基于NB-IoT的電力變壓器遠程監測系統的研發

蘇盼 劉文烽 吳建支 胡紫東

【摘 要】文章提出了一種基于窄帶物聯網（NB-IoT）技術的變壓器遠程監測系統，該系統能夠將傳感器實時采集的變壓器運行中的各項參數進行數據處理后，通過蜂窩窄帶物聯網將數據由透傳云平臺送給數據監測平臺。通過數據監測平臺，實現數據實時分析，當數據異常時發送警告，實現遠程實時監測功能。系統可查詢歷史數據，顯示分析數據圖表并支持打印。

【關鍵詞】窄帶物聯網;透傳云;數據處理;遠程監測

【中圖分類號】TM41 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）05-0041-04

0 引言

智能電網是電網技術發展的必然趨勢，電力設備的智能化是智能電網的重要基礎。變壓器作為電力系統中的重要設備[1]，其技術性能直接影響電網的智能化程度。變壓器在長期運行過程中難免出現故障和老化，需要進行定期維護和故障維護。故障存在突發性，無法預測，非故障期間的定期維護又消耗了不必要的人力、物力，為避免這類問題，在國家加快電網智能化發展的背景下，電網設備和系統智能化經過幾年時間的研究發展已成功實現，目前國內變壓器在線監測系統已能夠實現對變壓器油中氣體含量、局部放電、油的溫度、濕度及變壓器損耗的監測評估。設備監控系統是物聯網與大數據技術在“中國制造2025”中的典型應用，主要實現設備GPS、運行狀態全面感知、故障診斷與遠程控制等數據智能上傳并記錄，方便用戶查看與管理，實現設備信息可追溯和幫助用戶實現設備全生命周期一站式管理。

智能化變壓器能夠在線監測其工作狀態和診斷故障，且隨著網絡技術的快速發展，可實現遠程監測變壓器實時運行情況，由不同類型的傳感器采集相應的變壓器運行參數，通過無線網絡技術將實時采集的數據傳送至軟件平臺實現遠程實時監控。目前，人們廣泛采用傳感器結合Zigbee[3]、GSM、GPRS[1，4]、LoRa等物聯網構成的傳感器網絡[5]來傳送數據，這與傳統的由人工巡檢讀表相比提高了設備和系統的智能化程度，是順應技術創新發展和市場需求的體現。物聯網通信技術種類繁多，按傳輸距離可分為短距離通信技術和低功耗廣域網（LPWAN），短距離通信技術適用于智能家居，低功耗廣域網適用于遠距離且長久使用的場合，如智能抄表系統。而LPWAN技術可按工作頻段分為兩類：一類工作在非授權頻段[6]，無統一標準，靠自定義實現，例如LoRa、SigFox等;另一類工作在授權頻段下，由3GPP支持的2G/3G/4G蜂窩通信技術，例如全球移動通信系統（GPRS）、長期演進（LTE）、窄帶物聯網（NB-IoT）。根據實際情況的不同選擇不同的通信技術，電力變壓器遠程監測系統根據其遠距離傳輸和低功耗的需求采用低功率、覆蓋范圍廣的低功耗廣域網（LPWAN）技術傳輸數據。

目前，低功耗廣域網技術在抄表、路燈、消防等民生相關領域的應用驗證了在物聯網技術的選擇上NB-IoT的優勢：一方面，它是由國際通信標準化組織3GPP標準定義的窄帶物聯網通信技術。自2016年底標準凍結以來，在全球運營商、通信巨頭和眾多物聯網實踐者的共同推動下，細分場景下的標準化工作不斷完善，使得NB-IoT在滿足功耗和容量的同時，更兼顧了可靠性。另一方面，它部署在授權頻段[6]之上，由全球運營商提供網絡，穩定性高、數據傳輸安全有保障。包括國內三大運營商在內，全球運營商積極投入NB-IoT的建設布局，到2018年，全球已有28家運營商宣布NB-IoT網絡商用。這對于企業而言，避免了網絡部署難、運維重等成本問題。

基于以上方面，本文提出了基于NB-IoT的電力變壓器遠程監測系統，并對系統的設計進行分析和闡述。

1 系統設計方案

系統需實現對變壓器進行數據采集、數據分析、數據傳輸、遠程監測等功能，根據以上功能需求采用如下方案。

1.1 系統基本結構

電力變壓器遠程監測系統由數據采集模塊、數據傳送終端和透傳云平臺及數據監測平臺等部分構成，可概括為感知層、傳輸層和運用層。系統設計的目標是能夠完成變壓器數據的采集，通過窄帶物聯網將數據送至監測平臺進行數據管理，生成可供查詢的記錄和報表，并支持數據表打印，當數據出現異常時立刻發送警告。系統整體結構如圖1所示。

1.2 系統工作原理

在整個系統中，數據采集模塊負責采集變壓器的電壓、電流、溫度等相關運行參數和模數轉換，并按照通信協議將數據封裝后發送至數據收發終端，隨后云平臺的數據接收中心通過透傳云接收數據再送至監測平臺的數據庫，而數據庫中存儲的數據又可通過無線網絡發送至移動終端或顯示終端。系統工作示意圖如圖2所示。

2 硬件設計方案

系統的硬件部分包括數據采集模塊和數據收發終端兩個部分。其中，數據采集模塊用于對變壓器需要監測的電壓、電流、溫度、功率等運行參數的數據采集，并將經過模數轉換后的數據按通信協議封裝，通過RS485總線傳送給數據傳送終端。

根據功能需求，數據采集模塊由不同類型的傳感器和嵌入式系統構成，以32位嵌入式微處理器為核心，外圍搭載時鐘和電源電路、傳感器模塊、信號處理模塊、A/D轉換模塊、獨立存儲模塊、顯示模塊、按鍵模塊和RS485通信模塊，通信協議采用MODBUS。具體結構如圖3所示。

在進行數據采集時，受變壓器工作環境影響，采集的參量存在諧波和干擾，因此通常采用帶有濾波功能的采集算法，由于算法種類多樣，根據不同的需求運用在不同場合。傅里葉算法在信號處理中有著廣泛的應用，離散化的傅里葉算法可利用計算機快速算出，又稱為快速傅里葉變換（FFT），其衍生算法有全波傅里葉算法、半波傅里葉算法和遞推傅里葉算法等。全波傅里葉算法濾波能力強，但計算量大且對于衰減直流分量存在濾波缺陷，故在此基礎上衍生了半波傅里葉算法，能夠在半個周期內計算出奇次諧波分量，但存在不能濾除偶次諧波分量導致的誤差。遞推傅里葉算法在全波傅里葉基礎上遞推出各次諧波的實部和虛部的表達式，減少了計算量的同時繼承了全波傅里葉算法的優點，但在遞推過程中仍存在誤差累積，可采用一種改進遞推傅里葉算法[6]。

采集參量的電信號離散化數學模型可表示如下：

式（8）中，Y'a為k-1個Ak的累加和，是一個中間量，Y'b同理。當經過一個基波周期，該式左端即等于式（3）右端。在計算時，可通過該式在每次執行采樣中斷時每隔一個基波周期就更新一次Ya（k-1）和Yb（k-1）來計算Ya（k）和Yb（k）。具體流程如圖4所示。

數據傳送終端采用NB-IoT DTU，這是一種使用NB-IoT網絡進行無線長距離數據透傳的外置式終端，能夠通過配置內部腳本向數據采集模塊發送相關指令，可遠程配置內部參數，其內置32位微處理器、無線模塊、看門狗等模塊和支持多種協議的通信芯片，以嵌入式實時操作系統為軟件支撐，具有多種接口且體積較小，支持串口與NB-IoT網絡雙向透明傳輸。NB-IoT采用簡化的協議，大幅度提升了終端的待機時間，滿足偏遠地區對監測設備低功耗的要求的同時，其強大的覆蓋能力能夠滿足廠區、地下車庫和井蓋等場合對深度覆蓋的需求，而這些條件無線局域網（WLAN）無法滿足。此外，與LoRa相比，NB-IoT的射頻和天線在現有基礎上復用，不需新建網絡，低速率、低功耗、低帶寬使得終端模塊成本較低，且采集的數據無需通過網關，可直接上傳到云端，簡化了現場部署。綜合以上因素，NB-IoT DTU具有長期的經濟適用性。

3 軟件設計方案

系統的軟件設計包含云透傳平臺和數據監測平臺。其中，云透傳平臺與NB-IoT DTU設備配套使用，可在此基礎上對云平臺進行二次開發。數據監測平臺通過建立數據庫對接收到的數據進行管理。

3.1 透傳云平臺

云透傳是使數據在DTU和云端之間進行透明傳輸，不改變任何結構和數據，終端設備作為通道承載數據送至云端接收數據中心，整個過程對外透明。透傳云平臺通過建立虛擬串口與DTU和NB-IoT DTU建立通信，同時具備相關管理和配置功能，平臺可登錄多臺DTU。打開虛擬串口這條通道即可接收從數據采集模塊傳來的數據。

對云平臺進行二次開發可利用SDK和API完成。API（Application Programming Interface）即應用程序編程接口，是用于構建應用程序軟件的一組子程序定義、協議和工具，是一套明確定義的各種軟件組件之間的通信方法。SDK（Software Development Kit）即軟件開發工具包，SDK編程通過直接調用API函數進行編程。對透傳云平臺進行二次開發時，通過RXTXcomm開發組件編寫程序讀取云端虛擬串口收到的信息再保存到數據庫的方法，利用Java開發平臺編程。軟件流程圖如圖5所示。

通過濾波獲得的諧波信息可用于計算分析變壓器的附加損耗，對延長變壓器的使用壽命有很大作用。諧波的測量可結合優缺點互異的算法進行互補，以減小誤差。

3.2 數據監測平臺

數據監測平臺的設計可采用瀏覽器/服務器（B/S）多層架構，示意圖如圖6所示。可支持用戶異地瀏覽和信息采集，支持歷史數據查詢、圖表分析和發送警告等功能。數據監測平臺由數據庫、Web服務器和網頁查詢系統構成。其中，數據庫用于存放和更新各類數據，Web服務器用于管理網頁組件和回應瀏覽器請求的程序，網頁查詢系統用于查看數據和圖表。

3.2.1 Web數據庫

數據庫可通過Microsoft SQL Server建立，它是由Microsoft開發和推廣的關系數據管理系統，支持Web技術，用戶能夠將數據庫中的數據發布到Web頁面上，具有管理方便、編程接口豐富、多線程體系結構、并發控制能力強等優點。

數據庫是表的集合，結構化的數據就存儲在各種表中。表由表示記錄的行和表示字段或屬性的列構成。數據庫內容包括系統菜單和各參數數據表、用戶信息、服務器串口表和系統串口管理表等。系統菜單結構包括菜單ID、菜單名、上級菜單ID、上級菜單名、點擊菜單跳轉頁面地址。采集的參數數據表中內容包括變壓器電壓、電流、油溫、繞組熱點溫度、油壓、鐵芯接地電流等，每個參數需要顯示數據和當前運行狀態。用戶信息包括用戶名、用戶登錄賬戶、登錄密碼、用戶身份、管理權限、賬號狀態等內容。

數據庫通過SQL（Structured Query Language），即結構式查詢語言對數據進行組織、管理和檢索，可對數據庫內容進行查詢、添加、刪除數據行、修改數據等操作。

3.2.2 Web服務器

Web服務器是可以向請求方提供服務的程序。作為網站用戶和數據庫之間的橋梁，它和前端頁面、APP直接通信，接收請求并返回結果，和前端組成用戶邏輯。服務器使用超文本傳輸協議（HTTP）進行信息交流，其工作流程可概括為4個步驟：①建立連接。請求方通過TCP/IP協議建立到服務器的傳輸層協議連接。②發送請求。請求方向服務器發送HTTP協議請求包，請求服務器里的資源文檔。③應答請求。服務器向請求方發送應答包，如果請求的資源包含有動態語言的解釋引擎負責處理動態內容，并將處理得到的數據返回給請求方，由請求方解釋HTML文檔，在屏幕上渲染圖形效果。④斷開連接。請求方與服務器斷開。

服務器可采用Tomcat，它是一個免費的開放源代碼的Web應用軟件容器，能夠運行Servlet和JSP Web應用軟件，普遍應用于中小型系統和訪問用戶不是很多的場合，具有處理HTML頁面的功能，且運行時占用的系統資源小，擴展性好，能夠滿足系統的功能要求。用戶在訪問網頁時，首先瀏覽器會先請求DNS服務器，獲得請求站點的IP地址，然后生成一個HTTP請求發送給Web服務器，服務器收到請求后會根據請求需要進行處理，并將網頁以HTML文件格式返回給瀏覽器，由瀏覽器顯示到界面供用戶查看。服務器工作流程如圖7所示。

3.2.3 網頁查詢系統

網頁查詢系統通過用戶登錄后進行相關查詢操作，用戶通過瀏覽器端的操作界面以交互的方式經由Web服務器訪問數據庫，用戶向數據庫提交的信息和數據庫返回給用戶的信息均以網頁形式顯示。

查詢系統頁面的制作通過網頁編輯器來完成，常用的軟件有Dreamweaver、Fireworks等，網頁頁面的設計通過軟件將構思的藍圖變為現實。JSP網頁程序由軟件編輯完成后，經過JKD編譯后在Tomcat服務器下運行。采用JavaScript編程語言可與HTML超文本標記語言、Java腳本語言搭配使用，實現一個Web頁面中連接多個對象，與Web客戶交互作用。

4 總結

該系統的設計方案通過物聯網將現場數據采集和遠程數據監測平臺連接在一起，能夠實時監測變壓器運行狀況，用戶只需會使用瀏覽器即可輕松操作，且系統支持列表查詢、報表生成、圖形繪制等功能。以一臺額定輸出220 V電壓的小型變壓器為實驗對象，每隔10 min進行一次數據采集，與儀表實測數據對比見表1，生成的電壓電流折線圖如圖8所示。實驗結果說明該系統能提高辦公效率，極大方便變壓器維護人員對現場情況的及時了解。

參 考 文 獻

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[7]劉益青，高偉聰，孫天德.適用于數字化保護的改進遞推傅里葉算法[J].電網技術，2016（5）.

[責任編輯：鐘聲賢]