基于物聯網技術的電力環網柜環境監控系統設計與應用

程偉華

本文針對傳統電力環網柜運行狀態在安全、效率等方面存在的不足，將物聯網關鍵技術在環網柜智能化監控總系統中充分應用，并分別從環網柜內部環境信息采集、局放信息檢測、門禁管理三個子模塊進行闡述，構建了一個智能化、信息化水平較高的現代環網柜環境監控系統，該系統的運用將有助于提高整個城市供電系統的安全性、可靠性、高效性。

【關鍵詞】物聯網 電力環網柜 環境監控

電力環網柜數量眾多，分布范圍廣泛，是城市6～10KV 供電網絡的重要組成部分和控制接點，環網柜的運行狀態直接關系到城市供電系統的可靠性。環網柜內空間相對狹小，設備長時間帶負荷運行，環境溫度和電氣接點溫度容易偏高，如果不及時處理可能 導致著火或爆炸事故，為保證安全運行，目前電力檢修人員需要定期對環網柜進行溫度檢測，工作量大，準確度低。為了確保城市供電系統的穩定可靠，提高環網柜的智能化、信息化管理水平，滿足配網狀態檢修的需求，降低檢修人員的勞動強度，需要結合物聯網技術實現環網柜內部的信息數據的采集，本文基于物聯網及其關鍵技術對環網柜環境監控系統進行研究。

1 物聯網

1999年，麻省理工學院（MIT）的教授提出了物聯網（The Internet of Things）的概念，不同學者對物聯網的定義進行了闡述和拓展，目前對物聯網的基本含義闡述較為全面、傳播較為廣泛、獲得普遍接受的內涵產生于國際電信聯盟（ITU）發布的報告，該報告提出“物聯網是通過無線射頻識別技術（RFID）、傳感網技術、全球衛星定位系統（GPS）、激光掃描器等信息傳感設備， 通過約定的協議， 基于互聯網平臺進行信息采集與傳輸，從而達到智能化管理的一種網絡技術”。

2 物聯網關鍵技術

2.1 無線射頻識別（RFID）技術

RFID技術是通過射頻方式進行非接觸雙向通信的自動識別技術，系統由讀寫器、應用接口、傳輸網絡、應答器、閱讀器和應用軟件系統組成，由閱讀器發射特定頻率的無線電波能量，送給應用軟件系統進行相應數據處理，具有讀取方便快捷、安全度高、抗干擾強、使用使命長、數據容量大等許多優點。目前無線射頻識別技術在跟蹤識別、記錄存儲、傳感網通信、門禁系統等具有廣泛應用，但因商品流通領域的高昂成本、技術標準不統一、信息安全存在隱患等制約了技術的傳播與發展。

2.2 傳感網技術

國際權威期刊定義傳感器網是大量隨機分布的傳感器節點、數據處理單元及通信模塊單元，通過自組織的方式構成的無線網絡。傳感器節點是傳感器網絡的基本功能單元，由傳感器和處理數據及執行元件組成的設備，主要功能是感知、識別、采集和監測各種環境或對象的信息，并將收集到的信息進行監督控制、信息共享和存儲管理。傳感器通常由敏感元件和轉換元件組成，能夠感知被測量件物理條件或化學成分并且轉換與被觀察的特性可用的電信號的器件或裝置。

3 物聯網技術在環網柜環境監控系統中應用

3.1 環網柜環境監控總系統

整個環網柜環境監控總系統主要包含以下三個監控子系統：環境信息監測子系統、局放系統檢測子系統、門禁管理子系統。系統的設備架構如圖1所示，整個系統中由一臺中央控制主機構成，中央控制主機通過網絡交換機的網絡通信方式與各個監控子系統相連，各種傳感器如溫濕度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器組成傳感網絡，各個監控子系統通過以太網絡通信與各個傳感器相互聯系，利用傳感網絡平臺對信息的搜集與處理，通過中央控制中心將任務傳遞到各個子系統中。另外除了上述幾個功能子模塊外，系統還包括視頻監控模塊以及其他的功能模塊。比如本系統中的，視頻監控系統主要用于監控打開環網柜的人員信息等。

信息采集主要分為環網柜內部環境信息采集、門禁系統數據、以及局放信息三個部分，三個部分的具體流程如下所示：

（1）環網柜內部環境信息采集：環網柜中具體的采集信息包括：溫濕度信息、SF6濃度、O3濃度、水位、煙霧共五項環境信息參數，傳感采集器每隔一分鐘的時間讀取各個傳感器的檢測數值，并將讀取到的數值進行處理后通過無線或者有線的方式發送出去。

（2）局放信息檢測：局放檢測設備實時的獲取設備的局放信息，并將放電參數、位置信息等通過路由上傳至遠端服務系統。

（3）門禁系統檢測：門禁系統主要用于環網柜、箱變的出入人員信息的管理。電力監管人員通過掃描自身攜帶的RFID卡進入環網柜、箱變內部，當門禁系統檢測到人員進入系統時，將RFID中的人員信息發送至路由器設備。

3.2 環網柜環境監控子系統

3.2.1 環境信息采集子系統

環網柜內部環境信息采集部分的系統框圖如圖2所示。與配電站房相同，環網柜內部的信息采集參數包括：SF6、O3、煙霧、水位、溫濕度這五項。數據采集完成后由綜合信息采集器統一處理，并打包上傳。環網柜內部安裝一臺工業空調，用于環網柜內部環境信息的調節。

（1）系統運行流程。環境信息監控子系統運行流程的主要過程為傳感器、傳感采集器、繼電器控制器、綜合網關以及應用平臺的數據流向過程。綜合網關設備主要負責各種數據信息的傳輸。多接口數據網關具有多種通信接口，可以將各種通信信息的數據信息轉化成統一的數據形式上傳至遠端信息服務系統。多接口數據網關設備通過中斷的方式接收傳感采集器以及環境控制器發送過來的數據信息，并將這些數據通過（GSM、GPRS、Ethernet）其中一種方式發送到遠端的服務系統。繼電器控制器主要用于對環網柜內部的空調進行控制，繼電器控制器通過485通信口接收綜合信息采集發送的控制信息。當繼電器控制器接收到調節指令后，立即打開或者關閉空調并返回控制指令。應用平臺主要用于實現監控數據的可視化以及報警的功能，系統每個5S讀取一次數據庫的信息，并實時更新檢測到的數據值。信息監控軟件平臺主要接收綜合網關傳輸過來的信息值并對數據進行分析，最終實現環境信息遠程監控的功能。

（2）設備具體布局。由于環網柜的空間相對來說比較小，工作環境比較復雜。每個環網柜中分別放置一組傳感信息采集器、環境控制器以及多接口數據網關。下面對環境檢測系統中的各個設備的具體布局做詳細的說明。①傳感器布局：傳感器的具體安裝在環網柜的內部，具體的安裝方式通過直插、懸掛、附貼的方式完成，整個傳感器以網絡的形式分布在環網柜中。②傳感信息采集器：通常每個環網柜中對應一個傳感信息采集器，傳感信息采集器以掛壁的方式安裝于環網柜的內部。③環境控制器：對應于信息采集器，一個傳感信息采集配合一個環境控制器工作，環境控制器的安裝方式也以掛壁的方式安裝。④多接口數據網關：網關設備的布局安裝同樣以掛壁的方式安裝于環網柜中。⑤其他說明：設備的安裝布局必須滿足電氣安裝規范，以整體簡潔、美觀、方便為主要安裝需求。

3.2.2 環網柜局放檢測子系統

在電力設備實際運行過程中，當電力設備的絕緣內部存在氣隙或生產過程中造成一些缺陷，設備可能發生局部放電的現象。如果電氣設備絕緣在運行電壓下出現局部放電，這些微弱的放電會使絕緣材料受到電暈腐蝕、局部過熱、紫外線輻射和氧化作用，產生的累積效應會使絕緣的介電性能逐漸劣化并使局部缺陷擴大，最后導致整個絕緣擊穿，設備損壞。大型電力設備的局放可能造成巨大的損失，甚至出現由于故障的突發性會出現人員傷亡的問題。

（1） UHF系統檢測原理。UHF法是目前局部放電檢測的一種新方法，該方法通過天線傳感器接收局部放電過程輻射的UHF電磁波，實現局部放電的檢測。在80年代末，UHF法測量局部放電首先應用在GIS設備中。在UHF法中傳感器并非起耦合的作用，而是接收UHF信號的天線，所有UHF法的原理與脈沖電流法是不同的。天線除了能有效地輻射或接收無線電波外，還能完成高頻電流或導波（能量）到同頻率無線電波（能量）的轉換，或者完成無線電波（能量）到同頻率的高頻電流或導波（能量）的轉換。所以，天線還是一個能量轉換器。一副好的天線，就是一個好的能量轉換器。任何利用無線電波傳遞信息的系統，都包括“發射端-無線電波傳播-接收端”三個環節。為此就必須有能夠輻射和接收電磁波的設備，這個設備就是線。所以說，天線的重要作用就是輻射或接收電磁波。圖3是進行無線電廣播線路的簡圖。局部放電傳感器的設計主要是接收天線的設計，表征天線性能的參數主要有：方向圖、方向性、增益、極化特性、天線效率、帶寬以及輸入阻抗等。

（2）UHF檢測系統組成。本系統由局放檢測探頭、寬帶放大器、機械附件、工控機（局放分析儀）組成。UHF檢測系統由特高頻天線（標準增益喇叭天線、圓柱/錐螺旋天線、等角螺旋天線）、50Q射頻同軸電纜、數字式示波器、計算機及其分析軟件等組成。該系統具有及時發現設備內部的局部放電隱患，保障系統安全，為設備狀態檢修提供依據，實現局部放電故障定位點，實現對被檢測設備局部放電歷史趨勢的觀察。從結構上如圖4所示，UHF傳感器分為內置式和外置式兩種，UHF傳感器主要用來采集電氣設備內部發生局放時產生的高頻信號，此傳感器直接固定在絕緣盆子上，盤子上除了放置傳感器的地方外其他的地方用屏蔽袋屏蔽，這樣的好處是保證高頻傳感器采集的高頻信號是從設備內部出來的第一手信號，有效防止了外界干擾信號從盆子處進入高頻傳感器，保證了高頻傳感器采集高頻信號的純凈度和可信對。

3.2.3 門禁管理子系統

門禁管理系統可以控制人員的出入，還可以控制人員在樓內及敏感區域的行為并準確記錄和統計管理數據的數字化出入控制系統。門禁管理系統可有效管理環網柜門的開啟與關閉，保證授權人員自由出入，限制未授權人員進入。

（1）系統拓補圖。公配所的門禁系統采用卡奧博公司的（S01）智能門禁系統，用戶可以通過刷自身攜帶額RFID無線射頻卡或者輸入密碼的方式，進入配電所內部。智能門禁系統主要用于公配所的人員進出管理以及信息記錄，其主要特點如下：①三種開鎖方式：刷卡、密碼、刷卡加密碼的方式解鎖。②便捷設置：無線連接電腦，即可脫機進行所有功能的設置。③斷電保護：設備具有斷電保護的功能，斷電數據永不丟失。④穩定性好：設備采用全銅線圈門禁電源控制器，功率大，壽命長。⑤低功耗：電插鎖采用最新防斷磁設計以及進口元器件，低功耗。

（2）系統工作流程。網絡門禁管理系統由讀卡器、網絡門禁控制器、電鎖、門磁、出門按鈕、門禁管理主機、打印機和門禁管理軟件等組成。門禁管理主機上安裝門禁管理軟件，負責對整個門禁系統的維護管理。系統也可另設一臺門禁系統數據庫服務器，也可用門禁管理主機兼做數據庫服務器。系統參數設置、人員進出記錄、報警事件以及所有員工的基本資料、權限記錄等都被保存在數據庫服務器中，可實現對整個門禁系統的集中管理、參數設置、系統維護，資料查詢、所有門點人員進出統計信息、報警事件記錄等。門禁管理主機、數據庫服務器、各分支機構門禁管理分機、門禁控制器之間均由TCP/IP網絡連接。門禁管理的具體工作流程如圖6所示，首先電網工作人員需要申請一個RFID門卡，在制卡處將個人信息與數據庫系統進行綁定。當對應的工作人員要打開環網柜時，需要在刷卡處刷卡，系統讀取卡內信息后進行判斷，確認個人信息是否被允許。如果刷卡人員信息允許進入時，系統打開電磁鎖并記錄人員信息，允許人員進入。否則，系統響鈴報警，并記錄異常信息。

4 結束語

物聯網的產生作為信息領域的一次重大突破引起了國內外學者的廣泛關注，不同領域的學者從不同角度對物聯網的內涵與外延進行闡述，推動了物聯網技術在智能家居、健康醫療、現代物流等各個領域的發展。本文對電力環網柜環境監控系統的研究融入了物聯網及其關鍵技術的應用，將有助于提高電力環網柜系統向著智能化、信息化、網絡化的方向發展。

參考文獻

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作者單位

江蘇電力信息技術有限公司 江蘇省南京市 210000