一種基于物聯網信息集成的開關柜在線監測系統研究

金旭 黃錕 柴仁勇

摘要：本文設計了基于物聯網信息集成的開關柜多類型運行參數在線綜合監測系統，提高了開關柜運行可靠性。該系統能夠實現開關柜多類型參數分布式實時在線監控，設備運行狀態實時感知、信息互聯?，F場應用結果表明，該系統在開關柜監測方面實時性強，有效提高開關柜運行維護水平，提高了設備運行的可靠性。

關鍵詞：物聯網信息集成;開關柜;分布式;在線監測;綜合評估

1 系統整體設計方案

基于物聯網信息集成的高壓開關柜運行狀態在線綜合監測系統整體設計方案如圖1所示。系統包括感知層、網絡層、平臺層和應用層。感知層以開閉所為結構單元，一個開閉所內每臺開關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。

網絡層連接平臺層和感知層。針對多類型的參數采集傳感器，信息采集裝置采用RS485、無線射頻通信技術獲得傳感器采集的數據。并通過4G無線通信技術將每個開閉所采集的信息傳送到平臺層。

網絡層連接平臺層和感知層。針對多類型的參數采集傳感器，信息采集裝置采用RS485、無線射頻通信技術獲得傳感器采集的數據。并通過4G無線通信技術將每個開閉所采集的信息傳送到平臺層。

平臺層提供云服務。服務器集群將區域內所有開關柜信息整合，通過數據庫管理技術解決數據存儲、檢索、使用、挖掘和安全隱私保護等問題。通過平臺層構建橫向集成、縱向貫通的數據庫體系結構，實現數據一次采集、多次使用，最大化數據價值。

作為物聯網信息集成的頂層，應用層為開關柜在線監測提供人機交互接口。應用層與平臺層交互，通過各類信息進行決策，可控制感知層的設備終端。文中在應用層基于手持終端設計了開關柜運行狀態在線綜合監測系統，軟件部分可根據設備歷史運行數據以及當前運行數據可進行故障報警以及運行狀態預警等功能。可通過移動終端掃描設備二維碼激活設備巡檢任務界面，與安裝在電力設備上的采集終端通信，獲取采集終端的運行參數。該系統軟件具體可實現設備定位識別、運行數據采集、巡檢數據錄入、巡檢記錄上傳、巡檢記錄查詢、設備管理、數據查詢、數據分析等功能。

2 感知層的設計與實現

2.1 感知層硬件結構

感知層數據采集硬件總體結構，濕度傳感器、氣體傳感器、電壓電流互感器采集的模擬信號，經過信號調理后通過A/D轉換，數據采集器的微處理單元對各種數據進行采集和管理。

其中，為了全面監測高壓開關柜帶電部位全局的問題，設計了一種在現實紅外成像的開關柜溫度場采集模塊。提高溫度監測的有效性，避免溫度場監測不全導致的開關柜安全隱患。

為提高開關柜測溫的精度，擴大開關柜溫度監測的區域，文中設計了紅外溫度傳感器模塊，結構框圖如圖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，系統時鐘晶振頻率為8MHz。采用MLX90640紅外傳感器對區域進行紅外溫度采集，測溫精度為0.1℃。采集區域大小劃分為32×24個區域點，激光電路用于指定測溫區域的范圍。采集到的溫度信息經微控制器處理后以圖像形式送入平臺層服務器。

紅外測溫傳感器輸出的每幀數據包含1544個以16進制表示的字節，其中字節4-1539表示目標物體768個點的溫度，給定一幀數據<5A5A-0206-6E0E-690E- 5A0E-XXXX-050E-8D0E-D540>，字節4表示溫度數據的低8位，字節5表示溫度數據的高8位，以一行一列點域的溫度數據說明實際溫度換算過程如式（1）：

2.2 邊緣計算

邊緣計算是一種新的計算模式，其核心在于強調計算應該更靠近數據的源頭，邊緣計算技術在電網信息系統中應用廣泛。通過引入邊緣計算，可緩解網絡帶寬和數據中心服務器的計算壓力，提升服務的響應能力。

在電網基礎設施中，開關柜數量眾多，傳感器短時間內可產生大量原始數據，但數據總體質量低下。為緩解大量數據對平臺層服務器的計算壓力，文中設計的開關柜在線綜合監測系統通過應用邊緣計算引入傳感器異常感知算法，采用相關分析確定異常數據，并對異常數據進行標注，為平臺層提供優質數據來源。

3 平臺層數據庫結構設計

3.1 數據庫管理體系

開關柜綜合監測系統數據量大，如不能設計合理的數據管理模式將導致系統硬件性能不足從而引起系統故障。數據庫的設計開發應當滿足高壓開關柜橫向綜合信息采集以及縱向數據貫通的要求，應具備實時性、大容量、高效率、安全性等特點。

文中設計的數據庫管理體系，包含應用層、接口層、管理層和基礎層4部分。基礎層為硬件和操作系統，為數據庫的運行提供支持?；A層之上為數據庫的管理層，包括存儲的數據信息、實時庫、歷史庫、數據搜索算法以及故障建模技術等。

采用面向服務架構實現數據集成和對外共享，在面向服務架構基礎上實現管理層的封裝。數據庫提供3類訪問接口，分別是數據庫本地訪問接口、數據庫網絡訪問接口、數據庫遠程訪問接口。在數據庫管理技術中，包含數據遠程訪問技術、數據安全訪問技術、實時數據庫的定位技術、歷史數據管理技術以及快速訪問技術等。

3.2 故障診斷建模

故障診斷建模的目的主要是對開關柜母線室、電纜室和斷路器的狀態量進行監測，監測量如表1所示，主要對開關柜的柜內電弧故障、機械故障和絕緣損壞三種故障進行判別。傳統的開關柜故障診斷多采用時域信號處理方法，如小波變換、經驗模態分解、信息熵等[16-18]。因文中設計的開關柜監測系統監測信息維度高，傳統信號處理方法難以處理，故可將開關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 應用層

高壓開關柜在線綜合監測系統以手持式終端為主要載體，分為系統設置、實時監測、歷史數據和報警數據4部分，。系統設置包含登陸服務、用戶增刪、密碼修改、服務器選擇、數據庫選擇、參數報警閾值設定功能。實時監測部分展示開關柜電氣參數、電能參數、溫濕度曲線和氣體壓力。歷史數據提供數據存儲、下載、查詢服務。報警數據來源于閾值報警和故障診斷報警兩部分，報警信息包含時間、級別、類型和確認與4部分。數據分析部分將統計分析方法、故障診斷方法引入邊緣計算、大數據分析中，加快數據處理流程，提升系統響應速度。

5 結論

（1）構建基于泛在電力物聯網的高壓開關柜運行狀態在線綜合監測系統，能夠通過各種感知元件獲得開關柜運行參數信息，實現對分布式的開關柜實時在線監測。

（2）采用多種傳感器監測開關柜內參數信息，數據采集模式多樣化。

（3）紅外監測模塊可對柜內大全局的溫度信息進行采集，提高了開關柜溫度監測與故障預警性能。

（4）數據分析系統可充分可利用數據信息對電力設備故障進行識別和預警，具有較高的實用價值。

參考文獻

[1]李祥， 崔昊楊， 皮凱云， 等. 基于STM32的變電站巡檢機器人系統設計[J]. 現代電子技術， 2017（17）：158-161+165.