基于物聯網技術設計變電站遠程監控系統研究

梁靜，楊華勛

（柳州鐵道職業技術學院，廣西柳州，545007）

0 引言

本文設計了一種基于物聯網技術的變電站遠程監控系統。該系統主要組成有電源、芯片、DS20BB數字溫度傳感器、USB接口等，核心傳感器采用的是DS20BB型號數字溫度傳感器，變電站遠程監控系統的軟件功能框架由動力監控模塊、環境監控模塊、運行監測模塊組成。基于物聯網技術的遠程監控系統也需要在網絡安全方面進行加固，以提升變電站的安全性和穩定性，避免鐵路通信系統遭受網絡攻擊。

1 物聯網在鐵路通信中的應用現狀

1.1 電源與動力環境監控系統

物聯網技術在鐵路通信專業中的應用較早，目前已經運用成熟。電源與動力環境監控系統的構建能夠對機房進行智能化管控，及時獲取設備運行信息、采集環境參數，并進行可視化呈現，以確保電源與動力系統的安全、正常運行。此系統主要由前端傳感器、傳輸鏈路、信息采集器、中心處理設以及客戶端等組成[1]。如圖1所示，為某鐵路電源與動力環境監控系統網絡結構示意圖。

圖1 電源與動力環境監控系統網絡結構

由圖1可知，此系統網絡結構由監控中心、區域監控中心、監控通道以及多個監控站組成。通信中心與通信站之間的監測數據傳輸與命令傳達在監控通道中完成。監控站的傳感器與探測器眾多，例如，溫濕度傳感、紅外、蜂鳴器等。利用鐵路通信網，可組建擁有多級監控中心的網絡結構。通常通信機房的主要動力設備有蓄電池變壓器、工控機、計算機以及發電機組等。

1.2 綜合視頻系統

鐵路領域的圖像與語言監控系統可以說是早期的綜合視頻監控系統。以往的圖像語言監控系統沒有夜視功能，獲取的圖像模糊，且能夠儲存的時間較短。隨著互聯網技術與通信技術的不斷發展，如今的圖像監控系統有著高碼率、大帶寬、夜視功能完善且存儲時間長等多種優勢，能夠良好滿足行業的使用需求。綜合視頻系統由一套完備的技術體系支撐，其重要組成部分有圖像采集器、傳感器、中心處理設備、車站存儲設備以及智能客戶端。此系統能夠對外部環境進行實時監控，輔助決策的制定，當有突發事件時，能夠協助對相關信息的調查與取證。

1.3 異物侵限及防災系統

物聯網技術在鐵路通信領域相對較新的運用為異物侵限及防災系統。自然環境是影響鐵路系統正常運行的重要因素，異物侵限及防災系統能夠實時感知外部環境和自然災害，其提供的科學、準確數據能夠有效輔助行車指揮部門及時作出相關調整，制定科學合理的行車計劃，保障鐵路的安全穩定運行，避免造成經濟損失。異物侵限及防災系統的組成部分包括現場采集單元、客戶端、車站信息處理設備、中心處理設備等[2]。

2 基于物聯網技術變電站遠程監控系統硬件設計

物聯網技術的應用顯著提升了變電站的智能管控能力。大型變電站遠程監控系統往往對硬件的配置要求較高。本文設計了一種基于物聯網技術的變電站遠程監控系統，該系統主要硬件設施包括電源、DS20BB數字溫度傳感器、DF芯片、繼電器、USB接口等。如圖2所示，即為變電站遠程監控系統的硬件區域結構。

圖2 變電站遠程監控系統硬件區域結構

2.1 傳感器設計

溫度傳感器的型號不同會導致系統的整體運行效果有所差異。此遠程監控系統采用的為DS20BB型號的數字溫度傳感器，此傳感器對變電站運行信息的采集以雙向通信方式完成，使用方便，不需要增添其他設備便可獨立實現通信功能。相比于單向通信方式，雙向通信的效率更高，信息傳輸安全性更高，能夠有效避免變電站信息傳輸錯誤。DS20BB數字溫度傳感器有3個引腳，其中一個引腳接地，一個引腳作為電能輸送通道，最后一個引腳進行通信。另外，DS20BB溫度傳感器對溫度數據十分敏感，不容易造成信息的疏漏，能夠提高系統對溫度的檢測精準性[3]。

2.2 芯片設計

變電站遠程監控系統采用的DF芯片具有強大的監控能力，可對變電站的運行情況進行監督。DF芯片帶有復位零件、抗信號干擾能力較強，能夠為硬件區域提供25r/s的運轉速度，只需很小的電流就能夠對一個周期的數據進行識別。在變電站遠程監控系統中，芯片負責對變電站運動中相關性能的數據大小進行識別，以此判斷出變電站的運行狀態是否正常。DF芯片具有3個引腳，其中一個引腳實現與硬件區域的信號傳輸，一個引腳作為硬件區域與軟件系統的數據傳輸通道，最后一個引腳實現變電站硬件區域的不同信號傳輸。

2.3 USB接口設計

變電站遠程監控系統硬件區域設計中，USB特殊接口實現與節點控制器和網關微處理器的連接。此USB接口在3V電壓條件下工作，接口傳輸效率可達1436GB/s，如此快速的傳輸速度縮短了遠程監控信息的傳遞時長，為變電站應對突發事件作出及時處理提供了有效時間。USB有兩個接口，其中一個為替補接口，正常情況下，使用一個接口傳輸信息，當發生故障或者遇到特殊情況時，使用替補接口完成信息傳輸。變電站遠程監控系統正常運轉情況下，USB接口的引腳和系統芯片的引腳相連，當硬件區域的電壓值過高時，USB接口引腳會改變連接，與接地引腳相連，此時軟件區域和硬件區域無法建立信息傳輸通道，導致系統硬件設備停止工作。硬件區域采用MAX176型號電源提供電力，能夠較好承載起變電站遠程監控系統的運行。

3 變電站遠程監控系統軟件設計

系統軟件的工作目的在于協助變電站系統進行環境、動力、運行方面的遠程監控，時刻保證變電站的正常運行。變電站遠程監控系統的軟件方面由環境監控模塊、動力監控模塊以及運行監測模塊組成。軟件區域功能框架設計如圖3所示。

圖3 遠程監控系統軟件區域功能框架

3.1 環境監控模塊

環境監控模塊的主要構成為環境入侵報警器、內部溫度感知器以及突發自然災害監測器。此模塊能夠實現對遠程環境的實時監測，可為鐵路通信提供安全、穩定的運行環境。基于物聯網技術，環境入侵報警器能夠對變電站工作區域或者施工現場進行安全監測，當監測到有非工作人員或不明物體入侵變電站安全區域時，系統會立即發出報警信號，防止變電站發生意外情況。突發自然災害報警器能夠對降雨、雷電以及地質災害等情況進行檢測，當檢測變電站監控區域內有自然災害發生時，提前進行自然災害預警，幫助變電站運行系統調整運行決策。

3.2 動力監控模塊

動力監控模塊由發電電源和運行數據采集器組成，可對遠程變電站的電力提供狀態進行監控。發電電源為變電站系統運轉與現場施工等工作提供動力源，動力監控模塊會實時監測并判斷變電站發電動力的能力是否正常。在系統軟件工作過程中，運行數據采集器通過對變電站運行數據的采集，對比變電站發電電源的電壓電流和側電壓電流的比值，如果比值沒有超出正常范圍，則遠程變電站工作與施工等過程安全穩定[4]。

3.3 運行監測模塊

運行監測模塊由智能機器人和信號反饋系統組成。作為變電站運行的輔助模塊，可監督變電站設備運行是否穩定、安全。基于物聯網技術的智能機器人能夠在變電站工作現場進行全天候巡邏與檢查，采集相關設備運行信號。工作人員需要提前向智能機器人錄入變電站相關設備正常運行狀態下應有的信號源，以此為基準進行信號檢測，當智能機器人察覺到變電站運行設備發出的信號源存在異常時，則立即向系統反饋信號問題，工作人員可調用遠程監控系統反饋設備最近一段時間的運行數據，排查故障情況和位置等，完成遠程監控操作[5]。

4 變電站遠程監控系統網絡安全防護策略

鐵路牽引變電站遠程監控系統存在一定的安全隱患，一旦遭遇網絡攻擊，將會嚴重影響鐵路交通的正常運輸，甚至會給人們生命安全和國家經濟造成巨大損害。鐵路牽引變電站系統需要提升網絡設備、主機設備以及安全防護設備等安全等級，部署就地監視與告警功能，防范外部網絡對變電站監控系統的網絡攻擊。

4.1 網絡專用與安全加密

鐵路牽引變電站與鐵路部門和電力部門等存在通信連接，傳輸遙測、遙信數據時，變電站內應分別部署遠動通信管理裝置，避免共用，減小因串網而遭受病毒、蠕蟲攻擊的概率。在變電站與其他系統建立聯系的縱向通信線路上增加安全措施，例如，報文加密、認證、白名單訪問控制等，避免外部對鐵路牽引變電站系統的監聽和篡改。在鐵路供電調度系統與變電站系統的通信鏈路上可部署防火墻，并設置目的端口、源IP地址、目的IP的安全配置。另外，可對變電站網絡設備、主機設備、安全防護設備等進行安全加固，提升系統抗攻擊能力和安全性。通過安全加固，在變電站系統的網絡層、主機層以及應用層等層面，建立堅固且符合業務需求的安全防線。

4.2 運行監視與告警

變電站系統的站控層設備主要指監控主站、工程師站、信息子站等，可在鐵路牽引變電站的站控層部署運行監視與預警裝置，將網絡設備安全事件、主機操作系統安全事件以及安全防護設備的安全事件均納入監控系統的監視范圍。這些設備的安全事件至少需要具備正常操作日志、運行狀態信息以及違規告警事件。其中設備運行狀態信息從CPU利用率、內存利用率、主機溫度等幾方面顯示，并對設備運行狀態設置安全閾值，一旦有一項狀態信息超出安全閾值，則進行告警。安全操作日志需要體現設備接入、用戶登錄與退出等相關信息，為之后事件調查、操作審計提供可靠、全面數據。針對一切不符合安全策略的主機訪問、設備接入、端口開啟等事件進行違規告警，便于系統及時發現并阻止違規操作。

5 結語

物聯網技術已經在鐵路通信領域得到廣泛應用，是鐵路行業實現智能化、信息化的主要技術手段。本文設計了一種基于物聯網技術的變電站遠程監控系統，分別對其硬件區域和軟件功能架構進行設計，此系統能夠實現對遠程工作環境、電力、運行等方面的數據傳輸和實時監測，具有一定現實意義。近年來，對變電站系統的網絡攻擊事件頻發，鐵路牽引變電站監控系統在網絡安全方面也需加強防護，以保證變電站的安全、穩定運行。