基于物聯網技術的智能電力監控系統實施

摘 要：智能電力監控系統（物聯網技術）的構成部分比較多，其中之一即為智能電力設施輔助監控系統。從智能電力監控系統（基于物聯網技術）現實需要入手，進行了智能電力設施輔助監控系統（基于物聯網技術）構建，將物聯網技術引進并應用于該系統中，基于物聯網構建的感知終端設備（數量龐大）完成各種各樣的數據采集，再利用網絡向上層應用發送，智能化管理、分析及電力設施智能化水平提升目標就此逐一實現。

關鍵詞：電力系統;物聯網;機器視覺;智能監控

物聯網實質上屬于互聯網與通信網的延伸、拓展，其主要通過智能設備與感知技術識別物理世界，以網絡傳輸互聯為基礎展開知識挖掘與處理、計算，就此達成物與物、物與人之間的無縫鏈接與信息交流的目標，以此在科學決策基礎上精確管理、實時控制物理世界[1]。清潔能源需求增大、高效安全的電力供應增長持續凸顯了可持續發展方面存在的問題，進一步加劇了能源短缺現象，從世界電力發展趨勢來看，智能電網的核心地位已成事實。中國國家電網公司業已明確了智能電網建設目標，即互動化、自動化、信息化，意在一體化電力領域內的業務流、信息流、電力流[2]。

信息技術迅猛發展提下的自動化電力系統主要是指基于電網運行信息收集、處理目標實現的系統。基于技術應用的研究結果證實，只有全面展開自動化電力系統研發，從技術角度支持電力發展，才能將通信技術與電腦網絡技術協同工作目標順利實施[3]。從現實需求分析，只有基于能源節約視角優化、強化資源配置，才能有效契合現代中國經濟社會發展的需要。而只有自源頭節約、利用電能，從而將傳統電力系統工作模式全面顛覆，才能實現這一目標，促進國內電力系統競爭力提升，強化其行業發展的可持性。

系統保護也極為關鍵，而高壓運行系統即為系統保護的主要目標，有效保護電力系統發電、輸電過程，將現代物聯網技術加以全面利用，能進一步滿足現代公眾的生產與生活需要，創造出更多便利性，這是因為一旦將物聯網技術全面引進應用于電力系統，智能電網中的諸多現實制約即會迎刃而解，顯著提升其運行可靠性與安全性，持續加快國內電力系統發展的效率、質量與速度。

一、智能電力監控系統

1.1智能電力監控系統架構

以向前推動，從而使氣體鉆井速度大大提高，以內部技術框架為標準可以將物聯網技術劃分為三種不同的層次：感知層、網絡層和應用層。感知層通過一系列終端設備以及基站等基礎設施來實現相關數據的收集工作，感知層在整體結構上處于物聯網體系的最下層，是幫助物聯網展開全面感知必不可少的重要組成部分;網絡層是基于互聯網以及相關局域網等多項網絡系統對收集的相關數據進行實時準確的傳輸，它的存在使物聯網的可靠性在原有基礎之上大大提升;應用層的作用在于采用科學智能的方式方法處理相關數據，根據客戶的實際需求進而設計出與之對應的個性化服務。

感知層的主要構成有獲取實時溫度的智能傳感器以及搭建在基站上的物聯網系統、煙霧傳感器等多項采集設施。網絡層充分借助工業以太網的強大功能進而將采集到的重要數據及時傳輸給上一層并加以應用。應用層將下層傳輸來的數據加以整理并歸入數據庫中，同時對其展開智能分析，此外應用層還可以實具有查詢早期的原始數據以及對相關漏洞進行檢修的功能。

智能電力監控系統以先進科學且應用較為廣泛的物聯網技術為研究基礎，同時經過充分考量進而選擇以安防監控以及智能檢修模塊為切入點展開深入細致的調研。由于感知層上所搭載的多項采集設備在接入方式上差異不大，因此將設備的實時熱點溫度監控放在研究的重要位置上。

在電力設施中，過度承載以及無法及時散熱等多種因素都可能導致電纜接頭、閘刀觸點等較為重要的結點連接處發生損壞，進而造成設備無法正常運轉。因此，將科學合理的物聯網技術巧妙地融入智能檢修系統中可以大大提升監控和預警功能的實際效果，及時發現潛在的故障并對其進行檢修處理。因為電力設備中的很多重要點位處于電壓較高并且電磁干擾持續不斷的危險環境中，以往所運用的溫度監控手段已經無法滿足當下的實際需要。同時熱點的數量較多且價格需要控制在合理的范圍內。因此，在挑選最為合適的溫度監控方式時需要綜合考量電壓以及設備的具體價格等多種因素。目前，國際上對于電力設備的一些重要點位的實時溫度監控研究大多集中于現實中的溫度測量手段。

1.2智能電力監控系統架構

本系統涉及監控端節點較多，在端節點中的傳感器節點的具體組成主要有前期的數據采集單元、對采集數據加以傳輸的單元以及終端的數據處理單元和電源。采集單元的作用在于廣泛采集自身所需的相關數據，處理單元實際上充當的是數據儲存站的角色，傳輸單元則是運用無線傳輸模式在多個節點之間傳輸相關數據，電源負責整個系統中的電量供應。

本文設計中，無線溫度傳感器節點處于整個傳感器網絡體系的底端，其主要作用在于采集重要的數據信息并及時將其發送出去，由溫度傳感器和匯聚節點共同組成。溫度傳感器則充分發揮采集實時溫度數據的重要功能，匯聚節點則起到實際控制溫度傳感器運行以及無線收發來自相關節點的數據的作用。溫度傳感器、單片機和無線收發模塊是端節點的基本組成單元。

首先中轉節點接收端節點圖片發送請求，如果端節點發送過來的數據是真正有效圖片數據而不是干擾信號，那么中轉節點收到端節點發送過來的信息時會自動將圖片存入中轉節點的存儲介質中，并且在中轉節點硬件平臺上對圖片進行壓縮，所采用的算法是小波變換壓縮算法，然后管理系統服務器成功建立套接字Socket通信并把處理后的圖片經4G無線網傳至管理系統服務器端，與此同時，通知指定用戶獲取圖片。

管理系統服務器端在接收到圖片后，將其保存，然后自發解壓文件以得到正常格式的圖片，只要監控人員想要在頁面中間顯示圖片，他們直接點擊獲取圖片按鈕，就可瀏覽圖片。而且管理系統服務器端還可以進行“遠程拍照”，在接收到套字之后，就可以點擊按鈕，向端節點發出拍照的要求，然后再重復節點拍照的流程即可。管理系統服務器端若想撤銷套接字鏈接的監聽，至只需要通過按“終止監聽按鈕”，端節點就會自己關閉監控系統。

二、智能電力監控系統設計

2.1功能需求

該電力設施智能系統的設計與構思，目的在于確保電力監控系統正常運轉的同時不斷降低經濟成本支出，并使其安全性在原有基礎之上顯著提升。在設計目的基本確立后展開需求分析。硬件、后臺監控及預警平臺功能主要包括五個部分：實時數據采集：采用串口通訊模式來廣泛收集傳感節點的實時溫度信息;實時數據顯示：可對設備中一切傳感節點的實時溫度信息進行準確的顯示;數據統計分析：查詢早期的溫度傳感節點的歷史溫度數據并對其展開分析;平臺資源管理：對傳感節點中反映出的信息以及傳輸到基站中信息加以管理;預測預警信息：無線溫度傳感節點短期溫度預測值及預警信息的顯示。

2.2性能需求

以硬件、軟件的具體性能為切入點展開分析，系統投入使用的時間越長，其內部所包含的信息和用戶量也會在原有基礎之上不斷增加，這時我們一定要保證系統在接收到用戶發出的請求后能夠及時準確的做出反應。

2.3擴展需求

以擴展性角度為切入點展開深入分析，由于智能電力監控系統仍處于初步構建以及不斷補充完善的階段，因此在系統設計階段必須充分考量多變因素，確保系統在信息變化的情況下仍可以穩定運行，當業務擴充時，系統在進行擴展的過程中也不能改變原有的基本架構，同時與上層應用進行及時準確的銜接。

2.4運行需求

以運行角度為切入點展開分析，良好的跨平臺性也是系統不可或缺的獨特優所在，在不改變代碼的情況下將其轉移到相關系統平臺。

2.5安全需求

以安全需求為切入點展開充分的考量，該系統借助互聯網的支持可以保證用戶實時瀏覽和訪問，因此系統安全性的提升不容忽視。可以通過設置相關權限同時完善信息加密傳輸來提升系統安全性。

三、智能電力監控系統硬件設計

3.1無線傳感網絡監控節點硬件設計

通過對無線傳感網絡監控的分析，對其終端數據采集節點的重要組成模塊進行分解，分別是：（1）射頻模塊;（2）繼電器模塊;（3）主控模塊 CC2530;（4）DS18B20溫度及電流傳感器模塊。在分析電氣故障過程中，通常表現為設備氣流增大和溫度升高兩種現象。因此，在檢測環節應針對故障的具體表現進行檢測，具體檢測流程包括：信號采集（溫度和電流傳感器模塊）——數據傳遞（ZigBee 組網）——數據包處理及上傳（主控模塊 CC2530）。當節點控制器獲得指令時，繼電器模塊的工作是負責整個設備高壓真空開關的操作，而射頻模塊作為自帶模塊，設備需要通過此模塊完成 ZigBee組網，最后是電源模塊。

為了確保斷電環境下數據的自動保存，在 DS18B20 傳感器系統 EEPROM 的幫助下保證數據安全，同時也能及時供應智能電網監控系統對于信號采集的需求，是采集溫度的重要手段，這也是該傳感器最主要的優勢。

3.2 4G與ZigBee網關節點硬件設計

無線網絡傳遞技術在我國應用十分廣泛，目前大部分公司都會選擇 4G和ZigBee組網兩種模式，這兩種模式在個個方面都有著突出的優點。首先ZigBee網絡速度特別快，在短短幾秒內就可以傳輸出大批數據，并且實現大范圍組網。其次，4G的優點在于可以實現遠距傳輸數據，并且數據質量不會隨距離的增加而發生變化，這項技術對于偏遠地區人民有著劃時代的作用。

首先要克服的難題是：如何將采集回來的數據包進行分析和重塑。對數據進行包封裝、解析、重新包封裝是實現數據傳輸的必要流程。只有經過三重歷練的數據才是有效的，才可以被傳輸到各家各戶。在這種模型下我們需要用到的技術有以下幾種：第一ME3760網絡傳輸芯片，第二S3C2240A微處理器，第三CC2530芯片。

3.3 4G與ZigBee網關節點微處理器模塊

目前兩種技術在性能上存在較大差異。首先4G網絡與ZigBee網絡的數據結構幀不同。針對這種現象，處理辦法是：將兩大系統處理器進行轉化，轉化后的數據可以使用。第二兩種技術成本不同，為了擴大技術的覆蓋面積，下面將采用S3C2240A微處理器作為網關處理器。

S3C2240A基本符合這一特征，它擁有強大的16/32位RISC微處理器，核心技術為ARM9芯片。這種芯片目前在國內很流行，其先進性表現在以下幾個方面：第一緩沖速度頂尖;第二核心技術為Harvard、MMU、AMBA;第三主板設備齊全。S3C2240A以兩個分開的16KB集合進行數據分析。

3.4 4G模塊硬件電路設計

4G模塊在進行選擇時應用ME3760模塊，這與其入網速度快、網絡穩定、可以實現LTE數據的高性能傳輸和雙模多頻、對數據和IP協議棧、分集天線接口和高速USB2.0接口數據的傳輸的支持等優良性能有著直接關系。此次的接口設計依舊采用USB接口，為了實現數據的高速交換可以使ME3760無線傳輸模塊和S3C2240A芯片相連。

ME3760模塊在系統中啟動時存在以下幾種信號：電源復位信號、USB信號、SIMCard信號和喚醒信號是ME3760模塊系統在啟動時的主要信號，另外在該模塊中有的也可以不使用引腳，例如模塊復位控制、模塊喚醒以及模塊開關機信號等，因為它們在頻率較低的時候也可以發揮作用。該模塊的電源組信號線由VDD3.3V電源進行供電，其地信號組直接接地即可。

3.5 USB接口模塊硬件電路設計

USB接口是連接網關微處理器和ME3760的中間橋梁，其中在微處理器中有兩個控制器，一個是USB主機控制器，另一個是一路期間控制器。在一個主機上進行USB接口的拓展，可以解決在接下來添加新的模塊功能以及預防USB接口不夠用，在完成這一步之后再選擇一個USB接口用于連接4G模塊和S3C2440A芯片。系統使用的USB集線器控制器芯片是AU6256，它能夠將接口進行轉換，最多可以轉換成四個。該芯片的供電電源為3.3V，任何擴展腳都能實現微處理器和ME3760模塊的連接，網關芯片的USB設備的引腳PDNO與AU6256芯片中的USB-DM相連，PDPO與USB-DP相連。GPC5控制著S3C2440A中USB接口的D+，在設備的電頻過高時，它就會利用電阻上拉，與+5V電壓相連，啟動設備;相反，如果電平較低時就會將電阻下拉，與GDN相連，設備停止運作。

四、智能電力監控系統軟件設計

本研究為監控界面設計了用戶登錄環節，合理分配了完整性和使用權利，并且需要預先設定用戶名和密碼。程序從主函數入口進去，開始初始化，使 1、2、3、5 這幾個按鈕都不可用，然后再將 login 類實例化，實例化后就開始創建登錄框架，并且將其居中顯示，接下來就是等待按鍵按下，一共有三種按下情況，登錄、關閉和取消按鈕，如果登錄鍵按下，那么就需要確認登錄名和密碼是否匹配，如果匹配，就開始運行開始工作的程序;如果不匹配，回到上一層，繼續重復工作，直到用戶名和密碼匹配為止，當工作主程序開始啟動后，緊接著開始創建主框架，并且也要居中顯示，然后判斷開始監聽按鈕是否按下，如果按下，繼續工作;如果沒按下，返回上一層循環工作，直到確定按鈕按下為止，按下后就接著執行新的程序，此時按鈕全部可用，然后程序結束。再回到判斷關閉按鈕是否按下，如果按下，整個程序就結束終止工作;如果沒有，那么就前往取消按鈕再進行判斷，如果取消按鍵沒被按下，則返回判斷按鈕是否按下的工作層繼續工作，如果按鈕按下，則結束程序。

五、結語

研究機器視覺的發展及現狀，針對電力監控系統的特殊要求，對物體檢測的方法技術進行了梳理和總結。闡述將智能電力監控系統與物聯網技術相結合的設計模式，并具體從硬件、軟件方面做了詳細介紹。

參考文獻

[1] 呂國，孫皓月，司亞超.基于物聯網中間件的變配電系統監控方案研究[J].電源技術，2014，38（2）：371-372.

[2] 鄒杰新.通信電源設備智能遠程監控系統的研究[J].通信電源技術，2019，36（4）：202-203.

[3] 蔣強，何都益.基于物聯網技術的水產養殖系統集成思路[J].科技信息，2013，（10）：14.

作者簡介：程軍強（1978-），男，漢族，河南信陽人，工程師，碩士，研究方向：系統集成與電子智能化。