一種基于物聯(lián)網(wǎng)信息集成的開關(guān)柜在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

金旭 黃錕 柴仁勇

摘要：本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)信息集成的開關(guān)柜多類型運(yùn)行參數(shù)在線綜合監(jiān)測系統(tǒng)，提高了開關(guān)柜運(yùn)行可靠性。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)柜多類型參數(shù)分布式實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)感知、信息互聯(lián)?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)在開關(guān)柜監(jiān)測方面實(shí)時(shí)性強(qiáng)，有效提高開關(guān)柜運(yùn)行維護(hù)水平，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)信息集成;開關(guān)柜;分布式;在線監(jiān)測;綜合評估

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

基于物聯(lián)網(wǎng)信息集成的高壓開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)在線綜合監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。系統(tǒng)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層。感知層以開閉所為結(jié)構(gòu)單元，一個(gè)開閉所內(nèi)每臺開關(guān)柜包含一套信息采集裝置，每套信息采集裝置由多種傳感器組成。通過傳感器可采集母線室、電纜室、繼電器室環(huán)境溫濕度、三相電流、電壓信息、SF6壓力、臭氧濃度和故障指示信息等。

網(wǎng)絡(luò)層連接平臺層和感知層。針對多類型的參數(shù)采集傳感器，信息采集裝置采用RS485、無線射頻通信技術(shù)獲得傳感器采集的數(shù)據(jù)。并通過4G無線通信技術(shù)將每個(gè)開閉所采集的信息傳送到平臺層。

網(wǎng)絡(luò)層連接平臺層和感知層。針對多類型的參數(shù)采集傳感器，信息采集裝置采用RS485、無線射頻通信技術(shù)獲得傳感器采集的數(shù)據(jù)。并通過4G無線通信技術(shù)將每個(gè)開閉所采集的信息傳送到平臺層。

平臺層提供云服務(wù)。服務(wù)器集群將區(qū)域內(nèi)所有開關(guān)柜信息整合，通過數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)解決數(shù)據(jù)存儲、檢索、使用、挖掘和安全隱私保護(hù)等問題。通過平臺層構(gòu)建橫向集成、縱向貫通的數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一次采集、多次使用，最大化數(shù)據(jù)價(jià)值。

作為物聯(lián)網(wǎng)信息集成的頂層，應(yīng)用層為開關(guān)柜在線監(jiān)測提供人機(jī)交互接口。應(yīng)用層與平臺層交互，通過各類信息進(jìn)行決策，可控制感知層的設(shè)備終端。文中在應(yīng)用層基于手持終端設(shè)計(jì)了開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)在線綜合監(jiān)測系統(tǒng)，軟件部分可根據(jù)設(shè)備歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)以及當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù)可進(jìn)行故障報(bào)警以及運(yùn)行狀態(tài)預(yù)警等功能?？赏ㄟ^移動(dòng)終端掃描設(shè)備二維碼激活設(shè)備巡檢任務(wù)界面，與安裝在電力設(shè)備上的采集終端通信，獲取采集終端的運(yùn)行參數(shù)。該系統(tǒng)軟件具體可實(shí)現(xiàn)設(shè)備定位識別、運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、巡檢數(shù)據(jù)錄入、巡檢記錄上傳、巡檢記錄查詢、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析等功能。

2 感知層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 感知層硬件結(jié)構(gòu)

感知層數(shù)據(jù)采集硬件總體結(jié)構(gòu)，濕度傳感器、氣體傳感器、電壓電流互感器采集的模擬信號，經(jīng)過信號調(diào)理后通過A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集器的微處理單元對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和管理。

其中，為了全面監(jiān)測高壓開關(guān)柜帶電部位全局的問題，設(shè)計(jì)了一種在現(xiàn)實(shí)紅外成像的開關(guān)柜溫度場采集模塊。提高溫度監(jiān)測的有效性，避免溫度場監(jiān)測不全導(dǎo)致的開關(guān)柜安全隱患。

為提高開關(guān)柜測溫的精度，擴(kuò)大開關(guān)柜溫度監(jiān)測的區(qū)域，文中設(shè)計(jì)了紅外溫度傳感器模塊，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。選用STM32F103RCT6作為紅外溫度傳感器和激光電路核心處理單元，STM32核心為Cortex-M3，系統(tǒng)時(shí)鐘晶振頻率為8MHz。采用MLX90640紅外傳感器對區(qū)域進(jìn)行紅外溫度采集，測溫精度為0.1℃。采集區(qū)域大小劃分為32×24個(gè)區(qū)域點(diǎn)，激光電路用于指定測溫區(qū)域的范圍。采集到的溫度信息經(jīng)微控制器處理后以圖像形式送入平臺層服務(wù)器。

紅外測溫傳感器輸出的每幀數(shù)據(jù)包含1544個(gè)以16進(jìn)制表示的字節(jié)，其中字節(jié)4-1539表示目標(biāo)物體768個(gè)點(diǎn)的溫度，給定一幀數(shù)據(jù)<5A5A-0206-6E0E-690E- 5A0E-XXXX-050E-8D0E-D540>，字節(jié)4表示溫度數(shù)據(jù)的低8位，字節(jié)5表示溫度數(shù)據(jù)的高8位，以一行一列點(diǎn)域的溫度數(shù)據(jù)說明實(shí)際溫度換算過程如式（1）：

2.2 邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算是一種新的計(jì)算模式，其核心在于強(qiáng)調(diào)計(jì)算應(yīng)該更靠近數(shù)據(jù)的源頭，邊緣計(jì)算技術(shù)在電網(wǎng)信息系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。通過引入邊緣計(jì)算，可緩解網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的計(jì)算壓力，提升服務(wù)的響應(yīng)能力。

在電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中，開關(guān)柜數(shù)量眾多，傳感器短時(shí)間內(nèi)可產(chǎn)生大量原始數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)總體質(zhì)量低下。為緩解大量數(shù)據(jù)對平臺層服務(wù)器的計(jì)算壓力，文中設(shè)計(jì)的開關(guān)柜在線綜合監(jiān)測系統(tǒng)通過應(yīng)用邊緣計(jì)算引入傳感器異常感知算法，采用相關(guān)分析確定異常數(shù)據(jù)，并對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注，為平臺層提供優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)來源。

3 平臺層數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)庫管理體系

開關(guān)柜綜合監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大，如不能設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)管理模式將導(dǎo)致系統(tǒng)硬件性能不足從而引起系統(tǒng)故障。數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)當(dāng)滿足高壓開關(guān)柜橫向綜合信息采集以及縱向數(shù)據(jù)貫通的要求，應(yīng)具備實(shí)時(shí)性、大容量、高效率、安全性等特點(diǎn)。

文中設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫管理體系，包含應(yīng)用層、接口層、管理層和基礎(chǔ)層4部分?；A(chǔ)層為硬件和操作系統(tǒng)，為數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行提供支持?；A(chǔ)層之上為數(shù)據(jù)庫的管理層，包括存儲的數(shù)據(jù)信息、實(shí)時(shí)庫、歷史庫、數(shù)據(jù)搜索算法以及故障建模技術(shù)等。

采用面向服務(wù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和對外共享，在面向服務(wù)架構(gòu)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)管理層的封裝。數(shù)據(jù)庫提供3類訪問接口，分別是數(shù)據(jù)庫本地訪問接口、數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)訪問接口、數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程訪問接口。在數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)中，包含數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程訪問技術(shù)、數(shù)據(jù)安全訪問技術(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的定位技術(shù)、歷史數(shù)據(jù)管理技術(shù)以及快速訪問技術(shù)等。

3.2 故障診斷建模

故障診斷建模的目的主要是對開關(guān)柜母線室、電纜室和斷路器的狀態(tài)量進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測量如表1所示，主要對開關(guān)柜的柜內(nèi)電弧故障、機(jī)械故障和絕緣損壞三種故障進(jìn)行判別。傳統(tǒng)的開關(guān)柜故障診斷多采用時(shí)域信號處理方法，如小波變換、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解、信息熵等[16-18]。因文中設(shè)計(jì)的開關(guān)柜監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測信息維度高，傳統(tǒng)信號處理方法難以處理，故可將開關(guān)柜高維特征矩陣映射至黎曼空間中，并在黎曼空間中使用黎曼距離判定故障類別。

4 應(yīng)用層

高壓開關(guān)柜在線綜合監(jiān)測系統(tǒng)以手持式終端為主要載體，分為系統(tǒng)設(shè)置、實(shí)時(shí)監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)4部分，。系統(tǒng)設(shè)置包含登陸服務(wù)、用戶增刪、密碼修改、服務(wù)器選擇、數(shù)據(jù)庫選擇、參數(shù)報(bào)警閾值設(shè)定功能。實(shí)時(shí)監(jiān)測部分展示開關(guān)柜電氣參數(shù)、電能參數(shù)、溫濕度曲線和氣體壓力。歷史數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)存儲、下載、查詢服務(wù)。報(bào)警數(shù)據(jù)來源于閾值報(bào)警和故障診斷報(bào)警兩部分，報(bào)警信息包含時(shí)間、級別、類型和確認(rèn)與4部分。數(shù)據(jù)分析部分將統(tǒng)計(jì)分析方法、故障診斷方法引入邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析中，加快數(shù)據(jù)處理流程，提升系統(tǒng)響應(yīng)速度。

5 結(jié)論

（1）構(gòu)建基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的高壓開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)在線綜合監(jiān)測系統(tǒng)，能夠通過各種感知元件獲得開關(guān)柜運(yùn)行參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)對分布式的開關(guān)柜實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

（2）采用多種傳感器監(jiān)測開關(guān)柜內(nèi)參數(shù)信息，數(shù)據(jù)采集模式多樣化。

（3）紅外監(jiān)測模塊可對柜內(nèi)大全局的溫度信息進(jìn)行采集，提高了開關(guān)柜溫度監(jiān)測與故障預(yù)警性能。

（4）數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可充分可利用數(shù)據(jù)信息對電力設(shè)備故障進(jìn)行識別和預(yù)警，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]李祥， 崔昊楊， 皮凱云， 等. 基于STM32的變電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2017（17）：158-161+165.