物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力智能監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用探究

李陽 朱伯濤 胡志亮 王立波 趙迪

摘 要：為解決電力行業(yè)智能監(jiān)控的信息化和自動化程度，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開展了物聯(lián)網(wǎng)電力監(jiān)控平臺的設(shè)計，完成了軟件需求設(shè)計和硬件初步設(shè)計，并進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)：電力監(jiān)控實(shí)施分3個層級監(jiān)控，分別為安防監(jiān)控，運(yùn)行環(huán)境監(jiān)控和智能檢修輔助監(jiān)控。安防監(jiān)控主要包括視頻監(jiān)控、電子圍欄監(jiān)控和消防監(jiān)控，運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測主要用于監(jiān)測電力設(shè)備室內(nèi)運(yùn)行環(huán)境，檢修輔助包括熱點(diǎn)溫度監(jiān)測、形變監(jiān)測和避雷器狀態(tài)監(jiān)測。物聯(lián)網(wǎng)電力的智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)從功能需求分析、性能需求分析、擴(kuò)展需求、運(yùn)行需求和安全需求5個方面入手，其中通過對終端數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，溫度傳感過程中需要設(shè)計4個模板：射頻模塊、繼電器、主控設(shè)備和溫度電流傳感器。文中設(shè)計的系統(tǒng)在電力智能監(jiān)控中具有一定應(yīng)用參考價值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);電力;電網(wǎng)監(jiān)控

中圖分類號：TN 913

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-757X（2020）11-0154-03

Abstract：In order to improvethe informationization and automation degree of intelligent monitoring in the power industry， based on the Internet of Things technology， design of the Internet of Things power monitoring platform was carried out， the software requirement design and the hardware preliminary design were carried out， and the application of examples was also carried out. The study found that power monitoring is implemented in three levels of monitoring， namely security monitoring， operating environment monitoring and intelligent maintenance auxiliary monitoring. Security monitoring mainly includes video monitoring， electronic fence monitoring and fire monitoring. Operating environment monitoring is mainly used to monitor the indoor operating environment of power equipment. Maintenance assistance includes hotspot temperature monitoring， deformation monitoring and arrester status monitoring. The intelligent monitoring system of the Internet of Things power should start from five aspects：functional demand analysis， performance demand analysis， expansion demand， operation demand and safety demand. Among them， by decomposing the terminal data， four templatesshould be designed during the temperature sensing process， i.e.，RF module， relays， main control equipment， and temperature， and current sensors. The system designed in this paper has certain application reference value in electric power intelligent monitoring.

Key words：Internet of Things;power;power grid monitoring

0?引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是近年來基于互聯(lián)網(wǎng)和5G通信技術(shù)所提出來的一種通過智能監(jiān)控設(shè)備與智能感知技術(shù)相結(jié)合并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜录夹g(shù)手段。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠使得物與物、人與物之間實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離實(shí)時交流，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)決斷和精確管理。自從2010年度我國政府首次提及“物聯(lián)網(wǎng)”概念后，國內(nèi)就物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行了全國性和戰(zhàn)略性的部署研究，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為各個行業(yè)全新的研究方向和焦點(diǎn)[1]。作為未來清潔能源的主要驅(qū)動力，電能在5G技術(shù)普及后的需求量會進(jìn)一步增大，如何發(fā)展高效安全的電力供應(yīng)方式，避免未來出現(xiàn)局部電力短缺現(xiàn)象是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一個重要落腳點(diǎn)。

國家電網(wǎng)已經(jīng)明確未來電網(wǎng)發(fā)展方向為互動化、信息化和自動化，因此智能電網(wǎng)建設(shè)勢在必行。研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在國內(nèi)外相關(guān)的研究成果發(fā)現(xiàn)，美國目前在電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面的成果頗多，目前該國家的主要研究方向為家庭電網(wǎng)智能化[2-4]。目前科羅拉多軸的波爾德市是最先實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化的城市，各類只能傳感器已經(jīng)在家庭中得到安裝部署并陸續(xù)投入運(yùn)行[5]。除美國外，日本、歐洲各國同樣進(jìn)行了較為深入的電網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)研究，例如日本東京大學(xué)就多種傳感器例如覆冰絕緣子、紅外測溫以及設(shè)備漏電等進(jìn)行電網(wǎng)狀態(tài)智能監(jiān)控研究[6]。我國近幾年部分學(xué)者同樣進(jìn)行了一些物聯(lián)網(wǎng)電力研究，例如，丁寬基于GIM技術(shù)建立了電網(wǎng)信息共享平臺，使得電網(wǎng)通信更為高效[7];高娟等建立了虛擬電感設(shè)計在電網(wǎng)監(jiān)控中的應(yīng)用實(shí)踐[8];曲燦武研究了Zigee技術(shù)的特征，用于電網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)分析[9];張軒濤等建立了10 kV變電站的物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)并進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用[10]。

但是，現(xiàn)有的研究成果大多數(shù)基于理論分析和軟件模擬，缺乏實(shí)踐應(yīng)用，并且物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)電力智能監(jiān)控中的應(yīng)用成果較為少見[11-12]。本文在分析了智能電網(wǎng)應(yīng)用情景的基礎(chǔ)上，將智能電力監(jiān)控架空與現(xiàn)實(shí)需求想聯(lián)系，通過對各種傳感器的集成方法以及軟件的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行研究，搭建了一個智能電網(wǎng)監(jiān)控平臺并進(jìn)行了實(shí)踐運(yùn)用。

1?物聯(lián)網(wǎng)電力監(jiān)控實(shí)施方案

分析電網(wǎng)智能監(jiān)控中所需要的實(shí)際場景，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠為電網(wǎng)所能提供的便利，將系統(tǒng)中與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合最為緊密的功能進(jìn)行分解，本文分析認(rèn)為研究的重心主要分為3個主要部分：安防監(jiān)控、運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測和智能輔修，如圖1所示。

安防監(jiān)控層：安防監(jiān)控層主要實(shí)現(xiàn)的是數(shù)據(jù)收集工作，該層級處在智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的最末層級，通過一些列感知設(shè)備和通信設(shè)施來實(shí)現(xiàn)，是物聯(lián)網(wǎng)信息感知必不可少的部分。通過分析電網(wǎng)監(jiān)控中的場景，初步確定安防監(jiān)控項目包括視頻監(jiān)控、電子圍欄監(jiān)控和消防監(jiān)控。

運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測層：運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測主要用于監(jiān)測電力設(shè)備室內(nèi)運(yùn)行環(huán)境，室內(nèi)溫濕度監(jiān)測傳感器用于監(jiān)測環(huán)境的適宜程度，氣體監(jiān)測用于感知?dú)怏w成分和濃度，水浸監(jiān)測用于發(fā)現(xiàn)可能的漏水情況。

智能檢修輔助層：智能檢修輔助為電網(wǎng)檢修人員提供檢修之前的必備檢修數(shù)據(jù)，并通過計算獲取檢修建議，檢修輔助包括熱點(diǎn)溫度監(jiān)測、形變監(jiān)測和避雷器狀態(tài)監(jiān)測。

2?監(jiān)控系統(tǒng)平臺設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控實(shí)施方案對電網(wǎng)運(yùn)行過程中的所收集的數(shù)據(jù)無法進(jìn)行處理，需要建立一個完善的監(jiān)控數(shù)據(jù)處理程序，只有這樣才能及時的反應(yīng)電網(wǎng)設(shè)備目前的運(yùn)行狀態(tài)和檢修狀況。本文的系統(tǒng)監(jiān)控平臺設(shè)計分為軟件設(shè)計和硬件設(shè)計兩部分，通過系統(tǒng)需求分析和硬件設(shè)計參數(shù)建立和完善了該預(yù)警平臺。

2.1?軟件設(shè)計

（1） 功能需求分析

從電力智能監(jiān)控設(shè)計角度出發(fā)，分析電力物聯(lián)網(wǎng)所需要實(shí)現(xiàn)的功能基本框架，其目標(biāo)在確保電力運(yùn)營正常并且降低電網(wǎng)不必要的損耗。從根本上分析智能電網(wǎng)監(jiān)控需要實(shí)現(xiàn)3個層級的功能，設(shè)備監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和系統(tǒng)分析層。因此，本文初步分析該智能監(jiān)控軟件平臺需要初步實(shí)現(xiàn)5個基本功能，如圖2所示。

A.數(shù)據(jù)采集功能：基于串口通信方式，實(shí)時收集各個傳感器的溫度、濕度、視頻等綜合信息;

B.數(shù)據(jù)顯示功能：將設(shè)備所收集到的綜合信息處理后接入計算機(jī)設(shè)備，通過顯示屏展示實(shí)時監(jiān)控;

C.數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能：通過存儲器調(diào)取過往監(jiān)控信息，對各種數(shù)字信息進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)潛在隱患;

D.平臺管理功能：監(jiān)控每個監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀況，并進(jìn)行實(shí)施反饋和統(tǒng)一管理;

E.監(jiān)控預(yù)警功能：對每種監(jiān)控數(shù)據(jù)和綜合監(jiān)控數(shù)據(jù)通過模擬設(shè)定一定的安全監(jiān)控值范圍，及時發(fā)現(xiàn)異常值并預(yù)警。

（2） 性能需求分析

電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行周期長，從系統(tǒng)的軟硬件具體實(shí)現(xiàn)功能為出發(fā)點(diǎn)，系統(tǒng)在使用過程中需要穩(wěn)定的工作環(huán)境和硬件支撐，因此對于硬件的基本性能要求要比一般設(shè)備要高，確保系統(tǒng)在運(yùn)行各種軟件不發(fā)生崩潰和傳輸效率問題。

（3） 擴(kuò)展需求分析

電力監(jiān)控設(shè)備處于初步設(shè)計階段和不斷完善的階段，傳統(tǒng)的電力設(shè)備改造難道大、成本高，因此在該系統(tǒng)平臺設(shè)計過程中需要考慮到未來更多的擴(kuò)展需求和多變量接口。在確保信息傳輸不受影響并穩(wěn)定運(yùn)行，在未來業(yè)務(wù)擴(kuò)展過程中，系統(tǒng)依然不改變原有架構(gòu)，與上層應(yīng)用進(jìn)行準(zhǔn)確銜接。

（4） 運(yùn)行需求分析

系統(tǒng)運(yùn)行需要具有良好的跨平臺適用性和獨(dú)特運(yùn)行能力，在不改變原有系統(tǒng)代碼的情況下能夠在不同操心系統(tǒng)平臺運(yùn)行并處理數(shù)據(jù)。

（5） 安全需求分析

電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性不容忽視，系統(tǒng)需要具備完備的管理員和用戶操作權(quán)限方案，數(shù)據(jù)傳輸需要采取加密手段提升數(shù)據(jù)安全性，并且能夠抵御一般病毒攻擊。

2.2?硬件設(shè)計

（1） 溫度傳感硬件設(shè)計

以溫度傳感器為例，通過對終端數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，溫度傳感過程中需要設(shè)計4個模板：射頻模塊、繼電器、主控設(shè)備和溫度電流傳感器。由于電力設(shè)備故障通常表現(xiàn)為電流增大設(shè)備溫度升高的現(xiàn)象，因此在傳感器硬件設(shè)計環(huán)節(jié)具體的數(shù)據(jù)采集流程為信號采集、數(shù)據(jù)Zigbee傳輸、數(shù)據(jù)集成處理、數(shù)據(jù)上傳控制模塊。節(jié)點(diǎn)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(guān)閉整個高壓設(shè)備開關(guān)。其工作流程設(shè)計圖，如圖3所示。

傳感器模塊是獲取關(guān)鍵信息的第一步，將不同的傳感器布置在系統(tǒng)中發(fā)揮的作用是不同的，本文的設(shè)計方案包括集成電路型傳感器（型號DS18B50，用于數(shù)據(jù)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(guān)工作狀態(tài)）。

詳細(xì)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(shù)值。試驗過程如下，當(dāng)減法計算器數(shù)值為1時，低溫情況下愛脈沖信號是減弱的;當(dāng)減法計數(shù)器數(shù)值為0時，計數(shù)器和寄存器同時開始變化，溫度計數(shù)器的數(shù)值和減法計數(shù)器同事升高。當(dāng)減法計數(shù)器的數(shù)值1開始緩慢上升過程總，溫度寄存器不再發(fā)生變化，數(shù)據(jù)測試工程中溫度寄存器中的數(shù)值是傳送至CC2530通信引腳上去。

其中數(shù)字溫度傳感器具有如下功能：（1） 數(shù)據(jù)采集過程的雙向傳輸;（2） 接口通用;（3） 測溫范圍大;（4） 并網(wǎng)組網(wǎng)過程中可以多點(diǎn)測量。同時該傳感器還能夠在系統(tǒng)的幫助先實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無損傳輸和保密傳輸。

（2） 無線傳輸硬件電路設(shè)計

本文所設(shè)計的無線傳輸模塊選擇ME3760模塊，為了實(shí)現(xiàn)入網(wǎng)效率、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和LET數(shù)據(jù)的高性能無線傳輸，同時滿足對數(shù)據(jù)和IP協(xié)議，本的硬件設(shè)備采用USB接口，并與S3C2240芯片相結(jié)合，其基本電路原理，如圖4所示。

該DS18B20型號（圖4）傳感器需要具備如下性能指標(biāo)：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(lián)多個傳感器實(shí)現(xiàn)同時測溫，傳感器無需獨(dú)立外援模塊獨(dú)立運(yùn)作，體積小適合多種試驗場所。

3?實(shí)例應(yīng)用

3.1?界面功能設(shè)計

本文的監(jiān)控界面設(shè)計中首先需要進(jìn)入用戶登錄環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)中每個用戶均具有完整的信息屬性和操作權(quán)限，并為每個用戶設(shè)定了用戶名和密碼。程序進(jìn)入后進(jìn)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(jìn)行實(shí)例化操作。實(shí)例化完成后搭建登錄框架并居中顯示。每次登錄系統(tǒng)均需要進(jìn)行用戶名和密碼輸入，若兩者相匹配則開始運(yùn)行工作程序，如圖5所示。

若用戶名和密碼不相匹配，則系統(tǒng)自動回到填寫用戶名和密碼的節(jié)目，直至匹配為止。

3.2?傳輸功能設(shè)計

本文的研究采用Swing程序設(shè)計系統(tǒng)的信息傳輸功能。該程序作為一個線程，能夠?qū)崿F(xiàn)所有線程的特點(diǎn)，主要分為3個階段，首先進(jìn)行線程初始化，然后進(jìn)行事件調(diào)度線程，若不影響程序運(yùn)行，則進(jìn)行事件調(diào)度工作。Swing程序主要進(jìn)行任務(wù)線程調(diào)度和通信，可以較好的處理各個線程之間的通信關(guān)系，并且不影響相互協(xié)作，在處理管理系統(tǒng)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)多線程工作，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下。

defineSwingWorker sw=new sw（）

{

protected Object do BG（） throws Exception

{

ObjectSET os=new ObjectServer（）;

ObjectSET.NET1 thread–os.new NET1（）;

ObjectSET.NET2 thread–os.new NET2（）;

T1.start（）;

T2.end（）;

return null;

}

};

Folder.run（）

3.3?數(shù)據(jù)分析設(shè)計

系統(tǒng)內(nèi)置監(jiān)測預(yù)警程序，通過在界面點(diǎn)擊需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)，那么管理系統(tǒng)將會給中間節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，通過監(jiān)聽8891端口創(chuàng)建服務(wù)器指令，若指令判斷可以監(jiān)聽，將會調(diào)取傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計分析，如圖6所示。

若監(jiān)聽指令并未得到反饋，判斷系統(tǒng)無法監(jiān)聽設(shè)備，則打開按鍵Socket，等待系統(tǒng)判斷是否重新發(fā)出指令，若依然無法獲取準(zhǔn)確指令數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)提示問題，程序運(yùn)行結(jié)束。

4?總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為電力智能化和信息化發(fā)展提供了全新的發(fā)展方向，本文通過分析電力自動化監(jiān)測過程需要實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測方案，就物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計方案和硬件設(shè)計方案進(jìn)行了詳細(xì)分析，并進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用，得到如下結(jié)論。

（1） 電力監(jiān)控需要實(shí)施三個層級的監(jiān)控策略，分別為安防監(jiān)控，運(yùn)行環(huán)境監(jiān)控和智能檢修輔助監(jiān)控。其中安防監(jiān)控主要包括視頻監(jiān)控、電子圍欄監(jiān)控和消防監(jiān)控，運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測主要用于監(jiān)測電力設(shè)備室內(nèi)運(yùn)行環(huán)境，檢修輔助包括熱點(diǎn)溫度監(jiān)測、形變監(jiān)測和避雷器狀態(tài)監(jiān)測。

（2） 物聯(lián)網(wǎng)電力只能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)從功能需求分析、性能需求分析、擴(kuò)展需求、運(yùn)行需求和安全需求5個方面入手，其中通過對終端數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，溫度傳感過程中需要設(shè)計4個模板：射頻模塊、繼電器、主控設(shè)備和溫度電流傳感器。由于電力設(shè)備故障通常表現(xiàn)為電流增大設(shè)備溫度升高的現(xiàn)象，因此在傳感器硬件設(shè)計環(huán)節(jié)具體的數(shù)據(jù)采集流程為信號采集、數(shù)據(jù)Zigbee傳輸、數(shù)據(jù)集成處理、數(shù)據(jù)上傳控制模塊。

（3） 本文的研究試件基于白天光線較好的自動化監(jiān)測環(huán)境，在夜間或者雷雨天氣可能存在一定影響，因此未來本文的研究方向應(yīng)重點(diǎn)考慮融合更加精細(xì)的傳感器方案，降低環(huán)境噪點(diǎn)，獲取更為精確的自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)。

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（收稿日期：2020.04.11）