淺談基于無線物聯網技術的分布式配電室遠程監控系統研究
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：為解決現有配電室監控系統在實際應用中存在配電室各監控參數采集結果誤差較大問題，設計一種新的監控系統，實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。
關鍵詞：物聯網技術；分布式；配電室；遠程；監控；系統
0 引言
以往電力企業在對配電室進行管理時，通常依賴于人工定時的方式對各類電力設備儀器進行檢測，并手動繪制成表格的形式上報。但這種管理模式在實際應用中工作效率很低，并已無法適應當前大部分智能配電網的規模及用電用戶的需求。同時，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，在各個地區分布十分分散，也對配電室的管理造成了一定影響，進而影響到整個電力系統的正常運行。
1系統硬件設計
1.1多種功能傳感器選型
在本文基于物聯網技術的分布式配電室遠程監控系統在實際應用中的需求下，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，對用于測量和采集各種參數的傳感器設備進行了初步選型，需選擇能實時監測煙霧、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，當配電室環境中出現煙霧濃度或溫度超過了事先設定的安全范圍時，立即產生相應的報警開關量信號，并將信號通過物聯網傳輸到系統上位機當中，由其控制相應的設備斷電，以此避免出現嚴重的安全事故發生[1]。
針對紅外入侵進行監測的傳感器采用DB546-06型號以紅外線作為介質的傳感器結構，當該傳感器檢測到配電室內有未經允許進入的人時，該型號傳感器也會自動被觸發并發出報警信號。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行探測，當探測到有水存在時，再自動轉換為干接點，產生相應的開關量報警信號。選用DH456-20型號溫濕度傳感器，對配電室中環境溫濕度數據進行采集，同時在對檢測到的信號進行處理時，能夠實現對其校準，并將準確的數字溫濕度通過物聯網進行傳輸。四種不同功能傳感器的相關技術參數如下。
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：輸出類型Digital，供電1.5~2.5V，準確性+/-1Cto+/-3C，響應時間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，無線傳輸頻率均能夠足本文系統的傳輸要求，在發出報警的同時能自動生成警情報告、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
在本文基于物聯網技術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接口將其與網絡通信芯片進行連接，該型號單片機主要以SPI模式為主，在實際應用中該型號單片機具備速度快、功耗低等優勢。在STC12W18S5型號單片機中引入R/C時鐘，以此節省原本系統內核心芯片的外部晶振和復位電路，使系統在研發階段加簡單方便。同時，在STC12W18S5型號單片機中引入兩個16位可重裝載定時器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傳感器采集到的數據能通過STC12W18S5型號單片機在物聯網當中實現快速傳輸[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，由單片機通過對網絡傳輸芯片進行讀寫操作，以此實現與物聯網的通信功能。將STC12W18S5型號單片機P0.0~P0.8接口依次與各個傳感器開關量的信號輸入和輸出端口進行連接，并通過物聯網直接獲取各個傳感器的開關量信號。由STC12W18S5型號單片機發出控制信號，并驅動繼電裝置控制各個電力設備連接線路的通斷，依次實現對各個配電室多路風扇和照明設備的開關控制，進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
在對配電室進行遠程監控時，首先需針對上述選擇的多種傳感器獲取到的參數進行采集，完成對開關量數據、溫濕度數據等采集工作。根據本文上述傳感器選型，定義開關量輸入端口信號，8個信號名稱、端口信號及其定義分別為：YD1/P0.0/煙霧傳感器1狀態信號；YD2/P0.2/煙霧傳感器0狀態信號；DB1/P0.4/紅外傳感器1狀態信號；DB2/P0.6/紅外傳感器0狀態信號；SI1/P0.8/水浸傳感器1狀態信號；SI2/P1.0/水浸傳感器0狀態信號；DH1/P1.2/溫濕度傳感器1狀態信號；DH2/P1.4/溫濕度傳感器0狀態信號。
以上8路開關量均可通過DI開關接口的端口信號對其進行直接獲取，由于開關量的狀態只有開和關，因此只給出兩種狀態1和0，其中1表示為開，0表示為關[3]。在本文系統運行過程中，利用定時器完成各項調度任務，并分別設置對應的采集時間，按照圖1所示流程實現對配電室內各個參數數據的采集。每次從各個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基于物聯網技術的分布式配電室環境信息遠程監控
在本文上述軟硬件開發環境的基礎上，在系統中引入物聯網技術，根據上述操作完成對配電室內各個監控參數的采集后，利用物聯網云平臺對各類信息進行遠程監控[4]。通過對物聯網云平臺互聯協議進行分析，本文采用JSON作為各類配電室環境信息的傳輸格式。首先在物聯網云平臺中創建個人賬號并申請相應的密鑰，根據配電室的運行情況，按照數據采集和開關添加各個數據采集傳感器及開關，并在添加完畢后獲取各個傳感器的ID。在對傳感器采集到的各類數據信息進行上傳時，由分布式Web負責將各類數據及獲取到的開關狀態信號進行統一處理，并構建一個格式規范的JSON數據串，再建立一個TCP連接，并利用HTTP傳輸協議將各類數據信息傳輸到物聯網云平臺當中。
根據互聯協議規定的內容，從物聯網云平臺中一次只能獲取一個開關的開關狀態，并依次將需進行數據獲取的設備和開關的ID進行填充，一次構成一個GET報文并在物聯網環境中完成對數據的傳輸，實現系統用戶對分布式配電室環境信息的查詢。
2.3報警聯動處理
根據本文上述對系統的設計，可實現各個傳感器分布式配合聯運處理和控制，根據配電室需要，采用多個運動報警與多個設備聯動的處理策略。在根據不同配電室的參數安全范圍設定后，可利用報警聯動功能實現對配電室運行保護控制。以配電室內部環境溫濕度為例，當傳感器監測到溫濕度數據出現異常時，通過物聯網實現傳感器到系統上位機的遠程傳輸。此時由報警聯動實現對空調和通風設備的開關控制，開啟后實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動處理邏輯：
當有未經允許人員進入到配電室時，系統自動聯動視頻監控，以此實現對人員視頻圖像的獲取，并在完成對人員畫面的記錄后將其上傳到系統上位機中并報警；當配電室開關柜溫度超過事先設定的范圍時，系統自動聯動開啟空調、風機等設備進行降溫并將這一過程中數據的變化情況進行記錄，并將其上傳到系統上位機中；當配電室風機、空調設備出現不工作的問題，由系統自動聯動判斷出其相關狀態并驅動視頻設備實現對其拍照記錄，并將結果傳輸到系統上位機中，通過上述制定的聯動處理方案實現對配電室的遠程監督和控制。
3 對比實驗
選擇某電力企業的配電室作為實驗環境和實驗對象，分別利用本文提出的基于物聯網技術的分布式配電室遠程監控系統，以及該電力企業現行基于串行通信技術配電室監控系統應用于該配電室運行管理當中，并實現對其監控。在實驗過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作為網絡運行環境。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參數監測精度作為實驗評價指標。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行監控，并將系統采集到的數據與已知數據進行對比，得出其監控誤差，利用Excel軟件對實驗結果進行記錄并分析，得到如表1所示實驗結果。
表1兩種監控系統實驗結果對比表
從表1得到的數據可看出，本文系統無論是在對配電室溫度進行監控還是對濕度進行監控，得到的結果精度誤差均明顯小于該電力企業現行基于串行通信技術的監控系統。因此，通過對比實驗證明，本文提出的基于物聯網技術的分布式配電室遠程監控系統在實際應用中具有高的監控精度，獲取到的數據可靠性強。
4 安科瑞配電室環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網＋、大數據、移動通訊等技術開發的云端管理平臺，滿足用戶或運維公司監測眾多變電所回路運行狀態和參數、室內環境溫濕度、電纜及母線運行溫度、現場設備或環境視頻場景等需求，實現數據集中，集中存儲、統一管理，方便使用，支持具有權限的用戶通過電腦、、PAD等各類終端鏈接訪問、接收報警，并完成有關設備日常和定期巡檢和派單等管理工作。
4.2應用場所
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、商業服務、公用事業等行業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
用能月報支持用戶按總用電量、變電站名稱、變電站編號等查詢所管理站所的用電量，查詢跨度可設置為月。
5.2站點監測
站點監測包括概況、運行狀態、當日事件記錄、當日逐時用電曲線、用電概況。
5.3變壓器狀態
變壓器狀態支持用戶查詢所有或某個站所的變壓器功率、負荷率、等運行狀態數據，支持按負荷率、功率等升、降序排名。
5.4運維
運維展示當前用戶管理的有關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關狀態、電流等運行狀態及信息，支持電壓、電流、功率等詳細運行參數查詢。
5.6視頻監控
視頻監控展示了當前實時畫面（視頻直播），選中某一個變配電站，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時值及平均值行統計。
5.8報警信息
對平臺所有報警信息進行分析。
5.9任務管理
任務管理頁面可以發布巡檢或消缺任務，查看巡檢或消缺任務的狀態和完成情況，可以點擊查看任務查看具體的巡檢信息。
5.10用戶報告
用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進行統計分析，并列出在該周期內巡檢時發現的各類缺陷及處理情況。
5.11 APP監測
電力運維支持“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“用戶報告”七大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環比、電能質量、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢、用戶報告、文檔管理等。
6 系統硬件配置
參考文獻：
[1]張翠,高新勤,李楠.基于ARM與DSP的箱式變電站智能遠程監控系統[J].電子技術應用,2019,3.
[2]劉璐,袁戰軍,王希娟.基于ARM及ZigBee的智能家居遠程監控系統的設計與實現[J].電子設計工程,2019,11.
[3]李俊龍,楊默涵等.高速鐵路動車組網壓品質無人值守監控系統分析[J].電子設計工程,2021,11.
[4]江嘉銘,鐘業榮,阮國恒.基于C/S模式的變電站作業安全立體監控系統設計研究[J].電子設計工程,2021,10.
[5]李 波.基于物聯網技術的分布式配電室遠程監控系統
[6]企業微電網設計與應用手冊2022.05版.
作者簡介：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
Email：2851375246@qq.com ： QQ：2851375246 ：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
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