物聯網技術下的配電線路在線監測系統應用

葛紹妹 葉偉 袁堃 劉進進

摘要：電力系統安全與供電質量是電力用戶最為關心的問題，為保證電力穩定供應，使用在線監測技術對配電設備進行檢修已經成為電力企業的必然選擇。本文通過分析配電檢修中應用在線監測技術的意義，深入探討了環網柜、高壓斷路器等關鍵配電設備的在線監測技術，為提升電網運行質量提供解決方案。

關鍵詞：物聯網技術;配電線路;在線監測

在線監測技術經過十幾年的快速發展，其應用效果已經得到廣泛認可和全面驗證。在線監測技術通過多種傳感器和數據采集設備，實現配電設備工作情況的全方位監控，智能化的在線監測設備還能將采集到的數據與設定值進行比對并調節，初步實現了配電設備自修復和自調整目標。另外，配電設備一旦發生故障，造成的經濟損失往往較大，使用在線監測技術記錄和監測設備使用的全過程，一旦發生故障，設備故障之前的運行數據能夠為技術人員提供故障分析與故障排除的基礎數據和分析依據，大大降低設備維修時間。

1 基于物聯網技術的配電線路在線監測系統總體設計

1.1 系統功能設計

（1）配電線路非電量和微氣象在線監測。利用傳感器在線采集并傳輸配電線路相關參數，如：桿塔傾斜角、溫度、濕度、光照強度等，計算不同光照強度監測區域內太陽能光伏板的平均功率，確保系統監測節點的安全穩定性。（2）配電線路監測數據傳輸分析。利用傳感器進行配電線路運行狀態檢測量的周期性采集工作，對配電線路狀態數據進行實時傳輸、訪問、下載、統計和分析，及時獲悉配電線路運行狀態及預警信息，確保配電線路的合理規劃。（3）配電線路監測系統終端節點的功率估算。由傳感器芯片功率、監測周期、傳感器持續工作時間為依據，進行配電線路監測終端節點功率的估算，獲悉有效光照時間，由此估算蓄電池容量，確定蓄電池更換時間，保證終端節點運行的安全穩定性。

1.2 通信方式

考慮到配電線路結構復雜、分支較多、傳輸距離遠、地理跨度大等情況，可以采用GPRS無線通信方式，設置GPRS通信模塊單元：USR-GM3，實現串口設備與網絡服務器之間數據的雙向傳輸，通過Lora的超遠距離無線傳輸技術，進行監測區域節點之間的數據傳輸及協調器節點與遠程監控中心之間的數據傳輸。

1.3 系統總體架構設計

基于物聯網的配電線路在線監測Lora系統應用于系統目的監測點和網關節點之間，主要應用于STM32處理器、射頻收發器、RS45模塊接口和以太網接口等設備，實現攝像頭電源通斷管理和通信箱無線接入開關管理，采用星型組網或多跳組網的方式，遠程監測輸電線路現場狀態和設備運行狀態。GPRS無線通信應用于系統數據中心和數據終端單元的設備之中，如：日歷時鐘模塊、PC機及其電源、LCD液晶顯示設備等，用于查詢命令的設置及響應監測終端的請求，并將被監測設備的狀態信息回送給數據中心。系統終端節點設置于配電線路的桿塔上，通過預設指令周期性喚醒的方式，實現不同傳感器的鏈接，進行配電線路運行狀態數據的實時在線采集，并進行數據信息的實時處理和發送。其中：路由器節點主要負責網絡中的數據路由，擴展網絡通信距離。協調器節點將各子節點發送的數據傳輸至GPRS通信模塊，再將配電線路運行狀態數據上傳至網絡服務器IP，滿足用戶即時訪問和數據讀取的需求。

2 基于物聯網技術的配電線路在線監測系統硬件設計與應用

2.1 系統硬件模塊選型

系統電源為各部分供電，傳感器和終端節點經由I2C接口相連，終端節點進行監測區域內各待檢測量數據的實時采集，由I2C串口進行數據傳輸，并由單片機進行數據處理和分析，由網絡上傳至協調器節點、GPRS通信模塊和網絡服務器IP。具體硬件模塊選型包括有：1）傾角傳感器MPU6050。實時在線采集配電線路桿塔傾斜數據，通過內部集成處理的方式，將輸出量轉化為數字量，利用內置的可編程低通濾波器，排除數據采集時的干擾。2）溫濕度傳感器DHT11。實時在線采集配電線路的溫度、濕度數據信息，經由傳感器內置的單片機進行處理，將模擬量數據轉化為數字化信號，獲悉配電線路運行環境下的溫度和濕度參數信息。3）光照強度傳感器GY-30。GY-30傳感器內置16bit AD轉換器，進行采集數據的數模轉換和數字化信號輸出，具有極強的抗干擾性能。同時，該部分還具有極強的分光特性，測定精度較高。4）穩壓器AMS1117-3.3。利用該裝置為系統相關模塊提供能源，輸出電壓為3.3V，工作溫度為-40℃-125℃，為系統提供電壓幅值相對穩定的直流電壓源。5）GPRS通信模塊USR-GM3。該模塊通過GPRS網絡的AT指令設置方式，進行串口設備與網絡服務器之間數據的雙向傳輸，并支持低功耗模式，在低功耗模式下串口設備僅輸出數據而不能接收數據。

2.2 終端節點硬件設計與應用

系統終端節點采用周期性休眠與喚醒的工作模式，當進行數據處理時喚醒終端節點，采用全功率模式運行;當沒有數據處理指定時，則使終端節點處于低功耗（休眠）模式，由此降低終端節點的能耗，延長蓄電池供電時間。

2.3 協調器節點硬件設計與應用

考慮到路由器節點和協調器節點的數據傳輸量較大，可以選用全功能設備進行配電線路的在線監測，由路由器節點負責拓寬無線網絡的通信范圍，通過電源模塊進行電源變換，再由輸出電路進行供電。協調器節點則設計有CC2530模塊、GPRS通信模塊、電源模塊等部分，負責配電線路監測數據的接收和上傳，由CC2530協調器節點將接收數據傳輸至GPRS通信模塊USR-GM3，進行數據上傳、訪問和下載，并由電源模塊保證數據的處理和傳輸實現。

3 系統能耗估算及測試

3.1 終端節點能耗估算

在不同監測采集周期條件下，終端節點的總能耗測試結果如下：當監測采集周期分別為2s、10s、30s、1min、2min時，終端節點總能耗為4621.5J、924.3J、308.1J、154.1J、77J。

3.2 蓄電池容量估算

要預先計算配電線路負載日均用電量，確定系統自給天數，根據不同的負載日均用電量，獲悉對應的蓄電池容量。在監測采集周期分別為2s、10s、30s、1min、2min的條件下，蓄電池容量分別為13.89A·h、2.78A·h、0.93 A·h、0.46 A·h、0.23 A·h。在系統不同自給天數條件下，終端節點對應的蓄電池容量估算值不同，當系統自給天數為5d、10d、15d、20d、30d時，蓄電池容量分別為0.93 A·h、1.85 A·h、2.78 A·h、3.71 A·h、5.56 A·h。

3.3 供電性能測試

通過對系統不同供電模塊的電壓幅值波形圖分析可知，系統電壓模塊供電電壓幅值相對穩定，滿足通信模塊及傳感器運行的電壓要求。

3.4 監測數據測試

通過測試可知，系統傾斜角的采集誤差在±1°以內，濕度采集誤差在±1.5°以內，溫度采集誤差在±0.5°以內，光照強度采集誤差在±2lx以內，具有良好的穩定性和檢測精度。

4 小結

綜上所述，物聯網技術下的配電線路在線監測系統實現對配電線路運行參數的在線監測，估算系統各終端節點的能耗及蓄電池容量。后續還要不斷深化系統的抗干擾分析，加強對系統狀態預警和動態增容方面的研究。

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