淺談基于無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式配電室遠程監控系統研究

摘要：為解決現有配電室監控系統在實(shí)際應用中存在配電室各監控參數采集結果誤差較大問(wèn)題，設計一種新的監控系統，實(shí)驗證明能夠有效減小配電室各監控參數采集誤差，提高系統監控精度。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；分布式；配電室；遠程；監控；系統

 

   以往電力企業(yè)在對配電室進(jìn)行管理時(shí)，通常依賴(lài)于人工定時(shí)的方式對各類(lèi)電力設備儀器進(jìn)行檢測，并手動(dòng)繪制成表格的形式上報。但這種管理模式在實(shí)際應用中工作效率很低，并已無(wú)法適應當前大部分智能配電網(wǎng)的規模及用電用戶(hù)的需求。同時(shí)，由于當前配電室建設較為適宜的地區逐漸減少，已有相當一部分配電室被建設在相對偏僻的區域，在各個(gè)地區分布十分分散，也對配電室的管理造成了一定影響，進(jìn)而影響到整個(gè)電力系統的正常運行。

 

1.1多種功能傳感器選型

    在本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式配電室遠程監控系統在實(shí)際應用中的需求下，綜合系統設計成本、功耗以及應用性能，選擇系統硬件設備。根據配電室的日常運行特點(diǎn)，對用于測量和采集各種參數的傳感器設備進(jìn)行了初步選型，需選擇能實(shí)時(shí)監測煙霧、紅外入侵、水浸、溫濕度等的傳感器。選用YD5543-230型號煙霧傳感器，用于對配電室內煙霧參數進(jìn)行采集。該型號溫煙感傳感器是一種能夠集成光電煙霧和溫度的傳感器，當配電室環(huán)境中出現煙霧濃度或溫度超過(guò)了事先設定的安全范圍時(shí)，立即產(chǎn)生相應的報警開(kāi)關(guān)量信號，并將信號通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳輸到系統上位機當中，由其控制相應的設備斷電，以此避免出現更嚴重的安全事故發(fā)生[1]。

針對紅外入侵進(jìn)行監測的傳感器采用DB546-06型號以紅外線(xiàn)作為介質(zhì)的傳感器結構，當該傳感器檢測到配電室內有未經(jīng)允許進(jìn)入的人時(shí)，該型號傳感器也會(huì )自動(dòng)被觸發(fā)并發(fā)出報警信號。水浸傳感器選用SI59-32型號傳感器，該型號傳感器在實(shí)際應用中是基于液體導電的原理。首先利用電極對配電室內是否有水存在進(jìn)行探測，當探測到有水存在時(shí)，再自動(dòng)轉換為干接點(diǎn)，產(chǎn)生相應的開(kāi)關(guān)量報警信號。選用DH456-20型號溫濕度傳感器，對配電室中環(huán)境溫濕度數據進(jìn)行采集，同時(shí)在對檢測到的信號進(jìn)行處理時(shí)，能夠實(shí)現對其校準，并將準確的數字溫濕度通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸。四種不同功能傳感器的相關(guān)技術(shù)參數如下。

煙霧傳感器YD5543-230：供電2.5V~5.5，煙霧量程0~10mg/m3，響應時(shí)間0.5s，模擬量4路0~15mA輸入；紅外入侵傳感器DB546-062：供電1.5V~4.5，探測距離15m，響應時(shí)間0.2s，模擬6路0~12mA輸入；水浸傳感器SI59-320：工作溫度-10~45℃，信號類(lèi)型Zigbee，供電方式CR2160電池，工作電壓2.5V；溫濕度傳感器DH456-20：輸出類(lèi)型Digital，供電1.5~2.5V，準確性+/-1Cto+/-3C，響應時(shí)間0.5s。四種不同功能和型號傳感器的報警指示燈均能常亮5s及以上，無(wú)線(xiàn)傳輸頻率均能夠足本文系統的傳輸要求，在發(fā)出報警的同時(shí)能自動(dòng)生成警情報告、電池電量報告以及防拆報告等數據信息，以此為發(fā)生安全事故提供可靠的數據依據。

1.2單片機選型

在本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式配電室遠程監控系統硬件結構中引入STC12W18S5型號單片機，利用硬件SPI接口將其與網(wǎng)絡(luò )通信芯片進(jìn)行連接，該型號單片機主要以SPI模式為主，在實(shí)際應用中該型號單片機具備速度快、功耗低等優(yōu)勢。在STC12W18S5型號單片機中引入高精度R/C時(shí)鐘，以此節省原本系統內核心芯片的外部晶振和復位電路，使系統在研發(fā)階段更加簡(jiǎn)單方便。同時(shí)，在STC12W18S5型號單片機中引入兩個(gè)16位可重裝載定時(shí)器T1和T2。在單片機內部集成多組異步和同步串行通信端口，確保上述選擇的各類(lèi)傳感器采集到的數據能通過(guò)STC12W18S5型號單片機在物聯(lián)網(wǎng)當中實(shí)現快速傳輸[2]。

將STC12W18S5型號單片機上的P1.5、P1.4和P1.3作為配置復用輸入輸出接口，由單片機通過(guò)對網(wǎng)絡(luò )傳輸芯片進(jìn)行讀寫(xiě)操作，以此實(shí)現與物聯(lián)網(wǎng)的通信功能。將STC12W18S5型號單片機P0.0~P0.8接口依次與各個(gè)傳感器開(kāi)關(guān)量的信號輸入和輸出端口進(jìn)行連接，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)直接獲取各個(gè)傳感器的開(kāi)關(guān)量信號。由STC12W18S5型號單片機發(fā)出控制信號，并驅動(dòng)繼電裝置控制各個(gè)電力設備連接線(xiàn)路的通斷，依次實(shí)現對各個(gè)配電室多路風(fēng)扇和照明設備的開(kāi)關(guān)控制，進(jìn)而達到遠程控制配電室目的。

 

2系統軟件設計

2.1配電室各監控參數采集

在對配電室進(jìn)行遠程監控時(shí)，首先需針對上述選擇的多種傳感器獲取到的參數進(jìn)行采集，完成對開(kāi)關(guān)量數據、溫濕度數據等采集工作。根據本文上述傳感器選型，定義開(kāi)關(guān)量輸入端口信號，8個(gè)信號名稱(chēng)、端口信號及其定義分別為：YD1/P0.0/煙霧傳感器1狀態(tài)信號；YD2/P0.2/煙霧傳感器0狀態(tài)信號；DB1/P0.4/紅外傳感器1狀態(tài)信號；DB2/P0.6/紅外傳感器0狀態(tài)信號；SI1/P0.8/水浸傳感器1狀態(tài)信號；SI2/P1.0/水浸傳感器0狀態(tài)信號；DH1/P1.2/溫濕度傳感器1狀態(tài)信號；DH2/P1.4/溫濕度傳感器0狀態(tài)信號。

以上8路開(kāi)關(guān)量均可通過(guò)DI開(kāi)關(guān)接口的端口信號對其進(jìn)行直接獲取，由于開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)只有開(kāi)和關(guān)，因此只給出兩種狀態(tài)1和0，其中1表示為開(kāi)，0表示為關(guān)[3]。在本文系統運行過(guò)程中，利用定時(shí)器完成各項調度任務(wù)，并分別設置對應的采集時(shí)間，按照圖1所示流程實(shí)現對配電室內各個(gè)參數數據的采集。每次從各個(gè)傳感器上獲取到的數據均為32位，以溫濕度數據為例，得出的數據為濕度高7位、低7位、溫度高7位、低7位和末4位組成。

 

圖1參數采集流程圖

2.2基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式配電室環(huán)境信息遠程監控

在本文上述軟硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境的基礎上，在系統中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，根據上述操作完成對配電室內各個(gè)監控參數的采集后，利用物聯(lián)網(wǎng)云平臺對各類(lèi)信息進(jìn)行遠程監控[4]。通過(guò)對物聯(lián)網(wǎng)云平臺互聯(lián)協(xié)議進(jìn)行分析，本文采用JSON作為各類(lèi)配電室環(huán)境信息的傳輸格式。首先在物聯(lián)網(wǎng)云平臺中創(chuàng )建個(gè)人賬號并申請相應的密鑰，根據配電室的運行情況，按照數據采集和開(kāi)關(guān)添加各個(gè)數據采集傳感器及開(kāi)關(guān)，并在添加完畢后獲取各個(gè)傳感器的ID。在對傳感器采集到的各類(lèi)數據信息進(jìn)行上傳時(shí)，由分布式Web負責將各類(lèi)數據及獲取到的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號進(jìn)行統一處理，并構建一個(gè)格式規范的JSON數據串，再建立一個(gè)TCP連接，并利用HTTP傳輸協(xié)議將各類(lèi)數據信息傳輸到物聯(lián)網(wǎng)云平臺當中。

根據互聯(lián)協(xié)議規定的內容，從物聯(lián)網(wǎng)云平臺中一次只能獲取一個(gè)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并依次將需進(jìn)行數據獲取的設備和開(kāi)關(guān)的ID進(jìn)行填充，一次構成一個(gè)GET報文并在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中完成對數據的傳輸，實(shí)現系統用戶(hù)對分布式配電室環(huán)境信息的查詢(xún)。

2.3報警聯(lián)動(dòng)處理

根據本文上述對系統的設計，可實(shí)現各個(gè)傳感器分布式配合聯(lián)運處理和控制，根據配電室需要，采用多個(gè)運動(dòng)報警與多個(gè)設備聯(lián)動(dòng)的處理策略。在根據不同配電室的參數安全范圍設定后，可利用報警聯(lián)動(dòng)功能實(shí)現對配電室運行保護控制。以配電室內部環(huán)境溫濕度為例，當傳感器監測到溫濕度數據出現異常時(shí)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現傳感器到系統上位機的遠程傳輸。此時(shí)由報警聯(lián)動(dòng)實(shí)現對空調和通風(fēng)設備的開(kāi)關(guān)控制，開(kāi)啟后實(shí)現對溫度和濕度的調整。此外按照下述方式設置本文系統中的報警聯(lián)動(dòng)處理邏輯：

當有未經(jīng)允許人員進(jìn)入到配電室時(shí)，系統自動(dòng)聯(lián)動(dòng)視頻監控，以此實(shí)現對人員視頻圖像的獲取，并在完成對人員畫(huà)面的記錄后將其上傳到系統上位機中并報警；當配電室開(kāi)關(guān)柜溫度超過(guò)事先設定的范圍時(shí)，系統自動(dòng)聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟空調、風(fēng)機等設備進(jìn)行降溫并將這一過(guò)程中數據的變化情況進(jìn)行記錄，并將其上傳到系統上位機中；當配電室風(fēng)機、空調設備出現不工作的問(wèn)題，由系統自動(dòng)聯(lián)動(dòng)判斷出其相關(guān)狀態(tài)并驅動(dòng)視頻設備實(shí)現對其拍照記錄，并將結果傳輸到系統上位機中，通過(guò)上述制定的聯(lián)動(dòng)處理方案實(shí)現對配電室的遠程監督和控制。

 

3 對比實(shí)驗

選擇某電力企業(yè)的配電室作為實(shí)驗環(huán)境和實(shí)驗對象，分別利用本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式配電室遠程監控系統，以及該電力企業(yè)現行基于串行通信技術(shù)配電室監控系統應用于該配電室運行管理當中，并實(shí)現對其監控。在實(shí)驗過(guò)程中設置兩種運行系統的條件均相同，選用Windows8作為兩種系統的操作平臺，選用Internet200MB作為網(wǎng)絡(luò )運行環(huán)境。為驗證兩種監控系統的監控精度，選擇將其得到的配電室各項相關(guān)參數監測精度作為實(shí)驗評價(jià)指標。在已知該配電室溫度為26℃、濕度為39%的情況下，分別利用兩種系統對其進(jìn)行監控，并將系統采集到的數據與已知數據進(jìn)行對比，得出其監控誤差，利用Excel軟件對實(shí)驗結果進(jìn)行記錄并分析，得到如表1所示實(shí)驗結果。

表1兩種監控系統實(shí)驗結果對比表

 

從表1得到的數據可看出，本文系統無(wú)論是在對配電室溫度進(jìn)行監控還是對濕度進(jìn)行監控，得到的結果精度誤差均明顯小于該電力企業(yè)現行基于串行通信技術(shù)的監控系統。因此，通過(guò)對比實(shí)驗證明，本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式配電室遠程監控系統在實(shí)際應用中具有更高的監控精度，獲取到的數據可靠性更強。

 

4 安科瑞配電室環(huán)境監控系統的介紹與選型

4.1概述

AcrelCloud-1000變電所運維云平臺基于互聯(lián)網(wǎng)＋、大數據、移動(dòng)通訊等技術(shù)開(kāi)發(fā)的云端管理平臺，滿(mǎn)足用戶(hù)或運維公司監測眾多變電所回路運行狀態(tài)和參數、室內環(huán)境溫濕度、電纜及母線(xiàn)運行溫度、現場(chǎng)設備或環(huán)境視頻場(chǎng)景等需求，實(shí)現數據集中，集中存儲、統一管理，方便使用，支持具有權限的用戶(hù)通過(guò)電腦、手機、PAD等各類(lèi)終端鏈接訪(fǎng)問(wèn)、接收報警，并完成有關(guān)設備日常和定期巡檢和派單等管理工作。

4.2應用場(chǎng)所

適用于電信、金融、交通、能源、醫療衛生、文體、教育科研、農林水利、商業(yè)服務(wù)、公用事業(yè)等行業(yè)變配電運行維護系統的新建、擴建和改建。

 

5 系統功能

5.1用能月報

用能月報支持用戶(hù)按總用電量、變電站名稱(chēng)、變電站編號等查詢(xún)所管理站所的用電量，查詢(xún)跨度可設置為月。

 

5.2站點(diǎn)監測

站點(diǎn)監測包括概況、運行狀態(tài)、當日事件記錄、當日逐時(shí)用電曲線(xiàn)、用電概況。

 

 

 

5.3變壓器狀態(tài)

變壓器狀態(tài)支持用戶(hù)查詢(xún)所有或某個(gè)站所的變壓器功率、負荷率、等運行狀態(tài)數據，支持按負荷率、功率等升、降序排名。

 

5.4運維

運維展示當前用戶(hù)管理的有關(guān)變電所在地圖上位置及總量信息。

 

5.5配電圖

配電圖展示被選中的變電所的配電信息，配電圖顯示各回路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電流等運行狀態(tài)及信息，支持電壓、電流、功率等詳細運行參數查詢(xún)。

 

5.6視頻監控

視頻監控展示了當前實(shí)時(shí)畫(huà)面（視頻直播），選中某一個(gè)變配電站，即可查看該變配站內視頻信息。

 

5.7電力運行報表

電力運行報表顯示選定站所選定設備各回路采集間隔運行參數和電能抄表的實(shí)時(shí)值及平均值行統計。

 

5.8報警信息

對平臺所有報警信息進(jìn)行分析。

 

5.9任務(wù)管理

任務(wù)管理頁(yè)面可以發(fā)布巡檢或消缺任務(wù)，查看巡檢或消缺任務(wù)的狀態(tài)和完成情況，可以點(diǎn)擊查看任務(wù)查看具體的巡檢信息。

 

5.10用戶(hù)報告

用戶(hù)報告頁(yè)面主要用于對選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進(jìn)行統計分析，并列出在該周期內巡檢時(shí)發(fā)現的各類(lèi)缺陷及處理情況。

 

 

5.11 APP監測

電力運維手機支持“監控系統"、“設備檔案"、“待辦事項"、“巡檢記錄"、“缺陷記錄"、“文檔管理"和“用戶(hù)報告"七大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線(xiàn)、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢(xún)，設備檔案查詢(xún)、待辦事件處理、巡檢記錄查詢(xún)、用戶(hù)報告、文檔管理等。

 

 

 

參考文獻：

[1]張翠,高新勤,李楠.基于A(yíng)RM與DSP的箱式變電站智能遠程監控系統[J].電子技術(shù)應用,2019,3.

[2]劉璐,袁戰軍,王希娟.基于A(yíng)RM及ZigBee的智能家居遠程監控系統的設計與實(shí)現[J].電子設計工程,2019,11.

[3]李俊龍,楊默涵等.高速鐵路動(dòng)車(chē)組網(wǎng)壓品質(zhì)無(wú)人值守監控系統分析[J].電子設計工程,2021,11.

[4]江嘉銘,鐘業(yè)榮,阮國恒.基于C/S模式的變電站作業(yè)安全立體監控系統設計研究[J].電子設計工程,2021,10.

[5]李 波.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式配電室遠程監控系統

[6]企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版.

 

柏為為，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事配電室在線(xiàn)監控系統相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)及應用。