基于物聯(lián)網(wǎng)的智能監控管理系統設計

摘要：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將無(wú)線(xiàn)射頻和傳感器兩項關(guān)鍵技術(shù)結合在一起，建立了一套將各處分散的電力環(huán)網(wǎng)柜和配電室環(huán)境數據實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)的電力配網(wǎng)環(huán)境智能監控系統，這套新型的基于無(wú)線(xiàn)射頻傳感技術(shù)的電力配網(wǎng)智能監控系統。實(shí)現了對電力環(huán)網(wǎng)柜和配電室環(huán)境數據的實(shí)時(shí)采集，實(shí)現了對運行環(huán)境的遠程監控和異常情況或故障出現的即時(shí)報警，從而有效提高了電力配網(wǎng)系統的智能化、數據化程度，大力確保了電力配網(wǎng)的安全可靠運行。電力配網(wǎng)環(huán)境智能監控系統是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的一個(gè)典型應用范例，其無(wú)線(xiàn)射頻傳感器和一體化的RFID讀寫(xiě)器設計實(shí)現了部署的簡(jiǎn)便快捷(減少了布線(xiàn)工作)和可擴展性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；射頻識別；傳感器；電力配網(wǎng)設施；實(shí)時(shí)監控

1應用背景

        從電纜化供電來(lái)考慮。環(huán)網(wǎng)供電以其經(jīng)濟性和可靠性成為配電網(wǎng)絡(luò )電纜化的首要形式，環(huán)網(wǎng)柜和配電室(以下統稱(chēng)為電力配網(wǎng)設施)作為城市配電網(wǎng)中的關(guān)鍵設備，具有分布廣、數量大、布點(diǎn)散的特點(diǎn)，設施周邊環(huán)境復雜且差異較大，經(jīng)常面臨天氣和突發(fā)事件的考驗，因而給戶(hù)外巡查工作帶來(lái)了以下難點(diǎn)：①電力配網(wǎng)設施采用全封閉式設計，人工巡檢難度大；②電力配網(wǎng)設施數量大，分布散，人工巡檢工作量大；③在遭遇天氣時(shí)很難及時(shí)進(jìn)行人工巡檢；④電力配網(wǎng)設施到人為破壞時(shí)無(wú)法及時(shí)發(fā)現隱患；⑤無(wú)法實(shí)現電力配網(wǎng)設施7×24小時(shí)監控預警體系。電力配網(wǎng)設施涉及用電安全責任重大，為了保障其運行安全，急需配備實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測預警系統，而傳統監測方法在這個(gè)問(wèn)題上存在許多不足之處：①傳統環(huán)境監測方案主要針對機房資產(chǎn)，難以適應狹小空間；②傳統環(huán)境監測方案采用有線(xiàn)傳輸，部署實(shí)施工作量大；③電力配網(wǎng)設施的強電環(huán)境與傳統環(huán)境監測的機房環(huán)境差異大；④電力配網(wǎng)設施的強電環(huán)境對環(huán)境監測系統設備、規劃、實(shí)施要求嚴苛；⑤電力配網(wǎng)設施部署環(huán)境極大影響有線(xiàn)連接方案的穩定性。

2物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介

         電信聯(lián)盟(ITU)的報告指出：物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)(RFID)、傳感網(wǎng)技術(shù)、衛星定位系統(GPS)、激光掃描器等信息傳感設備，通過(guò)約定的協(xié)議，基于互聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行信息采集與傳輸，從而達到智能化管理的一種網(wǎng)絡(luò )技術(shù)?？梢钥吹?，無(wú)線(xiàn)射頻識別和傳感器是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中兩個(gè)非常重要的核心組成部分。

2．1無(wú)線(xiàn)射頻識別(RFID)技術(shù)

       無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)是一種利用射頻通信實(shí)現的非接觸式數據采集技術(shù)，它通過(guò)射頻信號自動(dòng)識別目標對象并獲取相關(guān)數據，其系統一般由閱讀器、應答器(電子標簽)、傳輸網(wǎng)絡(luò )和應用軟件等組成。RFID電子標簽具有體積小、容量大、壽命長(cháng)、可多次重復使用等傳統條形碼所不具備的勢，處理數據過(guò)程無(wú)需人工干預，可支持快速讀寫(xiě)、非可視識別、移動(dòng)識別、多目標識別、定位及長(cháng)期跟蹤管理。由此帶來(lái)的成本和節約和效率的提升，促使射頻識別技術(shù)成為各個(gè)行業(yè)實(shí)現信息化的重要切入點(diǎn)。

2．2傳感器技術(shù)

      傳感器是實(shí)現自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節，是傳感網(wǎng)的基本功能節點(diǎn)。通過(guò)各式各樣功能豐富的傳感器節點(diǎn)，傳感網(wǎng)形成了一種全新的信息獲取平臺，能夠實(shí)時(shí)監測和采集網(wǎng)絡(luò )分布區域內的各種檢測對象的信息，以實(shí)現復雜的范圍內的目標檢測與跟蹤。智能電網(wǎng)建設中的一個(gè)關(guān)鍵部分就是處于網(wǎng)絡(luò )末端的傳感器，它是實(shí)現智能化*的關(guān)鍵部分，在智能電網(wǎng)中具有廣闊的應用空間，在生產(chǎn)安全管理、運行維護、信息采集、安全監控、計量及用戶(hù)交互等方面都可以全面提高各環(huán)節的信息感知深度、廣度以及密度，提高電力系統的智能化程度，促進(jìn)“信息流、業(yè)務(wù)流、電力流的高度融合”的實(shí)現。

3無(wú)線(xiàn)射頻和傳感器技術(shù)的結合設計

3．1無(wú)線(xiàn)射頻傳感器構成

       一個(gè)完整的無(wú)線(xiàn)射頻傳感系統由傳感器標簽、有源RFID閱讀器、中間件接口和應用軟件組成，系統架構如圖1所示。

圖1 無(wú)線(xiàn)射頻傳感技術(shù)系統架構

       系統首先通過(guò)底層的傳感器標簽采集并定期上傳需要萬(wàn)方數據監測的各種對象信息，然后通過(guò)在各個(gè)區域內部署的有源RFID閱讀器接收該區域內所有標簽上傳的信息并發(fā)送給后臺系統接口，由系統中間件對所有閱讀器上傳的數據進(jìn)行統一處理后再發(fā)送給特定的應用軟件使用。無(wú)線(xiàn)射頻傳感技術(shù)把無(wú)線(xiàn)射頻識別和傳感器技術(shù)有機地結合到了一起，通過(guò)傳感器標簽采集各種需要進(jìn)行監測的對象狀態(tài)信息，同時(shí)通過(guò)射頻技術(shù)實(shí)現閱讀器和傳感器標簽之間的快速可靠通信，能夠及時(shí)獲取并上傳所采集到的各類(lèi)信息。傳感器標簽集成了多種傳感器和有RFID電子標簽的各項功能，系統可以統一接收并處理各類(lèi)傳感器(溫度、濕度、漏液、煙感、門(mén)磁、震動(dòng)等)所采集到的信息，能夠對密閉空間內部的各種環(huán)境條件進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，從而實(shí)現對電力配網(wǎng)設施的多角度、全壽命周期管理。

3．2無(wú)線(xiàn)射頻傳感技術(shù)主要特點(diǎn)

       首先，在射頻通信方面，該技術(shù)選擇了433 MHz的超高頻頻段作為系統工作頻率，其技術(shù)勢主要體現有：①433MHz頻段目已被絕大多數國家所接受；②目433MHz頻段的使用率還不是很高，選擇這個(gè)頻段可以有效減少沖突機會(huì )，而WiFi和Zigbee網(wǎng)絡(luò )所使用的2．4 GHz頻段則常常會(huì )發(fā)生因受干擾而丟失數據的情況；③433 MHz電磁波的波長(cháng)為70 em，這是比較長(cháng)的，很多有源系統采用的2．4GHz頻段波長(cháng)只有2．4 cm。波長(cháng)越長(cháng)，系統在密集環(huán)境以及金屬和體周?chē)谋憩F就越好，可以好地適應環(huán)網(wǎng)柜和配電室應用環(huán)境；④工作在433 MHz的一個(gè)無(wú)線(xiàn)射頻閱讀器可以輕松地處理多達1 400個(gè)傳感器標簽而不會(huì )對射頻傳輸和通信的可靠性有任何降低。其次，在傳感器方面，該技術(shù)把有源RFID標簽和傳感器技術(shù)無(wú)縫地融合在一起，形成了一系列具有各式各樣豐富功能的傳感器標簽，其技術(shù)特點(diǎn)主要有：①傳感器標簽每隔一定時(shí)間(通常為2 s，可根據需要進(jìn)行調整)向閱讀器發(fā)送一次數據，其信號傳輸距離可達90 m，*可以滿(mǎn)足環(huán)網(wǎng)柜和配電室環(huán)境的應用需要；②每個(gè)傳感器標簽都有一個(gè)8位的身份代碼，用于對其進(jìn)行標識，同時(shí)還有一個(gè)6位的組別代碼用于標識其傳感類(lèi)型可以實(shí)現簡(jiǎn)單方便的統一管理；③傳感器標簽外型小巧，可用于多種物體表面，易于安裝和使用；④傳感器標簽類(lèi)型多樣，功能豐富，可以根據不同應用靈活進(jìn)行選擇；⑤傳感器標簽采用工業(yè)級封裝，環(huán)境適應性強；⑥傳感器標簽內置電池，使用壽命可達5年并且可以換，無(wú)需考慮供電問(wèn)題；⑦傳感器標簽與閱讀器之間的通信采用無(wú)線(xiàn)傳輸，部署簡(jiǎn)單靈活。

4無(wú)線(xiàn)射頻傳感技術(shù)的電力配網(wǎng)智能監控系統 

       基于無(wú)線(xiàn)射頻傳感技術(shù)的整個(gè)電力配網(wǎng)智能監控系統的構成如圖2所示。

       對于電力配網(wǎng)設施監控應用來(lái)說(shuō)，根據環(huán)網(wǎng)柜和配電室的特性，我們?yōu)槊總€(gè)配電設施選配了以下幾種類(lèi)型的傳感器 標簽用于其狀態(tài)監控：①門(mén)磁標簽：用于監控環(huán)網(wǎng)柜柜門(mén)或配電室房門(mén)的開(kāi)閉狀態(tài)；②溫濕度標簽：用于監控電力配網(wǎng)設施內不同區域的溫度和濕度；③液體探測標簽：用于監控電力配網(wǎng)設施內是否有液體滲漏；④震動(dòng)標簽：用于監控電 [5]力配網(wǎng)設施是否有人為破壞；⑤煙感標簽：用于監控電力配網(wǎng)設施內是否有煙霧起火現象。

圖2智能電力配網(wǎng)設施實(shí)時(shí)監控系統構成

5系統應用效益

      電力配網(wǎng)智能監控系統通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻傳感技術(shù)成功實(shí)現了對環(huán)網(wǎng)柜和配電室內環(huán)境數據的實(shí)時(shí)采集和聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現了環(huán)境的遠程監測，保證了運行的安全可靠，通過(guò)使用該系統所帶來(lái)的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益主要有：①實(shí)現了所有電力配網(wǎng)設施運行狀態(tài)的聯(lián)網(wǎng)在線(xiàn)實(shí)時(shí)監測，有效提升了設施管理的智能化和信息化水平；②實(shí)現了電力配網(wǎng)設施內環(huán)境參數7 X24小時(shí)的全天候安全監測，有效減少了安全性事故的發(fā)生并提高了事故發(fā)生后的及時(shí)處理能力；③利用電子監控替代人工巡檢，大大減少了管理人員的工作量并提高了工作效率，有效降低了電網(wǎng)管理的人力成本和時(shí)間成本；④減少了因滲水、銹蝕、溫度過(guò)高等原因造成的設備異常損耗，避免了不必要的損失，提高了設備的可靠性和運行壽命；⑤針對突發(fā)事件實(shí)現環(huán)網(wǎng)柜故障及時(shí)預警和全面分析快速定位，真正做到馬上發(fā)現，馬上處理，同時(shí)也大大減少了由于二次設備故障對電網(wǎng)運行造成的影響；⑥提升了電力配網(wǎng)系統的數據化運維管理水平，實(shí)現了多角度的智能化管理和監督，為智能電網(wǎng)的建設提供了有力支持。

6安科瑞配電室環(huán)境監控系統的介紹與選型

6.1簡(jiǎn)介

      安科瑞電氣股份有限公司根據配電室實(shí)際情況，結合多年的變電站和配電室的運行管理經(jīng)驗，自主研發(fā)了安科瑞配電室綜合監控系統，實(shí)現了智能開(kāi)關(guān)柜運行監控、高壓開(kāi)關(guān)柜帶電顯示、電流電壓等負載運行監控、母線(xiàn)測溫監測、電纜測溫監測、環(huán)境監測、有害氣體監測、安防監控、采暖通風(fēng)、門(mén)禁、燈光、風(fēng)機、除濕機、空調控制等功能。實(shí)現動(dòng)力環(huán)境各數據的檢測與設備控制，實(shí)現動(dòng)力環(huán)境化，避免運行環(huán)境的失控導致配電設備運行故障，保證維護人員安全，延長(cháng)設備使用壽命，減少配電室粗放式管理導致成本過(guò)高，同時(shí)實(shí)現配電動(dòng)力環(huán)境的分布式遠程管理。

6.2系統功能

6.2.1 通信管理

       安科瑞智能配電室綜合監控系統可以完成對整個(gè)配電室范圍內的通信設備進(jìn)行管理、添加、刪除、控制和數據的實(shí)時(shí)監測。

6.2.2實(shí)時(shí)監測

        安科瑞智能配電室綜合監控系統人機界面友好，能夠顯示配電室設備的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測配電室環(huán)境參數信息，如視頻、溫度、濕度、漏水/水浸、水位、有害氣體和電參量等。實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警等信息。

6.2.3 數據查詢(xún)

       在人機界面中，可以直接查看配電室個(gè)設備的運行數據。

6.2.4曲線(xiàn)查詢(xún)

       在曲線(xiàn)查詢(xún)界面，可以直接查看遙測參量曲線(xiàn)，包括溫度、濕度、水位、有害氣體、電壓、電流等曲線(xiàn)。

6.2.5運行報表

       查詢(xún)配電室內設備的運行數據報表，包括日報表、月報表、年報表和查詢(xún)報表等。

6.2.6實(shí)時(shí)告警

      科瑞智能配電室綜合監控系統具有實(shí)時(shí)告警功能，系統能夠對配電室溫度、濕度、有害氣體、設備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。告警如右圖所示：

6.2.7 歷史事件查詢(xún)

       安科瑞智能配電室綜合監控系統能夠對產(chǎn)生的所有事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和進(jìn)行歷史追溯、查詢(xún)統計、事故分析。

6.2.8 用戶(hù)權限管理

      為保障系統安全穩定運行，設置了用戶(hù)權限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）?？梢远x不同級別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

6.2.9網(wǎng)絡(luò )拓撲圖

       安科瑞智能配電室綜合監控系統支持實(shí)時(shí)監視接入系統的各設備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )結構?？稍诰€(xiàn)診斷設備通信狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò )異常時(shí)能自動(dòng)在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

6.2.10遙控操作

      安科瑞智能配電室綜合監控系統可以對整個(gè)配電系統范圍內的設備進(jìn)行遠程遙控操作。

6.3Acrel-2000E/B配電室環(huán)境監控系統配置選型

7系統未來(lái)的大數據應用展望

     未來(lái)隨著(zhù)系統數據的積累，通過(guò)大數據的挖掘和分析技術(shù)，將會(huì )產(chǎn)生對人們生產(chǎn)和生活有多價(jià)值和幫助的應用。

參考文獻

      （1）程偉華，陳揚，趙琳．基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力環(huán)網(wǎng)柜環(huán)境監控系統設計與應用[J]．電子技術(shù)與軟件工程，2016，                  5(7)：30一31．42．

      （2）劉德山．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力配網(wǎng)智能監控管理中的應用[J]．四川建材

      （3）安科瑞Acrel-2000EB配電室綜合監控系統2020.04版