一種部署于電力企業內部即時通訊平臺的變電站箱體態勢感知輔助研究與應用

林谷琛，李文波

（廣東電網有限責任公司汕頭供電局，廣東汕頭，515041）

1 變電站內端子箱和機構箱智能監控的必要性

端子箱、匯控柜、機構箱等箱體是變電站的重要設備，起到動力、控制、測量和保護作用。在大風雨雪天氣下，變電站端子箱和機構箱由于機械磨損、損壞、鎖不可靠等各種原因進水，導致箱內二次回路絕緣水平降低，回路短路或開路，嚴重時甚至會引起保護誤動作，引發變電站大面積停電事故，造成重大的經濟損失以及社會不良影響。

常規變電站端子箱和機構箱內部均裝設了離線的溫濕度傳感及加熱、除濕裝置；傳統的設備故障處理方式為設備出現故障后，需要由工作人員進行故障位置判斷和故障排查，檢查加熱器的一般方法是用手感知加熱器的溫度。

該方法存在以下缺點：一是檢查“加熱器”時間長且流程復雜；二是檢查過程存在觸電風險；三是檢查過程存在燙傷風險[1]。因此，在人力成本高的情況下如何提升管理的信息化建設，成為現有技術中要解決的主要問題。

目前較為成熟的端子箱在線態勢感知方案一般包括硬件和配套的云系統；硬件包括配套的溫濕度傳感及加熱、除濕裝置；云系統為阿里云、騰訊云或是第三方企業自建云；

現有的系統內各類端子箱、電纜溝態勢感知存在如下問題：

（1）因電力企業網絡安全的原因，基本處于停用狀態；

（2）兼容性差，往往只兼容本廠家的硬件，若要兼容其他廠家的硬件，造價高；

本文針對上述情況提出一種部署于電力企業內部及時通訊平臺的變電站內端子箱和機構箱的智能監控方法及裝置，可以將測量到的溫度、濕度等數據通過互聯網上傳至電力企業內部移動應用平臺，以實現對變電站內端子箱和機構箱的實時監控，對存在的故障信息的及時上報，這樣運行維護人員不必到現場檢查，就可判斷加熱器是否正常工作，而且更加快速、準確、安全，進而提高故障處理效率，降低管理成本。微環境監測架構圖如圖1 所示。

圖1 微環境監測架構圖

2 變電站內端子箱和機構箱的智能監控方法及裝置設計

■2.1 網絡結構的設計

變電站內端子箱和機構箱的智能監控的網絡結構設計采用一個中心多個監控節點的分層、分級管理模式，設置一個監控中心，該中心與各個受控點的數據信息采集處理器之間利用現有資源組建一個通信監控網絡，實現由監控中心集中采集、監控、處理各個節點信息的功能。變電站作為一個獨立監控的對象，安裝信息采集處理器，負責接收和處理變電站內各類傳感器的數據，使用戶能夠實時獲取所需要的信息，網絡結構如圖2 所示。

圖2 網絡結構圖

監控LoRa 節點對應變電站內設備綁定的溫濕度傳感器、氣味傳感器以及柜門開合傳感器等，能實時上報所在環境溫濕度、氣味、柜門開合狀態等數據，完成無線自組傳感器網絡與站內網絡的互連，與站區內交換機進行數據交換。

LoRa 網關數據采集器對應站區內的網關、交換機等，作為數據的中轉站，通過LoRa 無線通信技術將各個監控LoRa 節點的數據信息匯集在站端交換機上并與監控中心服務器進行交換，然后通過互聯網上傳至監控中心服務器上。

監控中心服務器對應該套系統的服務器平臺，即實現終端設備數據的提取和查看的服務器或設備。

■2.2 傳感器

本設計所使用的智能溫度濕度采集器等傳感器的核心采用高性能低功耗的嵌入式單片機，搭配LoRa 基帶芯片構成，外圍傳感器根據現場環境和數據采集精度的要求搭配不同的溫度濕度傳感器。

嵌入式單片機主要負責驅動溫度濕度等傳感器采集數據，驅動LoRa 基帶芯片，將采集到的數據通過無線通訊技術上傳給LoRa 網關設備。數據通過網關設備后經由公網傳送到服務器。服務器再通過云服務將數據消息推送給手機端的APP，實現遠程監控。

此外，嵌入式單片機還預留出一定的通用接口，便于后續的其他傳感器的加入。

■2.3 LoRa 微功率無線數據傳輸技術

本設計采用LoRa 微功率無線數據傳輸技術作為傳感器數據采集和上傳。

LoRa (Long Range Radio) 是低功耗廣域網(LPWAN)中的一種技術，采用線性跳頻脈沖系統(Chirp)，利用線性跳頻脈沖調制信號，擴展通信信號頻譜帶寬，以實現擴頻通信，并獲得較好的抗干擾性能[2]。在物聯網技術中低功耗、遠距離無線傳感網絡起著至關重要的地位，與其它無線傳感網絡相比較，基于LoRa 的無線傳感網絡可以適應更遠距離、低功耗的應用場合。

變電站物聯網建設采用LoRa 微功率無線數據傳輸技術有以下優點：

（1）功耗低。傳感器需要電池供電，而且變電站設備繁多，若功耗過高則需頻繁且大量更換電池，加大了運維成本。除此之外，傳感器單次傳輸數據量極小，且傳輸頻次低，LoRa 微功率無線數據傳輸技術正好適用于這種情況。

（2）網絡安全性高。電力系統作為國家能源支柱行業對內外網有嚴格的隔離要求，跟電力生產相關的數據不能走公網。通過LoRa 網絡，變電站可以搭建自己的物聯網私有網絡。除此之外，LoRa 網絡還具有雙向認證、完整性校驗和保密機制來保障安全性[3]。

（3）覆蓋廣。LoRa 微功率無線數據傳輸技術長距離通信和抗干擾性高的特點，使得LoRa 網關數據采集器完全能滿足變電所內信號全覆蓋。

■2.4 服務器平臺及移動終端功能的實現

2.4.1 服務器平臺功能的實現

服務器平臺通過接收各個站端監控節點的數據信息，整理匯集后向各級終端發出信息推送并在各級終端顯示。

各級終端上可實時顯示端子箱和機構箱的運行信息，便于運維人員實時知悉設備的運行狀態。采集的數據可運用于大數據分析，以發現設備故障及老化規律。終端還支持報警功能。可以在終端上對必要的數據設置一定的閥值，服務器將實時與實際運行信息以及閥值信息進行比對，超出閥值時將會生成報警信息，并將報警信息反饋至各級終端進行報警顯示。此外，終端上還支持搜索功能，對具體站點、具體位置或者傳感器編號進行搜索，以便于快速獲取實時信息或者歷史報警信息。

服務器平臺的開發使用Python+djiango 框架。python 十分貼近自然語言，易學易用，十分方便開發和后期維護。Python 相關資源幾乎完全免費開源，強大的技術生態為項目提供了有力保障，且成本低廉。python 內置的許多特性，也降低了開發人員的開發負擔，比如自動內存管理，完全屏蔽了C++的手動內存管理的缺陷，使得開發人員只需專注于業務的開發實現。Djiango 作為python 領域最好用的框架，同樣具備簡單易用的特點。比如其內置contrib，不用寫一行代碼就可以搭建完整的后臺管理界面。另外Djiango 具備完備的錯誤提示設計，支持插拔，解耦做到了極致，大為提高了系統的健壯性和可維護性。

數據庫則選用MySQL。MySQL 體積小、速度快、成本低、支持多線程、支持多種開發語言、開放源代碼、跨平臺特性優越。

服務器端消息推送依賴消息隊列服務，選用apscheduler模塊實現。apscheduler 最大的優勢是插件化思想和抽象出接口，策略與不同實現機制分離，十分契合服務器平臺開發中的技術選型思想，有利于持續迭代和后期維護。

2.4.2 移動終端功能的實現

各級終端還包括移動終端。本設計提供了一種基于電力企業內部即時通訊平臺的移動應用，使得這套智能監控裝置能夠接入現有的移動應用平臺，實時向手機端推送數據，可以方便的調取監控數據。移動終端智能監控系統主界面如圖3 所示。

圖3 移動終端智能監控系統

在移動終端上同樣具備閥值設置和報警功能。在日常工作中，即使人員不在電腦前，也能通過手機登錄移動終端智能監控系統實時查看變電站內所有箱體的溫度和濕度等箱體運行情況，隨時可根據設備運維需要對設備相關的閥值設置進行修改（如圖4 所示），同時也能及時接收到報警推送消息，方便運維人員進行相應的緊急處置。如圖5 所示，智能監控系統還支持報警處理記錄功能，運維人員可對每次報警的處理結果進行實時記錄和圖片上傳，為后續對歷史故障情況的統計與分析提供支撐。

圖4 報警閥值設置界面

圖5 報警處理界面

由于傳感器上嵌入式單片機預留的通用接口以及LoRaWan 標準協議的通用性，變電站內端子箱和機構箱智能監控裝置還支持進一步擴展功能。

移動終端的開發通過前端框架BUI、前端開發語言JavaScript、HTML5 和層疊樣式表CSS3 技術實現。BUI是可用來快速構建交互界面的前端框架。使用該框架開發者只需要進行業務的開發，無需關心功能代碼編寫、樣式調整和跨平臺兼容等問題，可同時支持微信公眾號,微信小程序webview,聆客,釘釘,淘寶,支付寶等嵌入場景。還可以配合其他類庫（比如,Cordova,APICloud,Appcan 等)進行混合開發以兼顧性能和開發成本。JavaScript、HTML5 和CSS3 主要用于補充BUI 所不能滿足的業務場景。

3 結論

本文將物聯網技術與變電運維技術相結合，設計了一種變電站內端子箱和機構箱的智能監控方法和裝置，通過構建變電站短距離無線自主網，以LoRaWan 網絡穿透式傳輸至變電站監測服務器，實現全站非敏感數據穩定傳輸，從而掌握設備實時的溫度、濕度、水位等微環境情況。此外，還開發了一款基于電力企業內部即時通訊平臺的移動運維APP，實時推送報警信息，實現變電站運維人員移動式運維作業，以此來解決變電站設備環境輔助監測盲點的問題，從而實現端子箱、電纜溝運行狀態實時監測及預警的智能化遠程運維。