基于物聯網的配網戶外箱柜預警遠程智能監控系統?

尉 鑌，李震宇，王海鵬，王中杰，胡 多

(國網山西省電力公司，山西 太原 030021)

配網戶外箱柜是保障配網電力供應的重要環節，配網戶外箱柜的安全穩定運行是確保配網安全可靠運行的關鍵，因此有必要及時準確地掌握配網戶外箱柜的實時運行狀態和參數[1－2]。然而隨著我國智能配電網建設的不斷發展，配網戶外箱柜數量以及需要采集的信息量越來越多，且配網戶外箱柜不同監測點的數據特征存在差異，海量的多源異構數據給配網戶外箱柜監測終端帶來了壓力，給現場檢測人員以及箱柜預警帶來了較大挑戰。因此研究配網戶外箱柜運行狀態的遠程在線監測和故障預警具有重大實際工程應用需求[3－4]，能夠幫助配網調控人員減輕工作量，提高配網戶外箱柜的運行效率和優化當前配網運行效率。

當前大部分配網戶外箱柜采用基于人工現場運維的預警監測模式，主要是通過現場運維人員手動攜帶檢測終端對配網戶外箱柜進行檢測。由于配網戶外箱柜所需要監測的點多面廣，增加了人工現場檢測方式的工作量和難度，同時人工現場的預警方式大都依賴于人工經驗分析，容易受工作人員主觀因素影響，從而降低了配網戶外箱柜預警的可靠性和效率。

針對上述配網戶外箱柜預警所面臨的問題和挑戰，目前被廣泛應用的方法之一是遠程在線監測的智能預警方式[5－6]。近年來，物聯網技術的快速發展推進了智能配電網的建設進程，基于物聯網的遠程監測和預警技術在電網企業以及科研院所等得到了廣泛關注和應用，該技術在目前電力設備遠程監測、故障預警中的應用也日益成熟[7－10]。國家電網公司將物聯網的概念引入到電力系統中來，提出了泛在電力物聯網基本概念，并針對電力物聯網在電力系統運行與控制中的應用說明了泛在電力物聯網對提升電網業務發展的重大價值和意義[11－12]。

因此，本文提出一種基于物聯網的配網戶外箱柜預警遠程智能監控系統，整合物聯網平臺的配網戶外箱柜運行狀態的信息資源融合共享優勢，采用分布式計算資源以及存儲資源功能，提高配網戶外箱柜遠程監控分析的速度、效率和可靠性。從而能夠全面提高配網戶外箱柜的預警管理水平，保證配網戶外箱柜的安全穩定運行。

1 配網戶外箱柜預警物聯網系統

1.1 需求分析

物聯網的基本含義是不同事物之間以及事物與人員之間，通過多種類型的信息傳感設備，結合已有的大數據、云平臺和移動通訊技術[13－15]，構建一個巨大的萬物互聯網絡。該物聯網絡的主要功能包括:(1)對不同設備元件的運行狀態進行感知；(2)對物聯網不同網絡節點的電氣信息量進行監測；(3)對系統不同類設備的健康狀態進行預警；(4)實時監測不同設備的運行狀態；(5)管理系統設備的基本信息。物聯網可實現系統的萬物互聯和網絡互動，能夠對采集的多源信息數據有效整合，從而提高應用對象的可靠性以及可用性，從而優化設備的運行和管理。

因此，配網戶外箱柜預警物聯網系統建設能夠支撐戶外箱柜預智能化、數字化和信息化管理水平，為構建配電網戶外箱柜在線遠程預警提供技術支撐。采用物聯網的配網戶外箱柜預警遠程智能監控系統以實用性、先進性、可靠性、靈活性以及擴展與集成性等為基本原則和目標。配網戶外箱柜預警遠程監控系統以基于物聯網的支撐平臺為基礎，其核心包括終端感知采集系統、云服務平臺管理系統和移動客戶端系統，全面感知、采集和獲取配網戶外箱柜運行信息，并通過智能數據處理算法實現配網戶外箱柜預警的遠程智能監控。

1.2 總體架構

將物聯網技術應用于配網戶外箱柜預警遠程智能監控系統的總體框圖如圖1 所示。配網戶外箱柜預警遠程智能監控系統的基本組成主要包括采集層、平臺層、網絡層和應用層，其中采集層以終端感知采集系統作為載體，主要是對監控任務進行接收并優化監控策略，且實現對監控業務數據的查詢以及對被監控配網戶外箱柜的基本信息的采集和處理，最后將所采集到的配網戶外箱柜基本信息數據傳送到應用層；網絡層是以新一代通信技術來建立系統網絡信息交互通道，依據通信網絡安全和數據類型可分為內網和互聯外網，網絡層具有串行通信、電話網絡通信、Wifi 無線通信、Lora 通信以及以太網通信等多樣化的通信方式，進而根據不同業務應用場景的需求來選取合適的通信方式；平臺層主要是存儲和管理配網戶外箱柜預警遠程智能監控業務的海量數據，實現多源數據信息的互通和共享，平臺層不僅對網絡層所傳輸的多源數據進行收集，而且為配網戶外箱柜預警遠程智能監控業務的應用提供數據共享服務；應用層是基于海量的遠程智能監控數據，結合配網戶外箱柜運行特點，采用智能算法建立配網戶外箱柜狀態評估、故障預警模型。

圖1 配網戶外箱柜預警物聯網系統總體架構

2 遠程智能監控系統方案

基于物聯網的配網戶外箱柜預警遠程智能監控系統主要是實現配網戶外箱柜運行狀態的管理工作，通過對配網戶外箱柜運行狀態的信息采集、數據分析處理以及邏輯判斷來對配網戶外箱柜基本運行參數的在線監測。基于物聯網的配網戶外箱柜預警遠程智能監控系統基本功能包括數據采集平臺、云平臺存儲單元、新一代互聯網應用技術、接口模塊和后臺用戶管理等，主要由終端感知采集系統、云服務平臺管理系統和移動客戶端系統等功能子模塊來實現，能夠完成配網戶外箱柜的數據采集、存儲、處理和分析，進而實現配網戶外箱柜的預警。遠程智能監控系統以物聯網平臺為基礎，其終端感知采集系統主要功能是對各個配網戶外箱柜監測點的數據信號采集、讀取和存儲，主要包含主控單元和多傳感器系統組成。通過終端感知采集系統得到各類數據之后，對采集的配網戶外箱柜數據進行在線分析，能夠為其預警過程提供有效、可靠的依據。

基于物聯網的配網戶外箱柜預警遠程智能監控系統的功能總體架構如圖2 所示，主要組成部分包括數據采集平臺、后臺服務層和前臺應用層，其中數據采集平臺依托于物聯網平臺的感知層，其主要功能是通過采集到的配網戶外箱柜運行狀態信息來記錄箱柜的異常特征，并構建配網戶外箱柜異常事件列表，根據異常知識庫專家規則將歷史知識庫存放在物聯網平臺的數據存儲系統中；后臺服務層依托于物聯網平臺的平臺層，其主要功能是分類統計、計算所采集到的各類運行數據，實現配網戶外箱柜預警分析、處理的流程化和智能化；前臺應用層依托于物聯網平臺的應用層，其主要功能是實現箱柜預警、評價和查詢等基礎業務的應用。

圖2 配網戶外箱柜預警遠程智能監控系統綜合架構

2.1 終端感知采集系統

遠程智能監控系統的終端感知采集系統主要由傳感網絡組成，其基本功能是對各個配網戶外箱柜監測點的數據信號采集、讀取和存儲，主要包含主控單元、多類型傳感器、智能網關以及通信網絡所組成。傳感網絡主控單元以ARM 作為核心處理器，其設計模式為2 層結構方式，以光纖通信和無線通信相結合的靈活通信組網方式，具有分布式計算和預警功能。遠程智能監控系統的終端感知采集系統基本結構如圖3 所示，基本功能模塊包括多類型傳感器、監測智能電子設備和電源模塊。

圖3 終端感知采集系統結構示意圖

傳感器模塊采用具有一定智能化功能的智能傳感器，基本結構包括信號采集單元、智能處理單元、通信單元、存儲單元以及電源模塊等，其基本功能包括:(1)智能傳感器具備雙向數據通信的功能，能夠利用數據傳輸或者指令接收來完成各項功能；(2)智能傳感器能夠對采集的數據進行初步的處理分析和診斷；(3)具有可靠的內部電源模塊，且能夠對電源進行管理；(4)滿足傳感電路集成化以及小型化的要求。

監測智能電子設備主要功能是對采集到的數據信息進行接收和發送，并對配網戶外箱柜狀態信息進行綜合分析和處理，其基本功能要求包括:(1)能夠為各類傳感器接入提供通信接口，從而確保不同類型傳感器能夠自適應地接入到監測智能電子設備；(2)具有支持不同傳感器之間數據通信交互能力；(3)能夠對采集到的數據進行分析和處理，支撐傳感器網絡的分布式數據計算和協同。

電源模塊采用電池取能的供電方式，且具有電源管理功能，其基本功能要求包括:(1)具備對取能模塊輸出電壓進行電能變換的電壓轉換功能，能夠提供穩定的輸出電壓；(2)能夠實現電源優化管理功能，確保電源的安全、可靠利用，為終端感知采集系統提供穩定的電能供應。

2.2 云服務平臺管理系統

云服務平臺管理系統是配網戶外箱柜預警物聯網系統平臺層的核心模塊，其具備分布式計算和故障預警等功能，能夠實現監測系統傳感網絡對配網戶外箱柜狀態信息的智能化處理，云服務平臺管理系統基本架構如圖4 所示。

圖4 云服務平臺管理系統基本架構

配網戶外箱柜預警遠程智能監控系統的基本功能是以數據信息整理存儲以及箱柜故障預警為主，其基本組成部分包括基礎設施云、數據管理云、存儲和計算分配云以及故障預警云。

(1)基礎設施云

基礎設施云包括平臺層的硬件部分和軟件部分，硬件組成部分主要包括存儲系統和通信系統的硬件實施；而軟件部分則包括基本的操作系統、虛擬化管控軟件、分布式文件系統、分布式數據庫、分布式管理軟件、監測任務處理、箱柜故障初步預警以及云服務模型開發等。

(2)數據管理云

數據管理云主要是對智能監控系統傳感網絡中的數據進行管理，該類數據主要包括兩部分:配網戶外箱柜的實測數據和故障預警方法。由于配網戶外箱柜的實測數據和故障預警方法之間的關聯信息是分布式存儲在監控系統傳感網絡中，因此數據管理云的主要任務是需要準確獲取配網戶外箱柜多傳感器所采集信息數據之間的關聯關系。

(3)存儲和計算分配云

當智能傳感器所采集到的數據傳輸到監測智能電子設備時，由于所采集到數據量而需要較大的存儲量，需將智能傳感器采集到的箱柜多源信息數據存儲在整個傳感網絡當中，因此采用基于云服務平臺的分布式存儲技術。而基于該數據對配網戶外箱柜進行故障預警時，采用基于云平臺的分布式計算方法對大量數據和預警算法進行分析和處理，以實現計算任務的合理有效分配。

(4)故障預警云

基于物聯網的配網戶外箱柜預警遠程智能監控系統需要傳感網絡中對配網戶外箱柜的運行狀態進行初步的診斷和預警，該項任務在云服務平臺管理系統的故障預警云中實現。故障預警云在數據管理云的基礎上，采用分布式計算方法來實現箱柜運行狀態的故障預警，其主要完成的任務包括:針對配網戶外箱柜某一故障類型來選取合適的故障預警、診斷算法，對該方法所需要的數據進行選擇和調配，實現計算任務的分配，給出故障預警結果。

2.3 移動客戶端系統

移動客戶端系統處于配網戶外箱柜預警物聯網系統的應用層，主要包括配網戶外箱柜預警信息處理模塊、統計模塊以及箱柜檢測維護模塊等。其中報警信息處理模塊主要功能是實現箱柜故障提醒以及誤報復位等功能；統計模塊是實現配網戶外箱柜的故障預警統計和查詢；箱柜檢測維護模塊包括配網戶外箱柜故障信息、異常報告、檢測報告和維修報告等。移動客戶端應用模塊如圖5 所示。

圖5 移動客戶端應用模塊

3 關鍵技術

鑒于基于物聯網的配網戶外箱柜預警遠程智能監控系統的技術特點，遠程智能監控系統方案需要解決以下幾個關鍵問題。

(1)多源數據標準化

配網戶外箱柜物聯網由于監測的設備種類和參數較多，布置了大量的傳感器，因此終端感知采集系統獲取海量的不同類型數據。因此，對多源海量數據制定統一的數據格式標準，使其在傳感網絡中能靈活地存儲和調用。文中采用數據源的方式來制定統一數據標準，一個數據源的基本組成包括數據來源、數據類型、數據大小以及數據內部關系等，且采用分布式存儲技術將數據源進行存儲。

(2)數據存儲及調用

為有效管理配網戶外箱柜預警遠程智能監控系統的數據，避免多源數據的冗余和丟失，文中采用分布式數據庫和數據優化策略來實現數據的有效管控。為實現數據的分布式存儲，提出一種基于數據相關性的多副本一致性哈希數據存儲算法，對數據采集時間、數據采集位置和自定義相關性等3 個副本進行定義，分別采用一致哈希方法將第1 個副本數據的位置、第2 個副本數據的采集時間以及第3個副本依據自定義相關系數進行哈希映射，且算法運行中需要建立哈希環，分布式存儲算法配置基本原理如圖6 所示。

圖6 分布式存儲算法示意圖

在數據分布式存儲基礎上，在故障預警發生之前，提前將分布式數據庫中的有效數據讀取出來，因此能夠有效減少數據傳輸命令后的數據讀取時間和任務執行的等待時間，有效提升了數據計算處理的效率。同時采用數據管理云來完成數據的調用。

(3)分布式計算技術

傳感網絡在對配網戶外箱柜進行故障預警時，存在較大的工作量，為了提升數據計算效率，傳感網絡采用預處理和動態處理相結合的方式。在分配任務前，預先了解各個監測智能電子設備的內存、計算模塊占用量等工作狀態，采用動態調配方式來實現任務的分配。在此基礎上，采用容錯機制以及任務再分配技術來實現多源數據的分布式計算功能。分布式計算示意圖如圖7 所示，當一個或多個主智能電子設備失效時，可將當前任務轉移到其他主智能電子設備上繼續執行，進而實現分布式計算功能。

圖7 分布式計算算法示意圖

(4)箱柜異常知識庫

配網戶外箱柜異常事件知識庫不僅具備存儲戶外箱柜異常事件功能之外，還具有查詢、刪除以及修改的功能。配網戶外箱柜異常知識庫除了對監測和預警的異常結果進行錄入之外，還需記錄和存儲大量的歷史異常事件，并進行定期的修改和完善更新，為故障預警結果提供一個更精確的參考。為進一步對配網戶外箱柜異常事件庫進行驗證，通過故障仿真平臺模擬輸出異常事件，對配網戶外箱柜進行試驗，驗證其對異常事件判別、記錄、匯報等功能。

(5)故障預警技術

配網戶外箱柜故障通常是因為異常信息所導致，對箱柜異常信息的分析和判斷即可完成配網戶外箱柜的故障預警。通過終端感知采集系統獲取大量的配網戶外箱柜運行狀態和參數數據，從時間維度和空間維度建立異常特征計算和分析模型。同時，在云服務管理平臺基礎上，引入智能算法對采集到的戶外箱柜數據進行統計和分析，實現配網戶外箱柜的故障預警功能。同時能夠通過數據管理云實現信息多維度查詢、預警結果顯示以及報表、展示等預警結果的可視化。

4 實際應用

為了驗證本文基于物聯網的配網戶外箱柜預警遠程智能監控系統的實際效果，以某省供電公司的配網戶外箱柜運行數據為例，對配網戶外箱柜運行情況進行了監測和預警分析，并與傳統的預警遠程監控系統進行了對比和分析。

選取配網10 個戶外箱柜作為監測對象，以監測的溫度結果為例，如表1 所示，由監測結果可知，本文設計的配網戶外箱柜預警遠程智能監控系統監測的溫度結果與實際溫度之間的誤差更小，因而具有更高的監測精度。

表1 溫度監測結果對比

另一方面，配網某一戶外箱柜處存在6 處故障，對故障預警的效率和精度分別進行了對比和分析。配網戶外箱柜預警效率測試結果如圖8 所示，由結果可知，隨著故障預警分析時間的不斷增加，配網戶外箱柜故障預警的數量也隨之增加，而本文所設計遠程智能監控系統的故障預警方法在第11 min 即可將6 處故障全部檢測出來，而傳統方法在第18 min 的時候只能檢測出3 處故障。因此本文方法相較于傳統方法而言，具有更加精確、快速的故障預警分析結果。

圖8 故障預警分析效率對比

5 結論

針對我國配網戶外箱柜預警遠程監控的實用化需求，提出了基于物聯網的配網戶外箱柜預警遠程智能監控系統，給出了物聯網技術在預警遠程智能監控中的應用需求和聯網系統總體架構。從終端感知采集系統、云服務平臺管理系統和移動客戶端系統等功能子模塊詳細闡述了配網戶外箱柜預警遠程智能監控系統方案的總體實現方法，并分析了遠程智能監控系統中的多源數據標準化、數據存儲及調用、分布式計算技術、箱柜異常知識庫和故障預警技術等關鍵技術。實際應用結果表明:設計的系統能夠有效監控配網戶外箱柜的運行狀態和提高故障預警分析精度，為戶外箱柜的安全管理提供了可靠有效的技術支撐。