物聯網在智能變電站輔助系統監控中的應用

程智余

(國網安徽省電力有限公司，安徽 合肥 230061)

隨著配電網規模的不斷擴大，變電站的數量急劇增加。為了合理配置人力資源并提高工作效率，采用集中監控的無人值守智能變電站迅速發展[1]。然而，智能變電站的安全問題日漸凸顯[2]。因此，智能變電站及輔助控制系統的狀態監測至關重要。

隨著智能技術的快速發展，智能巡檢機器人[3]已逐漸取代人工檢測，極大地減少了人力資源并提升了檢測效率。巡檢機器人檢測的路線和時間相對固定，檢測內容及相應的控制功能相對獨立，且無法與相關輔助控制系統相結合，使得巡檢機器人無法實現對變電站完整的監控功能[4]。目前，智能變電站輔助系統可分為視頻監控系統[5]、機器人巡檢系統[6]、常規輔助控制系統[7]、安全周界系統[8]等。但各系統僅實現了數據采集、設備監控、輔助檢測等基本功能。由于各系統的應用場景相對獨立，數據共享、信息交互、智能決策和智能鏈接等高級應用仍有改進空間。因此，需要結合物聯網(IoT)技術綜合智能變電站智能的各應用系統，通過采集海量大數據實現更高級的應用和數據分析功能[9]。

本文構建了智能變電站輔助系統安全運行和安全運行管理的IoT智能變電站輔助系統。與測控網絡平臺上的相關設備或系統相結合，實現安全消防監控、環境監控、電力監控及運行輔助、維護輔助、運行狀態監控、預警等系統聯動控制，使用ESP-8266模塊、NodeMCU和傳感器系統開發并測試了原型系統，結合虛擬現實(VR)技術將監控管理信息展現給用戶，提高了智能變電站信息化水平，為配電網安全運行提供決策技術支持。

1 物聯網

IoT作為智能傳感網絡，利用智能傳感設備對多個目標實時收集數據信息，并通過互聯網將各種應用程序進行組合并相互通信[10]。數據傳輸到指定的信息處理中心進行處理，實現人與物、物與物的信息交互。

IoT的目標功能有9種，分為3組[11]：特征、關系和接口。特征集由分配、功能和目標本身組成；關系集指目標與用戶界面之間的關系；接口集指目標與網絡中的其他目標交互。

(1)IoT中的目標特征集。①處理，目標中的計算處理能力，能夠使其響應IoT請求及其應用；②尋址，在IoT中通過路由在網絡中定位找到目標的能力；③標識，每個目標的標識使其在IoT網絡中確保唯一性；④位置，與目標所在的物理位置相關的屬性以及其在地圖上的位置。

(2)IoT中的關系集。①通信，目標在IoT中接收或向其他目標發送消息的能力；②合作，目標與IoT其他目標共同行動的協作行動；③傳感，目標從環境或其他目標捕獲數據的能力；④性能，目標對環境引發作操作和修改給定環境條件的能力。

(3)IoT中的接口集。交互，允許用戶查看目標信息，并對目標條件進行設置和修改。

2 通信協議

本文選取消息隊列遙測傳輸(MQTT)和受限應用程序協議(CoAP)作為傳輸協議。

2.1 MQTT協議

MQTT協議[12]是基于發布/訂閱體系結構的消息傳遞協議，適用于受限設備和不安全網絡，具有低帶寬和高延遲。MQTT協議的特征如下：①使用TCP/IP方式進行連接；②具有較小的傳輸開銷和最小化的協議交換，從而減少網絡流量；③當客戶端異常斷開網絡連接時，具有通知數據中心的機制。MQTT協議遵循客戶端/服務器模式。傳感器設備是使用TCP連接到服務器的客戶端，將要傳輸的消息發布到類似于文件系統中目錄結構的地址。

2.2 CoAP協議

CoAP協議[13]可為有限網絡中互聯設備上的應用程序提供框架，由于IoT是RAM節點少和丟包率高的網絡，CoAP協議可解決IoT中的優先節點且傳輸受限。CoA協議定義了4種類型的消息：可確認、不可確認、確認和重置。①可確認(CON)，即需要對目標確認的消息，當不存在數據包丟失時，該類型的每條消息導致確認或重置類型的消息；②不可確認(NON)，即不需要確認接收的消息；③確認(N)，即確認收到可確認消息的消息；④重置，即接收到CON或NON消息，但由于缺乏任何上下文，無法正確處理該消息。

3 系統結構

本文將IoT技術應用于智能變電站輔助系統中，利用IoT的特點構建智能變電站輔助系統。該系統集成了各種IoT應用，如視頻監控、在線監控、安全周界、火災監控、環境監控、紅外成像、巡檢機器人等，實現了各種IoT應用之間的信息縱向集成、橫向數據滲透以及高度集成的服務，靈活實現業務應用之間的信息共享和數據集成。采用大數據分析、智能算法、圖像識別等技術，實現設備儀表的自動抄表、斷路器、隔離開關合閘狀態的自動識別、異常報警的智能分析、檢測任務的自動開發，在變電站輔助系統的開發中，采用MQTT協議和CoAP協議實現數據的遠程傳輸和訪問。

智能變電站輔助系統的IoT采用分層分布式結構設計，將系統分為四層組成：感知層、網絡層、應用層和平臺層。傳感器、執行器、RFID標簽和其他智能終端從感知層連接到IoT；網絡層負責目標和操作員之間的通信；應用層可提供豐富的應用程序；平臺層用于云計算和VR監控展示。智能變電站輔助系統的IoT總體結構，如圖1所示。

圖1 智能變電站輔助系統的IoT總體結構Fig.1 IoT overall structure of intelligent substation auxiliary system

底層子系統采用獨立組網和獨立計算。感知層系統由后端系統和主動傳感設備組成。其中，后端系統包括智能鎖控制、在線檢測、安全預防措施和照明控制；主動傳感設備包括檢測機器人、環境檢測和視頻檢測。

網絡層系統通過MQTT協議和CoAP協議傳輸數據。其中，IoT系統中的消防、安防和燈光控制等傳統變電站輔助設備通過MQTT協議通過智能接口設備與IoT系統進行通信。視頻監控設備、檢測機器人和環境檢測通過CoAP協議傳輸。應用層系統具有平臺開放共享的輔助系統決策、計算云邊緣協作遠程控制、數據驅動服務狀態診斷和應用點播定制安全控制等終端普適性技術特征。平臺層采用中心計算與邊緣計算相結合的方式，提高了數據處理效率，降低了系統中心服務器的負載。各子系統和傳感裝置完成前端各種數據的采集、計算和分析等處理，實現數據的邊緣化。系統后臺中心服務器完成變電站虛擬現實大數據的集成、分析和處理，并在中心實現數據分析。

4 系統開發

4.1 系統硬件

本文設計的硬件由3個部分組成，如圖2所示。本文創建VR用于智能變電站的監視和控制。本文設計的VR監控系統框架，如圖3所示。其中，NodeMCU基于eLua 開源Lua腳本語言編程的IoT平臺[14]。AWS CLOUD MQTT平臺為不同場景的硬件提供了點對點模式、廣播模式和扇入模式3種MQTT模式[15]。

圖2 硬件配置Fig.2 Hardware configuration

圖3 系統框架Fig.3 System framework

(1)ESP-8266 WiFi模塊。ESP-8266模塊是帶有集成WiFi的微控制器，可通過軟件開發工具包(SDK)使用Arduino IDE進行編程。使用的Arduino版本為1.8.2。集成WiFi可通過傳輸控制協議(TCP)和用戶數據報協議(UDP)發送和接收數據。本文使用ESP-8266模塊的Wemos D1迷你版，其中的Wi-Fi模塊用于虛擬環境和真實環境中的目標(如傳感器和交換機)之間的通信。

(2)ACS712電流傳感器。ACS712電流傳感器使用ACS712電流傳感器對變壓器進行精確的電流測量，利用霍爾效應檢測模塊輸出(引腳輸出)處產生的電流。

(3)HC-SR501運動傳感器。HC-SR501運動傳感器使用熱釋電(PIR)傳感器的模塊，能夠檢測變電站各裝置發出紅外光的變化。HC-SR501運動傳感器用于監測變壓器附近是否存在異物。

4.2 系統軟件

在變電站的三維場景中監控中，本文通過收集溫度、濕度、視頻、變壓器殼體變形等各種傳感器數據，同時聯動設備周邊攝像頭、燈光進行視頻圖像采集，接收其他系統的設備運行狀態信息，并在巡檢完成后生成巡檢報告。自動監控系統流程如圖4所示。

圖4 自動監控系統流程Fig.4 Automatic monitoring system flow

傳統的變電站數據處理是基于集中式核心節點的網絡云計算模式。然而，云計算存在實時采集和分析變電站大量巡檢設備數據的問題。為了防止集中式節點成為潛在的風險點，本文采用邊緣計算模式，利用邊緣節點獲取網絡邊緣的傳感節點。數據的快速響應不僅提高了系統的響應速度，而且降低了系統傳輸的要求。本文在IoT環境中的利用邊緣計算架構處理數據，如圖5所示。

圖5 IoT環境中的邊緣計算架構Fig.5 Edge computing architecture in the IoT environment

Cloud MQTT是云中的MOSQUITO服務器。MOSQUITO實現了MQ遙測傳輸協議MQTT，該協議提供了使用發布/訂閱消息隊列模型執行消息傳遞的輕量級方法。消息隊列提供了消息的發送方和接收方不需要同時與消息隊列交互的異步通信協議。存儲在隊列上的消息將被存儲，直到接收方檢索到消息或消息超時為止。MQTT和MOSQUITO服務器適合帶寬傳輸的應用程序使用。CloudMQTT只專注于應用程序，而不用額外的時間進行擴展代理或修補平臺。CloudMQTT發布/訂閱消息示圖，如圖6所示。

圖6 CloudMQTT發布/訂閱消息示圖Fig.6 CloudMQTT Publish/subscribe message diagram

4.3 虛擬現實

本文開發基于IoT的智能變電站輔助系統監控，使用游戲引擎Unity 3D開發小型變電站輔助系統VR，如圖7所示。

圖7 小型變電站輔助系統VRFig.7 VR diagram of auxiliary system of small substation

當用戶指定VR中具體目標時，通過VR技術監控有關變壓器耗能以及斷路開關狀態的信息。用戶選擇關閉狀態和打開狀態的智能變電站輔助系統VR如圖8所示。

圖8 選擇關閉、打開狀態的VRFig.8 VR in off state and open state

5 結語

本文設計了一種基于IoT技術的變電站監控應用原型。全面感知和分析變電站電力設備的狀態，增加數據之間的相互驗證，減少誤報，提高電力設備狀態感知的準確性。通過MQTT協議和CoAP協議傳輸數據，結合ESP-8266 Wi-Fi模塊提高了信息交換速度并降低帶寬消耗。利用ACS712電流傳感器和HC-SR501運動傳感器檢測變電站各裝置的實時狀態，通過VR技術將監控管理信息展現給用戶。將IoT技術應用于變電站輔助系統，實現了變電站運行管理的智能化和信息化。該方法能夠保證變電站管理運行的穩定性，提高了配電網的運行效率，為配電網的安全運行奠定基礎。