摘要：為解決電力行業(yè)智能監控的信息化和自動(dòng)化程度，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開(kāi)展了物聯(lián)網(wǎng)電力監控平臺的設計，完成了軟件需求設計和硬件初步設計，并進(jìn)行了實(shí)例應用。研究發(fā)現：電力監控實(shí)施分３個(gè)層級監控，分別為安防監控，運行環(huán)境監控和智能檢修輔助監控。安防監控主要包括視頻監控、電子圍欄監控和消防監控，運行環(huán)境監測主要用于監測電力設備室內運行環(huán)境，檢修輔助包括熱點(diǎn)溫度監測、形變監測和避雷器狀態(tài)監測。物聯(lián)網(wǎng)電力的智能監控系統應從功能需求分析、性能需求分析、擴展需求、運行需求和安全需求５個(gè)方面入手，其中通過(guò)對終端數據進(jìn)行分解，溫度傳感過(guò)程中需要設計４個(gè)模板：射頻模塊、繼電器、主控設備和溫度電流傳感器。文中設計的系統在電力智能監控中具有一定應用參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電力監控;智能變電站;監控系統;電力監控系統

一、前言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是近年來(lái)基于互聯(lián)網(wǎng)和5G通信技術(shù)所提出來(lái)的一種通過(guò)智能監控設備與智能感知技術(shù)相結合并進(jìn)行數據傳輸的全新技術(shù)手段。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠使得物與物、人與物之間實(shí)現信息的遠距離實(shí)時(shí)交流，并在此基礎上進(jìn)行科學(xué)決斷和準確管理。自從2010年度我國、提及“物聯(lián)網(wǎng)”概念后，國內就物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)和應用進(jìn)行了全國性和戰略性的部署研究，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為各個(gè)行業(yè)全新的研究方向和焦點(diǎn)。作為未來(lái)清潔能源的主要驅動(dòng)力，電能在5G技術(shù)普及后的需求量會(huì )進(jìn)一步變大，如何發(fā)展效率安全的電力供應方式，避免未來(lái)出現局部電力短缺現象是可持續發(fā)展戰略的一個(gè)重要落腳點(diǎn)。

國家的主要研究方向為家庭電網(wǎng)智能化。目前科羅拉多軸的波爾德市是先實(shí)現電網(wǎng)智能化的城市，各類(lèi)只能傳感器已經(jīng)在家庭中得到安裝部署并陸續投入運行。除美國外，日本、歐洲各國同樣進(jìn)行了較為深入的電網(wǎng)監控技術(shù)研究，例如日本東京大學(xué)就多種傳感器例如覆冰絕緣子、紅外測溫以及設備漏電等進(jìn)行電網(wǎng)狀態(tài)智能監控研究。我國近幾年部分學(xué)者同樣進(jìn)行了一些物聯(lián)網(wǎng)電力研究，例如，丁寬基于GIM技術(shù)建立了電網(wǎng)信息共享平臺，使得電網(wǎng)通信更為有效；高娟等建立了虛擬電感設計在電網(wǎng)監控中的應用實(shí)踐；曲燦武研究了Zigee技術(shù)的特征，用于電網(wǎng)監控技術(shù)分析；張軒濤等建立了10KV變電站的物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)并進(jìn)行了實(shí)踐應用。

但是，現有的研究成果大多數基于理論分析和軟件模擬，缺乏實(shí)踐應用，并且物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)電力智能監控中的應用成果較為少見(jiàn)。本文在分析了智能電網(wǎng)應用情景的基礎上，將智能電力監控架空與現實(shí)需求想聯(lián)系，通過(guò)對各種傳感器的集成方法以及軟件的實(shí)現過(guò)程進(jìn)行研究，搭建了一個(gè)智能電網(wǎng)監控平臺并進(jìn)行了實(shí)踐運用。

二、物聯(lián)網(wǎng)電力監控實(shí)施方案

分析電網(wǎng)智能監控中所需要的實(shí)際場(chǎng)景，并結合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠為電網(wǎng)所能提供的便利，將系統中與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結合為緊密的功能進(jìn)行分解，本文分析認為研究的重心主要分為3個(gè)主要部分：安防監控、運行環(huán)境監測和智能輔修，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)電力監控系統設計方案

安防監控層：安防監控層主要實(shí)現的是數據收集工作，該層級處在智能電網(wǎng)監控系統的末層級，通過(guò)一些列感知設備和通信設施來(lái)實(shí)現，是物聯(lián)網(wǎng)信息感知必不能少的部分。通過(guò)分析電網(wǎng)監控中的場(chǎng)景，初步確定安防監控項目包括視頻監控、電子圍欄監控和消防監控。

運行環(huán)境監測層：運行環(huán)境監測主要用于監測電力設備室內運行環(huán)境，室內溫濕度監測傳感器用于監測環(huán)境的適宜程度，氣體監測用于感知氣體成分和濃度，水浸監測用于發(fā)現可能的漏水情況。

智能檢修輔助層：智能檢修輔助為電網(wǎng)檢修人員提供檢修之前的須檢修數據，并通過(guò)計算獲取檢修建議，檢修輔助包括熱點(diǎn)溫度監測、形變監測和避雷器狀態(tài)監測。

三、監控系統平臺設計

物聯(lián)網(wǎng)監控實(shí)施方案對電網(wǎng)運行過(guò)程中的所收集的數據無(wú)法進(jìn)行處理，需要建立一個(gè)完善的監控數據處理程序，只有這樣才能及時(shí)的反應電網(wǎng)設備目前的運行狀態(tài)和檢修狀況。本文的系統監控平臺設計分為軟件設計和硬件設計兩部分，通過(guò)系統需求分析和硬件設計參數建立和完善了該預警平臺。

3.1 軟件設計

（1）功能需求分析

從電力智能監控設計角度出發(fā)，分析電力物聯(lián)網(wǎng)所需要實(shí)現的功能基本框架，其目標在確保電力運營(yíng)正常并且降低電網(wǎng)不必要的損耗。從根本上分析智能電網(wǎng)監控需要實(shí)現3個(gè)層級的功能，設備監控層、網(wǎng)絡(luò )傳輸層和系統分析層。因此，本文初步分析該智能監控軟件平臺需要初步實(shí)現5個(gè)基本功能，如圖2所示。

圖2 智能監控軟件平臺功能

Ａ．數據采集功能：基于串口通信方式，實(shí)時(shí)收集各個(gè)傳感器的溫度、濕度、視頻等綜合信息；

Ｂ．數據顯示功能：將設備所收集到的綜合信息處理后接入計算機設備，通過(guò)顯示屏展示實(shí)時(shí)監控；

Ｃ．數據統計功能：通過(guò)存儲器調取過(guò)往監控信息，對各種數字信息進(jìn)行統計分析發(fā)現潛在隱患；

Ｄ．平臺管理功能：監控每個(gè)監控節點(diǎn)的運行狀況，并進(jìn)行實(shí)施反饋和統一管理；

Ｅ．監控預警功能：對每種監控數據和綜合監控數據通過(guò)模擬設定一定的安全監控值范圍，及時(shí)發(fā)現異常值并預警。

（2）性能需求分析

電網(wǎng)設備運行周期長(cháng)，從系統的軟硬件具體實(shí)現功能為出發(fā)點(diǎn)，系統在使用過(guò)程中需要穩定的工作環(huán)境和硬件支撐，因此對于硬件的基本性能要求要比一般設備要高，確保系統在運行各種軟件不發(fā)生崩潰和傳輸效率問(wèn)題。

（3）擴展需求分析

電力監控設備處于初步設計階段和不斷完善的階段，傳統的電力設備改造難道大、成本高，因此在該系統平臺設計過(guò)程中需要考慮到未來(lái)更多的擴展需求和多變量接口。在確保信息傳輸不受影響并穩定運行，在未來(lái)業(yè)務(wù)擴展過(guò)程中，系統依然不改變原有架構，與上層應用進(jìn)行準確銜接。

（4）運行需求分析

系統運行需要具有良好的跨平臺適用性和*特運行能力，在不改變原有系統代碼的情況下能夠在不同操心系統平臺運行并處理數據。

（5）安全需求分析

電網(wǎng)系統的安全性不容忽視，系統需要具備完備的管理員和用戶(hù)操作權限方案，數據傳輸需要采取加密手段提升數據安全性，并且能夠抵御一般病毒攻擊。

3.2 硬件設計

（1）溫度傳感硬件設計

以溫度傳感器為例，通過(guò)對終端數據進(jìn)行分解，溫度傳感過(guò)程中需要設計４個(gè)模板：射頻模塊、繼電器、主控設備和溫度電流傳感器。由于電力設備故障通常表現為電流變大設備溫度升高的現象，因此在傳感器硬件設計環(huán)節具體的數據采集流程為信號采集、數據Zigbee傳輸、數據集成處理、數據上傳控制模塊。節點(diǎn)控制器獲取到控制信號后，繼電器模塊開(kāi)始工作，判斷是否關(guān)閉整個(gè)高壓設備開(kāi)關(guān)。其工作流程設計圖，如圖3所示。

圖3 無(wú)線(xiàn)傳感器硬件工作設計流程

傳感器模塊是獲取關(guān)鍵信息的第一步，將不同的傳感器布置在系統中發(fā)揮的作用是不同的，本文的設計方案包括集成電路型傳感器（型號DS18B50，用于數據收集）、三相電能測量芯片（型號SA990B02，用于測量電纜線(xiàn)的通過(guò)電流）以及繼電傳感器（型號G10V-2，用于控制開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)）。

詳細來(lái)說(shuō)，就是在零下溫度中放置一個(gè)減法計算器和溫度寄存器，通過(guò)觀(guān)察某一個(gè)數值。試驗過(guò)程如下，當減法計算器數值為1時(shí)，低溫情況下愛(ài)脈沖信號是減弱的；當減法計數器數值為0時(shí)，計數器和寄存器同時(shí)開(kāi)始變化，溫度計數器的數值和減法計數器同事升高。當減法計數器的數值１開(kāi)始緩慢上升過(guò)程總，溫度寄存器不再發(fā)生變化，數據測試工程中溫度寄存器中的數值是傳送至CC2530通信引腳上去。

其中數字溫度傳感器具有如下功能：a:數據采集過(guò)程的雙向傳輸；b:接口通用；c:測溫范圍大；d:并網(wǎng)組網(wǎng)過(guò)程中可以多點(diǎn)測量。同時(shí)該傳感器還能夠在系統的幫助先實(shí)現數據無(wú)損傳輸和保密傳輸。

（2）無(wú)線(xiàn)傳輸硬件電路設計

本文所設計的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊選擇ME3760模塊，為了實(shí)現入網(wǎng)效率、網(wǎng)絡(luò )穩定性和ＬＥＴ數據的高性能無(wú)線(xiàn)傳輸，同時(shí)滿(mǎn)足對數據和IP協(xié)議，本的硬件設備采用USB接口，并與S3C2240芯片相結合，其基本電路原理，如圖4所示。

圖4 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊電力和設備

該DS18B20型號（圖4）傳感器需要具備如下性能指標：溫度在-55～125℃測溫范圍，電源可以選擇3～5V電源，終端控制器可以并聯(lián)多個(gè)傳感器實(shí)現同時(shí)測溫，傳感器無(wú)需獨立外援模塊獨立運作，體積小適合多種試驗場(chǎng)所。

四、實(shí)例應用

4.1 界面功能設計

本文的監控界面設計中首先需要進(jìn)入用戶(hù)登錄環(huán)節，這一環(huán)節中每個(gè)用戶(hù)均具有完整的信息屬性和操作權限，并為每個(gè)用戶(hù)設定了用戶(hù)名和密碼。程序進(jìn)入后進(jìn)行初始化操作，其中第1/3/5按鈕不能同時(shí)使用，然后利用Login類(lèi)進(jìn)行實(shí)例化操作。實(shí)例化完成后搭建登錄框架并居中顯示。每次登錄系統均需要進(jìn)行用戶(hù)名和密碼輸入，若兩者相匹配則開(kāi)始運行工作程序，如圖5所示。

圖5 系統平臺操作界面

若用戶(hù)名和密碼不相匹配，則系統自動(dòng)回到填寫(xiě)用戶(hù)名和密碼的節目，直至匹配為止。

4.2 傳輸功能設計

本文的研究采用Swing程序設計系統的信息傳輸功能。該程序作為一個(gè)線(xiàn)程，能夠實(shí)現所有線(xiàn)程的特點(diǎn)，主要分為3個(gè)階段，首行線(xiàn)程初始化，然后進(jìn)行事件調度線(xiàn)程，若不影響程序運行，則進(jìn)行事件調度工作。Swing程序主要進(jìn)行任務(wù)線(xiàn)程調度和通信，可以較好的處理各個(gè)線(xiàn)程之間的通信關(guān)系，并且不影響相互協(xié)作，在處理管理系統中轉節點(diǎn)通信方面具有非常高的效率。本文通過(guò)在SwingWorker中定義類(lèi)對象的方式去實(shí)現多線(xiàn)程工作，具體實(shí)現代碼如下。

4.3 數據分析設計

系統內置監測預警程序，通過(guò)在界面點(diǎn)擊需要監控的數據，那么管理系統將會(huì )給中間節點(diǎn)發(fā)送命令，通過(guò)*聽(tīng)8891端口創(chuàng )建服務(wù)器指令，若指令判斷可以*聽(tīng)，將會(huì )調取傳感器數據并進(jìn)行統計分析，如圖6所示。

圖6 電網(wǎng)智能監控分析界面

若*聽(tīng)指令并未得到反饋，判斷系統無(wú)法*聽(tīng)設備，則打開(kāi)按鍵Socket，等待系統判斷是否重新發(fā)出指令，若依然無(wú)法獲取準確指令數據，則系統提示問(wèn)題，程序運行結束。

五、安科瑞電力監控系統產(chǎn)品介紹與選型

5.1 概述

Acrel-2000Z電力監控系統是安科瑞電氣股份有限公司根據電力系統自動(dòng)化及無(wú)人值守的要求，針對35kV及以下電壓等級研發(fā)出的一套分層分布式變電站監控管理系統。該系統是應用電力自動(dòng)化技術(shù)、計算機技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，集保護、監測、控制、通信等多功能于一體的開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò )化、單元化、組態(tài)化的系統，適用于35kV及以下電壓等級的城網(wǎng)、農網(wǎng)變電站和用戶(hù)變電站，可實(shí)現對變電站方位的控制和管理，滿(mǎn)足變電站無(wú)人或少人值守的需求，為變電站安全、穩定、經(jīng)濟運行提供了堅實(shí)的保障。

5.2 應用場(chǎng)所

1. 辦公建筑（商務(wù)辦公、機關(guān)辦公建筑等）

2. 商業(yè)建筑（商場(chǎng)、金融機構建筑等）

3. 旅游建筑（賓館飯店、娛樂(lè )場(chǎng)所等）

4. 科教文衛建筑（文化、教育、科研、醫療衛生、體育建筑）

5. 通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數據中心等）

6. 交通運輸建筑（機場(chǎng)、車(chē)站、碼頭建筑等）

7. 廠(chǎng)礦企業(yè)建筑（石油、化工、水泥、煤炭、鋼鐵等）

8. 新能源建筑（光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等）

5.3 系統結構

Acrel-2000Z電力監控系統釆用分層分布式設計，可分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡(luò )通信層和現場(chǎng)設備層，組網(wǎng)方式可為標準網(wǎng)絡(luò )結構、光纖星型網(wǎng)絡(luò )結構、光纖環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )結構，根據用戶(hù)用電規模、用電設備分布和占地面積等多方面的信息綜合考慮組網(wǎng)方式。

5.4 設備選型

電力監控系統

Acrel-2000Z

可建立配電網(wǎng)絡(luò )一次系統圖，模擬配電網(wǎng)絡(luò )運行，實(shí)現無(wú)人值班模式；根據順序事件記錄、波形記錄、故障錄波，協(xié)助運維人員實(shí)現快速故障分析、定位和排除問(wèn)題，盡量縮短停電時(shí)間；實(shí)時(shí)采集各回路、設備的電流、電壓、功率、電能以及諧波、電壓波動(dòng)等參數，對配電系統和用電設備進(jìn)行用能分析和能效管理。

六、結語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為電力智能化和信息化發(fā)展提供了全新的發(fā)展方向，本文通過(guò)分析電力自動(dòng)化監測過(guò)程需要實(shí)現的監測方案，就物聯(lián)網(wǎng)監測系統的軟件設計方案和硬件設計方案進(jìn)行了詳細分析，并進(jìn)行了實(shí)例應用，得到如下結論。

（1）電力監控需要實(shí)施三個(gè)層級的監控策略，分別為安防監控，運行環(huán)境監控和智能檢修輔助監控。其中安防監控主要包括視頻監控、電子圍欄監控和消防監控，運行環(huán)境監測主要用于監測電力設備室內運行環(huán)境，檢修輔助包括熱點(diǎn)溫度監測、形變監測和避雷器狀態(tài)監測。

（2）物聯(lián)網(wǎng)電力只能監控系統應從功能需求分析、性能需求分析、擴展需求、運行需求和安全需求5個(gè)方面入手，其中通過(guò)對終端數據進(jìn)行分解，溫度傳感過(guò)程中需要設計4個(gè)模板：射頻模塊、繼電器、主控設備和溫度電流傳感器。由于電力設備故障通常表現為電流變大設備溫度升高的現象，因此在傳感器硬件設計環(huán)節具體的數據采集流程為信號采集、數據ZigBee傳輸、數據集成處理、數據上傳控制模塊。

參考文獻

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