基于物聯(lián)網(wǎng)的智能監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計

摘要：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將無線射頻和傳感器兩項關(guān)鍵技術(shù)結(jié)合在起，建立了套將各處分散的電力環(huán)網(wǎng)柜和配電室環(huán)境數(shù)據(jù)實時聯(lián)網(wǎng)的電力配網(wǎng)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，這套新型的基于無線射頻傳感技術(shù)的電力配網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)。實現(xiàn)了對電力環(huán)網(wǎng)柜和配電室環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集，實現(xiàn)了對運行環(huán)境的遠程監(jiān)控和異常情況或故障出現(xiàn)的即時報警，從而有效提高了電力配網(wǎng)系統(tǒng)的智能化、數(shù)據(jù)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(jiān)控系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的個典型應(yīng)用范例，其無線射頻傳感器和體化的RFID讀寫器設(shè)計實現(xiàn)了部署的簡便快捷(減少了布線工作)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(shè)施；實時監(jiān)控

1應(yīng)用背景

        從電纜化供電來考慮。環(huán)網(wǎng)供電以其經(jīng)濟性和可靠性成為配電網(wǎng)絡(luò)電纜化的形式，環(huán)網(wǎng)柜和配電室(以下統(tǒng)稱為電力配網(wǎng)設(shè)施)作為城市配電網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備，具有分布廣、數(shù)量大、布點散的特點，設(shè)施周邊環(huán)境復(fù)雜且差異較大，經(jīng)常面臨天氣和突發(fā)事件的考驗，因而給戶外巡查工作帶來了以下難點：①電力配網(wǎng)設(shè)施采用全封閉式設(shè)計，人工巡檢難度大；②電力配網(wǎng)設(shè)施數(shù)量大，分布散，人工巡檢工作量大；③在遭遇天氣時很難及時進行人工巡檢；④電力配網(wǎng)設(shè)施到人為破壞時無法及時發(fā)現(xiàn)隱患；⑤無法實現(xiàn)電力配網(wǎng)設(shè)施7×24小時監(jiān)控預(yù)警體系。電力配網(wǎng)設(shè)施涉及用電安全責(zé)任重大，為了保障其運行安全，急需配備實時在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，而傳統(tǒng)監(jiān)測方法在這個問題上存在許多不足之處：①傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測方案主要針對機房資產(chǎn)，難以適應(yīng)狹小空間；②傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測方案采用有線傳輸，部署實施工作量大；③電力配網(wǎng)設(shè)施的強電環(huán)境與傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測的機房環(huán)境差異大；④電力配網(wǎng)設(shè)施的強電環(huán)境對環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備、規(guī)劃、實施要求嚴苛；⑤電力配網(wǎng)設(shè)施部署環(huán)境影響有線連接方案的穩(wěn)定性。

2物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)簡介

         電信聯(lián)盟(ITU)的權(quán)報告指出：物聯(lián)網(wǎng)是通過無線射頻識別技術(shù)(RFID)、傳感網(wǎng)技術(shù)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，通過約定的協(xié)議，基于互聯(lián)網(wǎng)平臺進行信息采集與傳輸，從而達到智能化管理的種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。可以看到，無線射頻識別和傳感器是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中兩個非常重要的核心組成部分。

2．1無線射頻識別(RFID)技術(shù)

       無線射頻識別技術(shù)是種利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式數(shù)據(jù)采集技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，其系統(tǒng)般由閱讀器、應(yīng)答器(電子標簽)、傳輸網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件等組成。RFID電子標簽具有體積小、容量大、壽命長、可多次重復(fù)使用等傳統(tǒng)條形碼所不具備的勢，處理數(shù)據(jù)過程無需人工干預(yù)，可支持快速讀寫、非可視識別、移動識別、多目標識別、定位及長時間跟蹤管理。由此帶來的成本和節(jié)約和效率的提升，促使射頻識別技術(shù)成為各個行業(yè)實現(xiàn)信息化的重要切入點。

2．2傳感器技術(shù)

      傳感器是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的要環(huán)節(jié)，是傳感網(wǎng)的基本功能節(jié)點。通過各式各樣功能豐富的傳感器節(jié)點，傳感網(wǎng)形成了種全新的信息獲取平臺，能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測對象的信息，以實現(xiàn)復(fù)雜的范圍內(nèi)的目標檢測與跟蹤。智能電網(wǎng)建設(shè)中的個關(guān)鍵部分就是處于網(wǎng)絡(luò)末端的傳感器，它是實現(xiàn)智能化*的關(guān)鍵部分，在智能電網(wǎng)中具有廣闊的應(yīng)用空間，在生產(chǎn)安全管理、運行維護、信息采集、安全監(jiān)控、計量及用戶交互等方面都可以提高各環(huán)節(jié)的信息感知深度、廣度以及密度，提高電力系統(tǒng)的智能化程度，促進“信息流、業(yè)務(wù)流、電力流的高度融合”的實現(xiàn)。

3無線射頻和傳感器技術(shù)的結(jié)合設(shè)計

3．1無線射頻傳感器構(gòu)成

       個完整的無線射頻傳感系統(tǒng)由傳感器標簽、有源RFID閱讀器、中間件接口和應(yīng)用軟件組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線射頻傳感技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)

       系統(tǒng)先通過底層的傳感器標簽采集并定期上傳需要萬方數(shù)據(jù)監(jiān)測的各種對象信息，然后通過在各個區(qū)域內(nèi)部署的有源RFID閱讀器接收該區(qū)域內(nèi)所有標簽上傳的信息并發(fā)送給后臺系統(tǒng)接口，由系統(tǒng)中間件對所有閱讀器上傳的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)處理后再發(fā)送給特定的應(yīng)用軟件使用。無線射頻傳感技術(shù)把無線射頻識別和傳感器技術(shù)有機地結(jié)合到了起，通過傳感器標簽采集各種需要進行監(jiān)測的對象狀態(tài)信息，同時通過射頻技術(shù)實現(xiàn)閱讀器和傳感器標簽之間的快速可靠通信，能夠及時獲取并上傳所采集到的各類信息。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(tǒng)可以統(tǒng)接收并處理各類傳感器(溫度、濕度、漏液、煙感、門磁、震動等)所采集到的信息，能夠?qū)γ荛]空間內(nèi)部的各種環(huán)境條件進行實時監(jiān)控，從而實現(xiàn)對電力配網(wǎng)設(shè)施的多角度、全位信息、全壽命周期管理。

3．2無線射頻傳感技術(shù)主要特點

       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(tǒng)工作頻率，其技術(shù)勢主要體現(xiàn)有：①433MHz頻段目已被絕大多數(shù)家所接受；②目433MHz頻段的使用率還不是很高，選擇這個頻段可以有效減少沖突機會，而WiFi和Zigbee網(wǎng)絡(luò)所使用的2．4 GHz頻段則常常會發(fā)生因受干擾而丟失數(shù)據(jù)的情況；③433 MHz電磁波的波長為70 em，這是比較長的，很多有源系統(tǒng)采用的2．4GHz頻段波長只有2．4 cm。波長越長，系統(tǒng)在密集環(huán)境以及金屬和體周圍的表現(xiàn)就越好，可以更好地適應(yīng)環(huán)網(wǎng)柜和配電室應(yīng)用環(huán)境；④工作在433 MHz的個無線射頻閱讀器可以輕松地處理多達1 400個傳感器標簽而不會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)無縫地融合在起，形成了系列具有各式各樣豐富功能的傳感器標簽，其技術(shù)特點主要有：①傳感器標簽每隔定時間(通常為2 s，可根據(jù)需要進行調(diào)整)向閱讀器發(fā)送次數(shù)據(jù)，其信號傳輸距離大可達90 m，*可以滿足環(huán)網(wǎng)柜和配電室環(huán)境的應(yīng)用需要；②每個傳感器標簽都有個8位的身份代碼，用于對其進行標識，同時還有個6位的組別代碼用于標識其傳感類型可以實現(xiàn)簡單方便的統(tǒng)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傳感器標簽類型多樣，功能豐富，可以根據(jù)不同應(yīng)用靈活進行選擇；⑤傳感器標簽采用工業(yè)級封裝，環(huán)境適應(yīng)性強；⑥傳感器標簽內(nèi)置電池，使用壽命可達5年并且可以更換，無需考慮供電問題；⑦傳感器標簽與閱讀器之間的通信采用無線傳輸，部署簡單靈活。

4無線射頻傳感技術(shù)的電力配網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng) 

       基于無線射頻傳感技術(shù)的整個電力配網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。

       對于電力配網(wǎng)設(shè)施監(jiān)控應(yīng)用來說，根據(jù)環(huán)網(wǎng)柜和配電室的特性，我們?yōu)槊總€配電設(shè)施選配了以下幾種類型的傳感器 標簽用于其狀態(tài)監(jiān)控：①門磁標簽：用于監(jiān)控環(huán)網(wǎng)柜柜門或配電室房門的開閉狀態(tài)；②溫濕度標簽：用于監(jiān)控電力配網(wǎng)設(shè)施內(nèi)不同區(qū)域的溫度和濕度；③液體探測標簽：用于監(jiān)控電力配網(wǎng)設(shè)施內(nèi)是否有液體滲漏；④震動標簽：用于監(jiān)控電 [5]力配網(wǎng)設(shè)施是否有人為破壞；⑤煙感標簽：用于監(jiān)控電力配網(wǎng)設(shè)施內(nèi)是否有煙霧起火現(xiàn)象。

圖2智能電力配網(wǎng)設(shè)施實時監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

5系統(tǒng)應(yīng)用效益

      電力配網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)通過無線射頻傳感技術(shù)成功實現(xiàn)了對環(huán)網(wǎng)柜和配電室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集和聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了環(huán)境的遠程監(jiān)測，保證了運行的安全可靠，通過使用該系統(tǒng)所帶來的經(jīng)濟效益和社會效益主要有：①實現(xiàn)了所有電力配網(wǎng)設(shè)施運行狀態(tài)的聯(lián)網(wǎng)在線實時監(jiān)測，有效提升了設(shè)施管理的智能化和信息化水平；②實現(xiàn)了電力配網(wǎng)設(shè)施內(nèi)環(huán)境參數(shù)7 X24小時的全天候安全監(jiān)測，有效減少了安全性事故的發(fā)生并提高了事故發(fā)生后的及時處理能力；③利用電子監(jiān)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間成本；④減少了因滲水、銹蝕、溫度過高等原因造成的設(shè)備異常損耗，避免了不必要的損失，提高了設(shè)備的可靠性和運行壽命；⑤針對突發(fā)事件實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜故障及時預(yù)警和分析快速定位，真正做到馬上發(fā)現(xiàn)，馬上處理，同時也大大減少了由于二次設(shè)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(tǒng)的數(shù)據(jù)化運維管理水平，實現(xiàn)了全位、多角度的智能化管理和監(jiān)督，為智能電網(wǎng)的建設(shè)提供了有力支持。

6安科瑞配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的介紹與選型

6.1簡介

      安科瑞電氣股份有限公司根據(jù)配電室實際情況，結(jié)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(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能開關(guān)柜運行監(jiān)控、高壓開關(guān)柜帶電顯示、電流電壓等負載運行監(jiān)控、母線測溫監(jiān)測、電纜測溫監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、有害氣體監(jiān)測、安防監(jiān)控、采暖通風(fēng)、門禁、燈光、風(fēng)機、除濕機、空調(diào)控制等功能。實現(xiàn)動力環(huán)境各數(shù)據(jù)的檢測與設(shè)備控制，實現(xiàn)動力環(huán)境化，避免運行環(huán)境的失控導(dǎo)致配電設(shè)備運行故障，保證維護人員安全，延長設(shè)備使用壽命，減少配電室粗放式管理導(dǎo)致成本過高，同時實現(xiàn)配電動力環(huán)境的分布式遠程管理。

6.2系統(tǒng)功能

6.2.1 通信管理

       安科瑞智能配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)可以完成對整個配電室范圍內(nèi)的通信設(shè)備進行管理、添加、刪除、控制和數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。

6.2.2實時監(jiān)測

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

6.2.3 數(shù)據(jù)查詢

       在人機界面中，可以直接查看配電室個設(shè)備的運行數(shù)據(jù)。

6.2.4曲線查詢

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

6.2.5運行報表

       查詢配電室內(nèi)設(shè)備的運行數(shù)據(jù)報表，包括日報表、月報表、年報表和查詢報表等。

6.2.6實時告警

      科瑞智能配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娛覝囟取穸取⒂泻怏w、設(shè)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

       安科瑞智能配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)Ξa(chǎn)生的所有事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和進行歷史追溯、查詢統(tǒng)計、事故分析。

6.2.8 用戶權(quán)限管理

      為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。可在線診斷設(shè)備通信狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時能自動在界面上顯示故障設(shè)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(jiān)控系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進行遠程遙控操作。

6.3Acrel-2000E/B配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)配置選型

7系統(tǒng)未來的大數(shù)據(jù)應(yīng)用展望

     未來隨著系統(tǒng)數(shù)據(jù)的積累，通過大數(shù)據(jù)的挖掘和分析技術(shù)，將會產(chǎn)生對人們生產(chǎn)和生活有更多價值和幫助的應(yīng)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(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J]．電子技術(shù)與軟件工程，2016，                  5(7)：3031．42．

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

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

作者簡介：繆建梅，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電氣防火限流式保護器的研發(fā)與應(yīng)用