基于物聯網技術的變電站遠程監控系統設計

趙冬義，陸 爽，金羽喬，董宇馨

（1.嘉興恒創電力設計研究院有限公司，浙江嘉興 314000；2.國網嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

隨著物聯網技術不斷擴寬應用領域，物聯網技術不僅可以提升信息領域的操作程度，還廣泛應用到變電站電力基建施工現場的遠程監控領域中[1]。傳統變電站遠程監控系統長時間運轉后，會出現不同程度的問題，存在監控自動忽略基建施工過程的危險因素，造成嚴重后果[2-3]。

目前，物聯網技術最超前的功能是通過數據信息傳感模塊，將基建施工現場與變電站運行網絡連接，實現運行數據信息的實時交換，完成遠程基建施工現場的智能化定位、跟蹤，實現實時準確的監測。因此，文中提出基于物聯網技術的變電站遠程監控系統的設計。該系統硬件區域由DS20BB 數字溫度傳感器、芯片、USB 接口、節點控制器、電源組成，選擇DS20BB 數字溫度傳感器作為核心傳感器，同時提供電能輸送通道、通信通道，傳感器的3 個引腳。通過環境監控模塊、動力監控模塊以及運行監測模塊實現軟件的設計。實驗結果表明：該文系統可有效提升變電站監控效果，具有現實重要意義。

1 變電站遠程監控系統硬件設計

變電站遠程監控系統硬件是系統的核心部分，只有硬件區域的配置足夠高，才能承擔起大型變電站遠程監控的運行，為遠程監控系統的正常運行提供保障[4]。該文設計的基于物聯網技術的變電站遠程監控系統硬件區域由DS20BB 數字溫度傳感器、芯片、USB 接口、節點控制器、電源組成。硬件區域結構如圖1 所示。

圖1 變電站遠程監控系統硬件區域結構

不同型號的溫度傳感器在系統運行中會產生不一樣的運行結果，該文選擇DS20BB 數字溫度傳感器，此傳感器通過雙向通信完成變電站運行信息的收集，并且不需要借助其他設備可單獨完成通信。雙向通信方式是目前通信領域提出的新通信方式，是一種可提升信息運輸安全性的方式，避免變電站錯誤信息干擾所有信息[5-6]。另外，DS20BB溫度傳感器與其他硬件設備的接口連接簡單，但此傳感器對變電站的信息數據十分敏感，不易產生錯漏數據。DS20BB 溫度傳感器具有自帶的保護殼，如果檢測到變電站運行環境內部溫度超過正常限定標準，則立即對數據進行獨立保存，保證變電站的安全[7-8]。

該文設計的傳感器包括3 個引腳，分別為接地、提供電能輸送通道、通信通道，其代表變電站運行的3 個區域，引腳數量越少，則傳感器接收信號越穩定[9]。傳感器采集數據時電路原理如圖2 所示。

圖2 傳感器模擬電路示意圖

該文使用的芯片可以監測變電站數據的整體運行情況，被廣泛地應用于各大硬件區域。該文應用的DF芯片在很小的電流下可完成一個周期的數據識別。DF芯片的復位零件在芯片的右下角25 μs 區域附近，此芯片提供硬件區域運轉速度為25 r/s，另外還具有較高的抗信號干擾能力，在變電站遠程監控系統運行過程中，芯片只識別相關性能的數據大小，判斷變電站的運行狀態。DF芯片具有3 個引腳，分別連同硬件區域信號的輸送、軟件與硬件區域的數據傳輸以及變電站硬件區域不同信號通道[10]。

硬件區域設計的USB 特殊接口連接的是網關微處理器和節點控制器，兩個區域是基于大數據技術的變電站遠程監控系統硬件區域的主要設備[11]。USB 存在兩個接口，其中一個接口完成以上信息的傳輸，另一個接口作為替補接口，如遇特殊情況時使用。此USB 接口的運行電壓為3 V，接口傳輸效率高達1 436 GB/s，提高了變電站遠程監控信息的傳遞，為突發事件的處理提供了有效時間。接口的引腳與PD芯片的引腳相連接，如果硬件區域的電壓值過高，會導致接口引腳與接地的引腳相連接，那么硬件區域與軟件區域的信息無法對接，導致設備停止工作，電路原理如圖3 所示。

圖3 硬件區域接口與芯片連接電路原理圖

硬件區域的電源型號為MAX176，該電源的規格為220 V 和380 V，可以輕松承載起變電站對基建施工現場的遠程監控系統的運行。為保證電源能輸出穩定的電壓，該文采用TY41 材質內核，其電源輸出通過下列公式計算，即：

其中，Vout為輸出電壓，R1為電源電路串聯阻值。

根據不同遠程基建施工內容，通過式（1）計算出R1的數值。R0的阻值固定為330 Ω，根據式（2）計算電源輸送過程中的電阻值，根據式（3）驗證該次電源輸出的電流是否滿足基建施工的電流要求，如果不滿足條件，需進一步改善電源的電流[12-13]。

2 變電站遠程監控系統軟件設計

基于物聯網技術的變電站遠程監控系統軟件的工作是完成變電站協助基建施工現場的遠程監控，防止意外發生，基建施工現場主要包括礦井、公路、農田水利、橋梁的施工過程。

遠程監控系統軟件區域設計了3 個模塊，分別為環境監控模塊、動力監控模塊以及運行監測模塊[14]。軟件功能框架如圖4 所示。

圖4 遠程監控系統軟件區域功能框架

環境監控模塊的工作是監測基建遠程施工建筑情況，保證其施工環境的安全，為基建施工現場提供穩定運行的基礎。環境監控模塊由內部溫度感知器、環境入侵報警器和突發自然災害監測器構成。

環境入侵報警器通過物聯網技術，實時分析遠程基建施工現場的環境，查找是否存在除施工機器、器具以外的不明物體進入遠程監控覆蓋的環境區域，一旦發現不明物體，立即發出報警信號，防止意外發生。突發自然報警器通過網絡的天氣預判，對監控環境進行不同等級的自然災害預警監測[15-16]

變電站遠程監測系統軟件區域的動力監控模塊提供基建施工設備的工作動力源，監控遠程變電站的運行狀態，實時監測其是否具有正常發電動力的能力。在動力監測模塊的監測運行過程，通過實時采集基建設備的運行數據，對比遠程變電站發電電源的電壓電流和側電壓電流的比值，如果比值在正常運轉范圍內，則遠程變電站的基建施工設備運行安全穩定。

變電站運行輔助模塊是監督基建施工設備穩定運行的關鍵，主要通過智能機器人實時現場巡邏、檢查，基于物聯網技術的智能機器人監測通過采集相關信號實現。在此過程中，工作人員提前向機器人錄入正常運行設備特有信號源，一旦機器人察覺到運行設備發出的信號源不正常，則立即向系統反饋，工作人員會調用遠程監控系統反饋設備近階段運行數據，進行故障排查，完成遠程監控操作。

3 實驗分析

在上述監控系統設計后，集中收集系統監控數據，以設計的系統為實驗對象進行系統功能檢驗，設置檢驗參數指標為：1）監控圖像清晰度；2）信號接收完整度。

實驗以變電站為中心，選用物聯網通信協議對監控系統進行情景分層，分析不同情景下協議簽訂內容。對變電站內部高低壓開關進行控制，確保實驗過程中不會出現因電壓電流過大而導致的實驗中斷問題。

按照變電站輸入的電流與電壓信息加大對變電站周圍電流的處理力度，及時控制電流的走向。在穩定電流走向后，輸入監控參數，從顯示板中獲取監控圖像信息，并根據控制后的信號數據，獲取監控圖像清晰度對比結果，如圖5 所示。

圖5 監控圖像清晰度對比

分析圖5 可以看出，該文基于物聯網技術的變電站遠程監控系統設計的監控圖像清晰度高于其他兩種傳統系統。這是由于該文監控系統在設計過程中針對系統硬件區域調整傳感器，時刻輸送需進行監控的數據影像，確保系統的穩定運行。根據不同的傳感角度分配傳感場景，同時加強場景分層處理，控制場景內部信息，標記與變電站傳輸型號相似的監控數據，提升整體監控系統監控水平。當變電站產生異常信號時，預警系統將自動啟動，并將異常數據排除于監控系統外，根據所需調節的系統信息，處理內部監控操作，并及時掌握異常信息的變動狀況，追蹤變動方向。連續采集異常信息，發送相同信息數據，并進行標記，避免后續系統產生相似異常數據。由此，獲取較為精準的變電站內部系統數據，提升整體監控圖像的清晰程度。

為進一步驗證該文系統的可行性，檢驗監控系統的信號接收完整度，將變電站的電能輸送機制調整至正常狀態，并運行實驗審核程序，當程序緩慢運行時，檢驗監控系統的信號接收狀況，獲取其信號接收完整度，實驗結果如圖6 所示。

圖6 信號接收完整度對比圖

根據圖6 可知，該文基于物聯網技術的變電站遠程監控系統的信號接收完整度均高于其他傳統監控系統。這是因為該文監控系統按照系統的基礎構造進行軟件程序連接，在控制變電站的發電信號的同時管理與發電信號相似程度較高的電流數據。按照變電站的發電法對電流數據進行基礎性調節。在軟件程序中輸入初始過濾程序，保證軟件能夠在安全穩定的環境下運行。避免系統傳感器因負載功率過大而導致的系統監控失誤。并將變壓器的中心調控設備安裝至變電站遠程監控系統的數據流檢測空間中，強化調控設備的監管力度，加大對被監控對象的互聯網連接力度，及時控制物聯網信號輸入與輸出速率，時刻檢驗信號速率是否符合系統監控標準。當產生不合格信號時，系統將清除該信號，直至監控系統內部無不良信號的產生，僅剩余變電站發射的正常信號。據此增強監控系統的整體信號接收完整度，獲取良好的監控結果數據。

綜上所述，該文設計的基于物聯網技術的變電站遠程監控系統監控性能良好，能夠在不同的變電站環境下掌握電流變化情況，及時緩解變電站電力輸送壓力，實現對監控系統的強化。

4 結束語

文中基于物聯網技術的變電站遠程監控系統硬件區域和軟件區域的設計，以基建施工現場的情況作為研究變量，準確分析各個軟件區域模塊的運行過程，對變電站輔助工作遠程基建施工項目進行實時監控。實驗結果表明，文中設計的變電站監控系統可對施工現場進行有效監控，具有一定意義。