穿，設(shè)備損壞。大型電力設(shè)備的局放可能造成巨大的損失，甚至出現(xiàn)由于故障的突發(fā)性會出現(xiàn)人員傷亡的問題。

（1） UHF系統(tǒng)檢測原理。UHF法是目前局部放電檢測的一種新方法，該方法通過天線傳感器接收局部放電過程輻射的UHF電磁波，實現(xiàn)局部放電的檢測。在80年代末，UHF法測量局部放電首先應(yīng)用在GIS設(shè)備中。在UHF法中傳感器并非起耦合的作用，而是接收UHF信號的天線，所有UHF法的原理與脈沖電流法是不同的。天線除了能有效地輻射或接收無線電波外，還能完成高頻電流或?qū)Рǎ芰浚┑酵l率無線電波（能量）的轉(zhuǎn)換，或者完成無線電波（能量）到同頻率的高頻電流或?qū)Рǎ芰浚┑霓D(zhuǎn)換。所以，天線還是一個能量轉(zhuǎn)換器。一副好的天線，就是一個好的能量轉(zhuǎn)換器。任何利用無線電波傳遞信息的系統(tǒng)，都包括“發(fā)射端-無線電波傳播-接收端”三個環(huán)節(jié)。為此就必須有能夠輻射和接收電磁波的設(shè)備，這個設(shè)備就是線。所以說，天線的重要作用就是輻射或接收電磁波。圖3是進行無線電廣播線路的簡圖。局部放電傳感器的設(shè)計主要是接收天線的設(shè)計，表征天線性能的參數(shù)主要有：方向圖、方向性、增益、極化特性、天線效率、帶寬以及輸入阻抗等。

（2）UHF檢測系統(tǒng)組成。本系統(tǒng)由局放檢測探頭、寬帶放大器、機械附件、工控機（局放分析儀）組成。UHF檢測系統(tǒng)由特高頻天線（標準增益喇叭天線、圓柱/錐螺旋天線、等角螺旋天線）、50Q射頻同軸電纜、數(shù)字式示波器、計算機及其分析軟件等組成。該系統(tǒng)具有及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的局部放電隱患，保障系統(tǒng)安全，為設(shè)備狀態(tài)檢修提供依據(jù)，實現(xiàn)局部放電故障定位點，實現(xiàn)對被檢測設(shè)備局部放電歷史趨勢的觀察。從結(jié)構(gòu)上如圖4所示，UHF傳感器分為內(nèi)置式和外置式兩種，UHF傳感器主要用來采集電氣設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局放時產(chǎn)生的高頻信號，此傳感器直接固定在絕緣盆子上，盤子上除了放置傳感器的地方外其他的地方用屏蔽袋屏蔽，這樣的好處是保證高頻傳感器采集的高頻信號是從設(shè)備內(nèi)部出來的第一手信號，有效防止了外界干擾信號從盆子處進入高頻傳感器，保證了高頻傳感器采集高頻信號的純凈度和可信對。

3.2.3 門禁管理子系統(tǒng)

門禁管理系統(tǒng)可以控制人員的出入，還可以控制人員在樓內(nèi)及敏感區(qū)域的行為并準確記錄和統(tǒng)計管理數(shù)據(jù)的數(shù)字化出入控制系統(tǒng)。門禁管理系統(tǒng)可有效管理環(huán)網(wǎng)柜門的開啟與關(guān)閉，保證授權(quán)人員自由出入，限制未授權(quán)人員進入。

（1）系統(tǒng)拓補圖。公配所的門禁系統(tǒng)采用卡奧博公司的（S01）智能門禁系統(tǒng)，用戶可以通過刷自身攜帶額RFID無線射頻卡或者輸入密碼的方式，進入配電所內(nèi)部。智能門禁系統(tǒng)主要用于公配所的人員進出管理以及信息記錄，其主要特點如下：①三種開鎖方式：刷卡、密碼、刷卡加密碼的方式解鎖。②便捷設(shè)置：無線連接電腦，即可脫機進行所有功能的設(shè)置。③斷電保護：設(shè)備具有斷電保護的功能，斷電數(shù)據(jù)永不丟失。④穩(wěn)定性好：設(shè)備采用全銅線圈門禁電源控制器，功率大，壽命長。⑤低功耗：電插鎖采用最新防斷磁設(shè)計以及進口元器件，低功耗。

（2）系統(tǒng)工作流程。網(wǎng)絡(luò)門禁管理系統(tǒng)由讀卡器、網(wǎng)絡(luò)門禁控制器、電鎖、門磁、出門按鈕、門禁管理主機、打印機和門禁管理軟件等組成。門禁管理主機上安裝門禁管理軟件，負責(zé)對整個門禁系統(tǒng)的維護管理。系統(tǒng)也可另設(shè)一臺門禁系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，也可用門禁管理主機兼做數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、人員進出記錄、報警事件以及所有員工的基本資料、權(quán)限記錄等都被保存在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，可實現(xiàn)對整個門禁系統(tǒng)的集中管理、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)維護，資料查詢、所有門點人員進出統(tǒng)計信息、報警事件記錄等。門禁管理主機、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、各分支機構(gòu)門禁管理分機、門禁控制器之間均由TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接。門禁管理的具體工作流程如圖6所示，首先電網(wǎng)工作人員需要申請一個RFID門卡，在制卡處將個人信息與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行綁定。當對應(yīng)的工作人員要打開環(huán)網(wǎng)柜時，需要在刷卡處刷卡，系統(tǒng)讀取卡內(nèi)信息后進行判斷，確認個人信息是否被允許。如果刷卡人員信息允許進入時，系統(tǒng)打開電磁鎖并記錄人員信息，允許人員進入。否則，系統(tǒng)響鈴報警，并記錄異常信息。

4 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生作為信息領(lǐng)域的一次重大突破引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，不同領(lǐng)域的學(xué)者從不同角度對物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵與外延進行闡述，推動了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居、健康醫(yī)療、現(xiàn)代物流等各個領(lǐng)域的發(fā)展。本文對電力環(huán)網(wǎng)柜環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究融入了物聯(lián)網(wǎng)及其關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，將有助于提高電力環(huán)網(wǎng)柜系統(tǒng)向著智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。

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作者單位

江蘇電力信息技術(shù)有限公司 江蘇省南京市 210000