基于物聯網的供配電系統實時監測設計

摘要：隨著物聯網技術的不斷發展，其智能管理屬性在生產工作中提供了很好的軟硬件整體解決方案。文章以某電臺基于物聯網的電力數據實時監測系統設計方案為例，詳細介紹了物聯網在供配電系統信息化改造中的場景設計與應用方法。系統投入運行后，不僅提升了技術人員對故障的排查反應速度，而且為電力系統故障的預判以及故障原因分析提供了可靠的數據支撐。

關鍵詞：物聯網；實時監測；智能管理；數據支撐

中圖分類號：TP311" " " 文獻標志碼：A

文章編號：1009-3044（2025）16-0116-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

供配電系統是電臺的重要組成部分，是電臺各類設備運行的基礎。由于電臺的供配電系統已經運行多年，各項電器性能指標下降，且缺乏遠程數據監測和故障預警功能，致使運維成本逐年增大，所以，對系統的信息化、智能化改造工作至關重要。而如何在已經運行多年的供配電系統實現對運行狀態的實時監測，為故障的預判以及故障原因的分析提供可靠的數據支撐，從而提高電臺的運維管理水平是必須深入研究并加以解決的問題。基于此，考慮用物聯網技術實現對供配電系統的信息化改造。本系統依托內網平臺運行，系統建設完成并投入運行后，數據采集準確可靠，各項指標均達到設計預期。

1 物聯網及MODBUS協議

物聯網（Internet of Things，IoT） 是通過射頻識別、紅外感應等設備，將物品連接至互聯網，實現智能識別與管理的一種網絡技術[1]。

基于MODBUS主流通信協議，其基礎框架主要包括四層邏輯結構和三個支撐體系。四層邏輯結構分為：物聯感知層、通信網絡層、數據服務支撐層和智慧應用層[2]。物聯感知層由多種傳感設備組成；通信網絡層依托光纖環路構建，各傳感設備以星形結構接入串口服務器，串口服務器和光電交換機采用點對點方式組網；數據服務支撐層由工業物聯網網關實現對各項采集數據的運算處理；智慧應用層通過物聯平臺軟件為主供配電系統各項數據提供Web界面顯示。三個支撐體系分為：安全保障體系、建設和運行管理體系和標準規范體系。安全保障體系和建設運管體系依托用戶內網網絡現有安全平臺和運維標準構建，邊緣網關將傳感器和其他網絡設備與內網完全隔離；物聯感知層采用物聯網關作為IoT的核心元素，一般采用HTTPS/TLS加密數據傳輸，通過MOTT進行物聯數據分發。

2 系統組態實現

下文以某電臺基于物聯網的電力參數實時監測系統設計方案為例，結合傳感器組網設置、系統組態實現以及場景應用結論三方面內容，詳細介紹物聯網在電力系統智能化改造過程中的場景設計與具體應用。

2.1 系統網絡拓撲

2.2 傳感器組網設置

傳感器屬于物聯網的底層接入設備，負責各類監測數據的采集和傳輸[3]。該系統所采用的傳感器分別為高精度電力監測儀、溫濕度變送器和紅外溫度傳感器。各傳感器數據輸出端口到對應串口服務器的數據接入端口的實際傳輸距離決定了波特率的設置大小（9 600 bit/s、4 800 bit/s） ；MODBUS ID采用十進制數值，必須與串口服務器portID設置保持一致。

1） 電力監測儀組網設置。

高精度電力監測儀是電力監測系統的重要傳感設備，支持MODBUS-RTU通信規約，標配RS485接口，數據采用整型傳輸。其CT、 PT變比值分別根據監測儀量程和主供配電系統具體電壓、電流數值設置，主要用于組態編程中電力數據轉換運算。

2） 溫濕度變送器組網設置。

室內溫濕度變送器輸出信號類型為RS485，支持MODBUS 協議。變送器各類參數須在PC端采用RS485參數配置工具進行設置。

3） 紅外溫度傳感器組網設置。

變壓器使用的溫度傳感器為非接觸式高精度紅外測溫儀，組網物距比設置為20∶1。由于是模擬信號輸出，因此需要將485模塊和RS485協議轉換器連接后再接入PC端進行參數設置[4]。

4） 串口服務器組網設置。

串口服務器作為系統主要網絡節點，負責采樣數據的收集和傳輸，分為單口、4口和8口串口服務器。其中8口服務器采用雙網段接入方式，每個接口分別對應一個網段。配置時首先要對各Port口逐一激活并禁用大流量傳輸方式；各串口的工作模式選擇RS485/232，波特率要與底層傳感器保持一致（9 600 bit/s或4 800 bit/s） ；數據位和停止位的數值設置為8位數據位和1位停止位；由于該系統不同傳感器對于傳輸數據是否采用幀校驗并不統一，因此校驗位統一為“無”；分包長度和分包間隔取值分別為500和50 ms。

該系統工作模式為一主多從星形結構，服務器工作模式為MODBUS RTU Slave；為避免與單口、4口服務器端口沖突，8口取值為31001-38001（主備一致） ；由于所設計系統中的底層接入設備網絡對端并非異構型網絡，因此禁用協議強制轉換模式；MODBUS 接收超時時間的取值2 000 ms，中位偏低；由于系統MODBUS ID設置清晰，各類標簽數據采集、傳輸、接收的線路也被嚴格區分，所以沒有進行ID過濾和從機預讀取的必要。網絡參數配置，如圖2所示。

在服務器網絡地址的設置中，EHTO和EHT1兩個接口分別對應兩個獨立網段，一般只對EHT0進行靜態IP設置，保留ETH1是為了給PLC接入預留空間，原因是自動控制和數據采集的網段選取需要獨立區分。

5） 邊緣網關組網設置。

本系統采用的邊緣網關為EXware703工業物聯網網關。在進入設置界面后應首先關閉各接口的DHCP。在網絡編輯模式中，ETHO默認為WAN口接入內網，子網掩碼、默認網關和DNS與內網網絡參數一致；ETH1和ETH2默認為LAN口，ETH2為PLC預留接口，ETH1設置為192.168.0.X網段，地址分配方式為靜態IP，與串口服務器的分配方式一致；最后關閉bridge/switch service，打開autorun scripts from external storage、show loading bar during boot模式，開啟設備自檢并為USB存儲趨勢做好準備。

2.3 系統組態實現

2.3.1 搭建編譯環境

本系統采用Jmobile Studio完成組態編程并在Runtime環境下運行工程項目，最終實現數據匯聚、邊緣計算和平臺交互等功能。在進行組態編程前，首先要在JMobile studio中搭建好編譯環境，同時設置各傳感器接入對端網絡的通信規約并啟動離線算法。系統離線重試超時時間根據需要獨立設置，因為該系統為多類別傳感器接入方式，因此在編譯環境中需要選擇 “PLC網絡”并添加獨立編譯環境[5]。如圖3所示為400V-IN傳感器編譯環境。

2.3.2 組態編程

1） 組態標簽。

在組態編程中，每個參數都是一個變量，稱之為“標簽”。電力監測儀從0X0000始至0X1004止，溫濕度變送器從0000H始至0001H止。其中“電能清零”地址為反向寫入方式，故只保留2字節低位輸入。Physical address設置為高低位各兩個字節，低位承擔數據存儲，高位預留防止數據溢出。物聯傳感器的數據傳輸幀主要采用03、06兩組功能碼，“Memory type”統一為“Holding Registers”；OFFset的具體數值需要通過Physical address 轉換得出，轉換方式為16進制轉10進制，如果Holding Registers對應的偏移量是從400 000開始，轉換后的數值就要與400 000相疊加，高低位一一對應。“Date type”電力監測儀datetype為“unsignedInt”，溫濕度變送器和紅外溫度監測儀datetype均為“short”。每個標簽RATE設置為500 ms，即標簽的刷新時間為1 s。

在組態網絡中，傳感器的采樣值一般采用整型數據傳輸，輸出數據Tx為4字節，采樣數據并不能在

軟件頁面中直接顯示出來，必須進行數據轉換后才能得到十進制數值。

由于采樣數據在平臺上需要呈現運行趨勢，因此公式轉換路徑只能在scaling中實現。在轉換過程中，電壓、電流、功率因數等參數要進行較大數值的乘除，為保證運算后所得數據的準確性，就必須進行Float數據格式強制轉換，其他參數直接使用protocol方式轉換即可。

2） Web界面設計。

系統Web顯示頁面分為主、副兩種頁面。頁面設計主要分為templates模板和page界面平臺顯示兩部分。進入templates設計界面后，首先要定義“文本控件”，用以顯示頁面文本信息；接著定義時間和按鈕控件，“時間控件”Date-link為system time，time spec為local，系統時間與PC端保持一致。“按鈕控件”同時采用OnMouseclick點擊模式，進入“events”窗口后，在“actionlist”中的“page”生成樹菜單中分別定義“prevpage”“homepage”“nextpage”等屬性功能。

模板設計完畢后進入page頁面，添加模板并開始搭建頁面數據顯示平臺，如圖4所示。主頁面主要以表格方式顯示數據，其中左側表格為電力數據顯示區域，右側上端為趨勢圖超鏈接表格，右側中間為電能計算表格，下端為電能清零表格。所有表格均采用Grid Layout實現，在每個表格方框都需要添加數字控件，并且每個控件需要定義一個參數標簽。為方便模擬器仿真，數字控件均采用read/write格式。

實時趨勢圖中的每個按鈕分別對應一個參數趨勢，超鏈接在“events”的page生成樹菜單中實現，show frame為true; click type為momentary；歷史趨勢圖每個頁面表顯示最近12小時的趨勢，采樣間隔為25 s/次，實時趨勢圖每個頁面表格只顯示最近5分鐘的趨勢，采樣間隔為1 s/次。每個趨勢圖分為A、B、C三相電對應曲線顯示。趨勢圖下端組態控件實現圖形移動和光標數顯功能，對各曲線點位會有具體的數值顯示。

2.4 場景應用結論

軟件仿真完成以后，接入傳感器和各組網設備進行系統整體聯調。由圖5（a） ～（d） 的系統運行狀態可以看出，整套系統運行穩定，報警、提示、趨勢功能正常，各項參數顯示準確無誤，各項設計指標均符合預期。由此可見，通過物聯網場景的設計與實現，完全可以滿足對電臺主供配電系統的信息化、智能化改造需求。

3 結束語

系統建設完成并投入運行后，技術人員通過內網Web頁面即可及時了解供配電系統的實時運行狀態，并可通過對主供配電設備各項參數的實時監測、故障預警以及歷史采樣數據的對比分析，加速故障排查速度，為故障預判以及故障原因分析提供可靠的數據支撐。通過本系統的實施，電臺將顯著提高運維管理水平。

參考文獻：

[1] 武奇生.物聯網技術與應用[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2] 海爾教育.物聯網場景設計與開發[M].北京：人民郵電出版社，2021.

[3] 杜嘉薇.網絡安全態勢感知 提取、理解和預測[M].北京：機械工業出版社，2018.

[4] 肖慧榮.傳感器原理及應用[M].北京：機械工業出版社，2020.

[5] 韓雪濤.自動化綜合技能從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2017.

【通聯編輯：梁書】