物联网技术在电力监控系统中的设计与应用

胡冠楠 Acrelhgn

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：为解决电力行业智能监控的信息化和自动化程度，基于物联网技术，开展了物联网电力监控平台的设计，完成了软件需求设计和硬件初步设计，并进行了实例应用。研究发现：电力监控实施分３个层级监控，分别为安防监控，运行环境监控和智能检修辅助监控。安防监控主要包括视频监控、电子围栏监控和消防监控，运行环境监测主要用于监测电力设备室内运行环境，检修辅助包括热点温度监测、形变监测和避雷器状态监测。物联网电力的智能监控系统应从功能需求分析、性能需求分析、扩展需求、运行需求和安全需求５个方面入手，其中通过对终端数据进行分解，温度传感过程中需要设计４个模板：射频模块、继电器、主控设备和温度电流传感器。文中设计的系统在电力智能监控中具有一定应用参考价值。

关键词：电力监控;智能变电站;监控系统;电力监控系统

一、前言

物联网技术是近年来基于互联网和5G通信技术所提出来的一种通过智能监控设备与智能感知技术相结合并进行数据传输的全新技术手段。通过物联网技术，能够使得物与物、人与物之间实现信息的远距离实时交流，并在此基础上进行科学决断和准确管理。自从2010年度我国、提及“物联网"概念后，国内就物联网相关技术和应用进行了全国性和战略性的部署研究，物联网技术成为各个行业全新的研究方向和焦点。作为未来清洁能源的主要驱动力，电能在5G技术普及后的需求量会进一步变大，如何发展效率安全的电力供应方式，避免未来出现局部电力短缺现象是可持续发展战略的一个重要落脚点。

国家的主要研究方向为家庭电网智能化。目前科罗拉多轴的波尔德市是先实现电网智能化的城市，各类只能传感器已经在家庭中得到安装部署并陆续投入运行。除美国外，日本、欧洲各国同样进行了较为深入的电网监控技术研究，例如日本东京大学就多种传感器例如覆冰绝缘子、红外测温以及设备漏电等进行电网状态智能监控研究。我国近几年部分学者同样进行了一些物联网电力研究，例如，丁宽基于GIM技术建立了电网信息共享平台，使得电网通信更为有效；高娟等建立了虚拟电感设计在电网监控中的应用实践；曲灿武研究了Zigee技术的特征，用于电网监控技术分析；张轩涛等建立了10KV变电站的物联网控制技术并进行了实践应用。

但是，现有的研究成果大多数基于理论分析和软件模拟，缺乏实践应用，并且物联网技术电力智能监控中的应用成果较为少见。本文在分析了智能电网应用情景的基础上，将智能电力监控架空与现实需求想联系，通过对各种传感器的集成方法以及软件的实现过程进行研究，搭建了一个智能电网监控平台并进行了实践运用。

二、物联网电力监控实施方案

分析电网智能监控中所需要的实际场景，并结合物联网技术能够为电网所能提供的便利，将系统中与物联网技术结合为紧密的功能进行分解，本文分析认为研究的重心主要分为3个主要部分：安防监控、运行环境监测和智能辅修，如图1所示。

图1 物联网电力监控系统设计方案

安防监控层：安防监控层主要实现的是数据收集工作，该层级处在智能电网监控系统的末层级，通过一些列感知设备和通信设施来实现，是物联网信息感知B不可少的部分。通过分析电网监控中的场景，初步确定安防监控项目包括视频监控、电子围栏监控和消防监控。

运行环境监测层：运行环境监测主要用于监测电力设备室内运行环境，室内温湿度监测传感器用于监测环境的适宜程度，气体监测用于感知气体成分和浓度，水浸监测用于发现可能的漏水情况。

智能检修辅助层：智能检修辅助为电网检修人员提供检修之前的须检修数据，并通过计算获取检修建议，检修辅助包括热点温度监测、形变监测和避雷器状态监测。

三、监控系统平台设计

物联网监控实施方案对电网运行过程中的所收集的数据无法进行处理，需要建立一个完善的监控数据处理程序，只有这样才能及时的反应电网设备目前的运行状态和检修状况。本文的系统监控平台设计分为软件设计和硬件设计两部分，通过系统需求分析和硬件设计参数建立和完善了该预警平台。

3.1 软件设计

（1）功能需求分析

从电力智能监控设计角度出发，分析电力物联网所需要实现的功能基本框架，其目标在确保电力运营正常并且降低电网不必要的损耗。从根本上分析智能电网监控需要实现3个层级的功能，设备监控层、网络传输层和系统分析层。因此，本文初步分析该智能监控软件平台需要初步实现5个基本功能，如图2所示。

图2 智能监控软件平台功能

Ａ．数据采集功能：基于串口通信方式，实时收集各个传感器的温度、湿度、视频等综合信息；

Ｂ．数据显示功能：将设备所收集到的综合信息处理后接入计算机设备，通过显示屏展示实时监控；

Ｃ．数据统计功能：通过存储器调取过往监控信息，对各种数字信息进行统计分析发现潜在隐患；

Ｄ．平台管理功能：监控每个监控节点的运行状况，并进行实施反馈和统一管理；

Ｅ．监控预警功能：对每种监控数据和综合监控数据通过模拟设定一定的安全监控值范围，及时发现异常值并预警。

（2）性能需求分析

电网设备运行周期长，从系统的软硬件具体实现功能为出发点，系统在使用过程中需要稳定的工作环境和硬件支撑，因此对于硬件的基本性能要求要比一般设备要高，确保系统在运行各种软件不发生崩溃和传输效率问题。

（3）扩展需求分析

电力监控设备处于初步设计阶段和不断完善的阶段，传统的电力设备改造难道大、成本高，因此在该系统平台设计过程中需要考虑到未来更多的扩展需求和多变量接口。在确保信息传输不受影响并稳定运行，在未来业务扩展过程中，系统依然不改变原有架构，与上层应用进行准确衔接。

（4）运行需求分析

系统运行需要具有良好的跨平台适用性和D特运行能力，在不改变原有系统代码的情况下能够在不同操心系统平台运行并处理数据。

（5）安全需求分析

电网系统的安全性不容忽视，系统需要具备完备的管理员和用户操作权限方案，数据传输需要采取加密手段提升数据安全性，并且能够抵御一般病毒攻击。

3.2 硬件设计

（1）温度传感硬件设计

以温度传感器为例，通过对终端数据进行分解，温度传感过程中需要设计４个模板：射频模块、继电器、主控设备和温度电流传感器。由于电力设备故障通常表现为电流变大设备温度升高的现象，因此在传感器硬件设计环节具体的数据采集流程为信号采集、数据Zigbee传输、数据集成处理、数据上传控制模块。节点控制器获取到控制信号后，继电器模块开始工作，判断是否关闭整个高压设备开关。其工作流程设计图，如图3所示。

图3 无线传感器硬件工作设计流程

传感器模块是获取关键信息的第一步，将不同的传感器布置在系统中发挥的作用是不同的，本文的设计方案包括集成电路型传感器（型号DS18B50，用于数据收集）、三相电能测量芯片（型号SA990B02，用于测量电缆线的通过电流）以及继电传感器（型号G10V-2，用于控制开关工作状态）。

详细来说，就是在零下温度中放置一个减法计算器和温度寄存器，通过观察某一个数值。试验过程如下，当减法计算器数值为1时，低温情况下爱脉冲信号是减弱的；当减法计数器数值为0时，计数器和寄存器同时开始变化，温度计数器的数值和减法计数器同事升高。当减法计数器的数值１开始缓慢上升过程总，温度寄存器不再发生变化，数据测试工程中温度寄存器中的数值是传送至CC2530通信引脚上去。

其中数字温度传感器具有如下功能：a:数据采集过程的双向传输；b:接口通用；c:测温范围大；d:并网组网过程中可以多点测量。同时该传感器还能够在系统的帮助先实现数据无损传输和保密传输。

（2）无线传输硬件电路设计

本文所设计的无线传输模块选择ME3760模块，为了实现入网效率、网络稳定性和ＬＥＴ数据的高性能无线传输，同时满足对数据和IP协议，本的硬件设备采用USB接口，并与S3C2240芯片相结合，其基本电路原理，如图4所示。

图4 无线传输模块电力和设备

该DS18B20型号（图4）传感器需要具备如下性能指标：温度在-55～125℃测温范围，电源可以选择3～5V电源，终端控制器可以并联多个传感器实现同时测温，传感器无需独立外援模块独立运作，体积小适合多种试验场所。

四、实例应用

4.1 界面功能设计

本文的监控界面设计中首先需要进入用户登录环节，这一环节中每个用户均具有完整的信息属性和操作权限，并为每个用户设定了用户名和密码。程序进入后进行初始化操作，其中第1/3/5按钮不能同时使用，然后利用Login类进行实例化操作。实例化完成后搭建登录框架并居中显示。每次登录系统均需要进行用户名和密码输入，若两者相匹配则开始运行工作程序，如图5所示。

图5 系统平台操作界面

若用户名和密码不相匹配，则系统自动回到填写用户名和密码的节目，直至匹配为止。

4.2 传输功能设计

本文的研究采用Swing程序设计系统的信息传输功能。该程序作为一个线程，能够实现所有线程的特点，主要分为3个阶段，首行线程初始化，然后进行事件调度线程，若不影响程序运行，则进行事件调度工作。Swing程序主要进行任务线程调度和通信，可以较好的处理各个线程之间的通信关系，并且不影响相互协作，在处理管理系统中转节点通信方面具有非常高的效率。本文通过在SwingWorker中定义类对象的方式去实现多线程工作，具体实现代码如下。

4.3 数据分析设计

系统内置监测预警程序，通过在界面点击需要监控的数据，那么管理系统将会给中间节点发送命令，通过J听8891端口创建服务器指令，若指令判断可以J听，将会调取传感器数据并进行统计分析，如图6所示。

图6 电网智能监控分析界面

若J听指令并未得到反馈，判断系统无法J听设备，则打开按键Socket，等待系统判断是否重新发出指令，若依然无法获取准确指令数据，则系统提示问题，程序运行结束。

五、安科瑞电力监控系统产品介绍与选型

5.1 概述

Acrel-2000Z电力监控系统是安科瑞电气股份有限公司根据电力系统自动化及无人值守的要求，针对35kV及以下电压等级研发出的一套分层分布式变电站监控管理系统。该系统是应用电力自动化技术、计算机技术和信息传输技术，集保护、监测、控制、通信等多功能于一体的开放式、网络化、单元化、组态化的系统，适用于35kV及以下电压等级的城网、农网变电站和用户变电站，可实现对变电站方位的控制和管理，满足变电站无人或少人值守的需求，为变电站安全、稳定、经济运行提供了坚实的保障。

5.2 应用场所

1. 办公建筑（商务办公、机关办公建筑等）

2. 商业建筑（商场、金融机构建筑等）

3. 旅游建筑（宾馆饭店、娱乐场所等）

4. 科教文卫建筑（文化、教育、科研、医疗卫生、体育建筑）

5. 通信建筑（邮电、通信、广播、电视、数据中心等）

6. 交通运输建筑（机场、车站、码头建筑等）

7. 厂矿企业建筑（石油、化工、水泥、煤炭、钢铁等）

8. 新能源建筑（光伏发电、风能发电等）

5.3 系统结构

Acrel-2000Z电力监控系统釆用分层分布式设计，可分为三层：站控管理层、网络通信层和现场设备层，组网方式可为标准网络结构、光纤星型网络结构、光纤环网网络结构，根据用户用电规模、用电设备分布和占地面积等多方面的信息综合考虑组网方式。

5.4 设备选型

应用场合

型号

保护功能

系统解决方案

10kV

分配电所

进馈线/厂用变

PT监测

AM4-I

AM4-U

三段式定时限过流保护、反时限过流保护、零序过流保护、零序过压保护、非电量保

护、低电压保护、过电压保护、过负荷保护、断路器遥控分合闸、故障录波

低电压警告、PT断线告警、过电压告警、零序过压告警

六、结语

物联网技术为电力智能化和信息化发展提供了全新的发展方向，本文通过分析电力自动化监测过程需要实现的监测方案，就物联网监测系统的软件设计方案和硬件设计方案进行了详细分析，并进行了实例应用，得到如下结论。

（1）电力监控需要实施三个层级的监控策略，分别为安防监控，运行环境监控和智能检修辅助监控。其中安防监控主要包括视频监控、电子围栏监控和消防监控，运行环境监测主要用于监测电力设备室内运行环境，检修辅助包括热点温度监测、形变监测和避雷器状态监测。

（2）物联网电力只能监控系统应从功能需求分析、性能需求分析、扩展需求、运行需求和安全需求5个方面入手，其中通过对终端数据进行分解，温度传感过程中需要设计4个模板：射频模块、继电器、主控设备和温度电流传感器。由于电力设备故障通常表现为电流变大设备温度升高的现象，因此在传感器硬件设计环节具体的数据采集流程为信号采集、数据ZigBee传输、数据集成处理、数据上传控制模块。

参考文献

1. 廖旎焕，胡智宏，马莹莹等，电力系统短期负荷预测方法综述［J］，电力系统保护与控制；

2. 李阳，朱伯涛，胡志亮，王立波，赵迪，物联网技术在电力智能监控系统中的应用探究；

3. 安科瑞电力监控与保护类产品选型手册,2021.01；

4. 安科瑞企业微电网设计与选型手册.2020.06版。