基于物聯網的電力巡檢系統設計與應用

卞蓓蕾

（國網寧波供電公司，浙江寧波 315000）

0 引言

電網中供電和配電系統規模在不斷擴大，設備也在不斷更新換代，因此結構也更加復雜，需要管理的設備也越來越多。隨之而來的問題就是配置跟不上電力技術的升級，以及無法承擔過大的用電負荷，導致設備故障。鑒于該情況，應定期對電力系統進行巡檢，若存在設備損壞和老化的情況，可以及時發現并對其進行檢修，防止造成電路故障和經濟損失，確保電力系統的穩定性。而傳統巡檢方式需要大量勞動力的支持，且耗費時間較長，存在明顯的不足，例如設備數量龐大導致漏檢、時效性差、效率低、智能化程度低，信息無法及時傳輸，各個部門之間無法做到全面的信息共享，不能及時掌握設備情況和控制設備運行[1]。

針對上述問題，近年來，各種智能技術被廣泛應用，其中二維碼巡檢[2]、機器人巡檢[3]等技術是主要的研究方向。二維碼技術的應用使巡檢智能化程度得到了提升，提高了對設備的控制能力，然而在實際應用過程中，掃描二維碼需要靠近機器，對處于復雜地形的設備而言維護難度大，且二維碼發生脫落或損毀等情況會增加檢修人員的工作量?；跈C器人的巡檢方式進一步提升了巡檢智能化水平，實際應用表明，巡檢機器人系統可以顯著提高電力設備的可靠性。然而，機器人的生產成本和運維成本均較高，且較難適用于復雜地形，所以無法普及應用至一般電力設備的日常巡檢中。

綜上所述，現有巡檢方法存在依賴人工勞動、運維成本較高、可控性和及時性不強、設備維護難度大、工作持續性低等問題。為了解決以上問題，本文提出了一種基于物聯網的電力巡檢方法，基于RFID射頻技術獲取電力設備的信息，基于物聯網GIS技術實現電力設備的精準定位，將現有的有源RFID射頻技術與光伏微能量系統相結合，基于光伏微能量系統收集射頻系統所需的能量，將電力設備的位置信息寫入RFID系統，基于電子地圖進行標注，構建了電力設備物聯網，通過RFID閱讀器和電力地圖的基礎功能實現電力設備的定位和跟蹤。

1 電力巡檢系統關鍵技術

1.1 基于光伏微能量的RFID技術

射頻識別技術在使用過程中，將無線電信號轉變為特定頻率的電磁場，通過無線通信對數據進行更改、增加和刪除等操作，并識別物體的狀態。通過掃描放置在物體上的RFID標簽，將標簽內的信息導入RFID閱讀器進行識別和轉碼，再發送給移動客戶端或服務器。本文使用一種基于光伏微能量的新型標簽系統，在傳統的RFID技術基礎上增加了光伏微能量技術，可以有效收集微能量，為射頻系統提供能量。該系統結合了傳統有源標簽和無源標簽的優點，既不需要近距離掃描，又滿足了體積小、耐用性強的需求。電子標簽以太陽能電池作為總的動力來源，太陽能電池板與能量轉換器相接，再依次接入能量收集控制器和能量暫存器，太陽能電池板、能量收集控制器和能量暫存器與RFID控制單元連接。太陽能充足時，電子標簽將收集到的太陽能轉化為電能，提供給無源標簽和能量存儲控制器使用，在夜間無光源的情況下，啟動自帶的半導體激光光源對標簽進行識別和信息管理?；诠夥⒛芰康腞FID技術原理如圖1所示。

圖1 基于光伏微能量的RFID技術原理圖

在設備定位過程中，巡檢人員通過RFID閱讀器或者

1.2 電力設備定位跟蹤技術

在電力巡檢系統中，對電力設備進行定位是實現準確故障定位和及時運維檢修的重要前提。電力設備位置由經緯度坐標表示，需要一個完備的地理信息系統作為平臺，將RFID技術與GIS技術相互融合即可實現基于物聯網技術的設備定位跟蹤技術。電力設備定位技術包括設備位置信息配置和設備定位過程，一方面，RFID標簽粘貼在設備上，其中存儲設備信息，通過設備配置過程，將設備信息與GIS信息結合，實現基于GIS設備定位；另一方面，在巡檢過程中通過RFID閱讀器閱讀RFID標簽信息，可以快速地在GIS地圖上尋找到設備，實現基于物聯網的設備定位和跟蹤。在設備位置信息配置過程中，將電力設備的經緯度坐標存儲在基于光伏微能量的新型RFID標簽系統中，RFID標簽粘貼或者固定在電力設備上，將商用電子地圖的位置信息數據作為基礎，在電子地圖上標記對應設備的經緯度信息，從而實現設備位置信息的配置，如圖2所示。具有RFID閱讀功能的客戶端讀取電力設備上所固定的RFID標簽，獲取經緯度數據實現定位。若電力設備發生移動，則在RFID閱讀器獲取該設備上的RFID標簽中存儲的經緯度信息之后，在電子地圖上標記出該設備原有的位置信息以及移動路徑。該過程直接利用現有商用電子地圖的定位和跟蹤功能實現，流程如圖3所示。

圖2 基于RFID和GIS的電力設備定位跟蹤技術示意圖

圖3 基于RFID和GIS技術的電力設備跟蹤過程

2 電力巡檢系統分析與設計

2.1 巡檢系統需求分析

根據現場實際情況，電力巡檢系統需求包括基礎信息管理、業務信息管理、巡檢計劃管理、統計查詢、系統管理、地圖設備定位查詢等。其中，基礎信息管理對區域內所有設備信息進行記錄，并提供管理員權限，根據巡檢過程中的實際情況，更新設備信息，規劃巡檢線路；業務信息管理包括管理端下達的巡檢任務管理、巡檢員的巡檢記錄管理、巡檢員上傳的缺陷記錄跟蹤管理；巡檢計劃管理為有權限的用戶新建巡檢任務，指定巡檢線路和規定巡檢時間；統計查詢包括巡檢統計、缺陷統計，巡檢統計對巡檢次數、線路、時間等進行記錄；系統管理包括用戶、角色、權限、菜單和日志查看等；地圖設備定位查詢基于查詢條件搜索查詢用戶設備及這一設備的全部詳細信息，并在地圖上顯示。

2.2 系統總體結構與功能模塊

電力巡檢系統采用C/S（客戶端/服務器端）的框架結構，客戶端包括設備管理模塊、巡檢任務模塊、缺陷管理模塊、地圖查詢模塊，服務器端包括基礎信息模塊、業務信息模塊、統計查詢模塊、系統管理模塊。服務器端采用通用SSH框架開發，包括Model、Dao、Service和Action四層。移動端采用Model View Controller（MVC）架構，包括model、view和controller。model是實際應用對象，屬于整個應用程序的主體，包含業務邏輯和數據，若數據需要發生變化，由相應的model負責通知view；view是用戶所看到并與之進行交互的圖形界面，其中顯示model提供的相關數據并能對數據進行輸入，它不實際參與業務處理，不改變model；controller負責邏輯處理、控制數據在圖形界面上的展示，向model發送數據的同時調用model來進行業務的處理。

基于物聯網的電力巡檢系統Android客戶端系統根據上述架構主要劃分為三大層：表現層、控制層和業務層，如圖4所示。其中，表現層用于用戶進行GUI交互和相關的數據編輯驗證，表現層使用XML語言完成UI的設計布局，依據Android UI設計原則，將Java語言布局與XMI布局融合在一起完成圖形界面的整體設計?？刂茖又饕嫦驑I務應用，即巡檢相關業務，為表現層提供內部實際操作。業務層中則包含了設備管理、巡檢任務、缺陷管理、地圖查詢等部分信息的讀取和保存。

目前，公司生產的大口徑離心球墨鑄管、真空消失模管件、離心鋼管和雙金屬復合管、鋼塑復合管、覆膜管等產品填補了多項國際技術和產品空白，并開發出了國際第三代供水管道產品。公司還獲得“第八屆中國專利金獎”、國家科技進步二等獎、省長特別獎等30多項省部級以上獎勵。持續不斷創新，使企業的技術和產品始終引領行業發展。

圖4 基于物聯網的電力巡檢客戶端MVC模式圖

2.3 服務器端功能模塊詳細設計

服務器端基礎信息模塊包括區域信息管理、設備管理、線路管理和傳感規則等。在區域、設備和線路管理過程中，利用RFID技術和GIS技術實現設備和線路的地圖定位，結合地圖信息可以獲得設備和線路所在的區域信息。

服務器端業務信息模塊包括巡檢計劃、巡檢任務、巡檢記錄、漏檢設備等。巡檢計劃和巡檢任務通過服務器端統一管理，在巡檢記錄過程中，巡檢員每完成一次巡檢任務，將通過RFID閱讀器閱讀一次設備的RFID標簽，基于藍牙技術實現RFID信息和服務器與客戶端之間的信息交換，即記錄巡檢情況。

服務器端統計查詢模塊包括巡檢統計、缺陷統計、地圖找設備、傳感數據分析、告警信息等。在地圖找設備的過程中，通過讀取RFID的設備位置信息和GIS地圖實現設備的查找。

服務器端系統管理模塊包括組織機構、部門管理和用戶管理功能。組織機構實際是最高級別的單位或組織，屬于整個系統的最高層，部門是在組織機構管理的次級組織，用戶管理則對應到個人，每個用戶應從屬于某一部門，所有部門都從屬于組織機構。系統管理模塊中，三者關聯起來進行共同管理，為管理員分配不同的權限，對這三者進行編輯和增刪操作。同時對于用戶個人的登錄或者管理員對系統的修改行為進行記錄以供查詢。

2.4 客戶端功能模塊詳細設計

客戶端設備管理模塊包括與設備相關的兩大部分功能：移動端系統中進行新設備注冊，查詢設備的全部信息。新設備注冊需要先確定設備的類型，系統再向服務器發送請求，獲取該類型相應不可更改的基本信息和由用戶確定的自定義信息，其中基本信息內容包含五個部分，即設備名稱、編碼、RFID、類別、位置信息，自定義信息能夠上傳該設備的圖像資料，由管理員或相應的用戶進行編輯與相關維護工作。

客戶端巡檢任務通過服務端發送，由客戶端進行接收?？蛻舳嗽谑杖〉窖矙z任務推送后，選擇并確認某一條巡檢任務開始執行，按照該任務中規定的巡檢路線進行巡檢，并同步填寫巡檢記錄，巡檢記錄內容包括三個部分：外觀、有無破損、功能有無缺陷。

客戶端缺陷管理模塊在巡檢過程中發現缺陷設備時，巡檢員同步填寫缺陷記錄表，對發現的缺陷情況進行實時記錄，系統會持續關注所記錄的設備，無論移動端或是服務端都具有該功能。在下一次巡檢時，巡檢人員確認缺陷維修處理情況并在終端進行確認。

客戶端地圖查詢模塊用于確定巡檢員所在位置的詳細信息，可以在地圖上查詢周邊的全部設備，可以分類查詢并標注顯示，在地圖詳細查詢頁面顯示設備全部信息。

2.5 通信接口設計

表1 典型通信接口

用戶在登錄系統后，通過操作，點擊區域信息圖標時，移動端向服務端發出對該區域設備類別及各類別數目的查詢請求。若服務器能成功查詢到結果，則將對應的標識符設置為true，并向移動端返回所請求查詢的結果；若無法成功查詢到，則將對應標識符設置為false，不向移動端返回任何數值。

3 電力巡檢系統實現與用例

3.1 系統開發工具及硬件設備

電力巡檢客戶端及其服務器端的開發選擇IntelliJ IDEA、Java SDK、Android SDK、Java語言，開發環境配置為i7-4790CPU@3.0 GHz、Win10、64位操作系統。用到的硬件包括RFID閱讀器和光伏微能量RFID標簽，如圖5所示。

圖5 測試用新設備

3.2 客戶端主要功能

客戶端包括設備管理模塊、巡檢任務模塊、缺陷管理模塊、地圖查詢模塊，受限于篇幅，本節重點介紹巡檢任務模塊和地圖查詢模塊。

3.2 .1 巡檢任務模塊

巡檢任務模塊包括接收巡檢任務和設備巡檢兩大功能。

工作人員接收巡檢任務有通知欄任務推送和用戶登錄客戶端查詢兩種方式。用戶未查看應用界面的情況下，系統可以將信息發送到通知欄，提醒用戶有待執行的任務，該方式具有及時、直觀性強的特點。設計思路為：創建一個通知欄的Builder構造類，定義通知欄的Action并設置通知欄點擊事件，為用戶推送通知。用戶登錄移動客戶端后，可以對待巡檢的任務進行查詢，讀取用戶的ID，并生成特定的查詢格式，在HTTP協議的支持下，實現對巡檢任務的查詢，并向用戶反饋查詢結果。用戶在查詢任務時，可以根據特定條件進行篩選，例如巡檢設備的類型、巡檢開始或結束時間、任務編號以及巡檢記錄的結果等。任務編號模塊中只包含文本，輸入時使用EditText控件，將輸入的文本傳送到服務器端，系統會根據文本內容進行模糊查詢；時間控件DatePickerDialog負責管理巡檢開始時間和巡檢結束時間的查詢。巡檢結果設置三個狀態，分別是待分配、執行中、已完成；巡檢類型可以根據實際情況進行調整更新，將按巡檢類型查找的請求發送出去，服務器接收請求并反饋相應的值更新選項。按照巡檢結果或巡檢類型進行查找時，需要通過自定義Spinner控件實現。接收巡檢任務界面如圖6（a）所示。

巡檢任務模塊的設備巡檢功能是在用戶登錄客戶端后，可以點擊待執行的任務，該項任務的ID儲存在待辦列表中，點擊后，任務ID通過待辦Activity傳送并跳轉到巡檢頁面，點擊需要查看的任務記錄，就可以查看連接在指定線路上的設備信息，如圖6（b）所示。不同的巡檢任務可能包含同一設備，用戶對需要巡檢的設備進行點擊查看時，該設備在此次巡檢任務中分配到的ID會傳送到服務器端，從服務器返回的數值中包含了巡檢設備的信息，該信息會顯示在巡檢頁面上。為了集中管理設備信息，所有巡檢項目的維護都由服務器端完成，用戶要做的是點擊記錄向服務器發送巡檢項目和類型請求。

圖6 巡檢任務界面

3.2 .2 地圖查詢模塊

地圖查詢模塊可以讓管理人員隨時掌握巡檢員的位置，用戶登錄后，擁有查看區域所在位置、區域名稱以及分布于區域內的所有設備信息（設備名稱、設備數量等）的權限，實現了高度可視化管理，如圖7所示。

圖7 地圖查詢界面

點擊區域可在地圖上出現全部設備的位置信息，每種設備分配一個專屬的顏色，并注明設備名稱。地圖引導工作人員進行設備巡檢是系統的重要功能，工作人員巡檢時攜帶移動端，并打開地圖界面，通過藍牙接收設備上的RFID標簽發出的信號，地圖會自動將該設備標示出來，并跳轉到該設備的巡檢頁面。實現過程為：在配置文件AndroidManifest.xml中聲明目標SDK版本，獲取內置SD卡的讀寫權限，允許程序檢測網絡狀態，允許程序訪問Wi-Fi網絡并收集信息，允許程序讀寫移動設備狀態和用戶個人信息等，并獲取百度地圖的開發秘鑰。

將該系統用于某區域的設備管理，可以查看區域所在位置、區域名稱以及分布于區域內的所有設備信息（設備名稱、設備數量等）。自定義一個SendSearch，將用戶所屬部門的ID報告給服務器，服務器會返回數值，對返回值進行解碼，得到設備的經度和緯度坐標，再使用MunityPoint方法在地圖上標記出小區的位置，可以根據用戶習慣自定義標記。其中小區圖標的布局通過LinearLayout顯示，在頂端顯示區域名字，在區域設備種類名稱旁邊標注該種設備的數量，以TableLayout劃分行列顯示。點擊區域圖標，服務器即可收到區域ID，服務器通過SearchMunityInfo接口向數據庫發送請求，得到許可后用戶可以查看設備的數量、種類和屬性。移動端收到返回數據時，經過處理實現XML動態讀寫操作。用戶可以通過點擊區域圖標查看區域內全部設備的功能。打開系統的事件監聽功能，用戶點擊區域圖標，后臺將之前顯示的內容刪除，通過aMap.moveCamera（CameraUpdateFactory.changeLatLng）將區域在地圖的中心點處顯示出來，接著調整縮放級別。從服務器調用SearchMunityDevice接口，獲取該區域全部設備的ID、地理位置、名稱等相關信息，通過解析返回值在地圖上標記出設備，根據用戶設置的圖標，利用if語句進行判斷分類，每種設備對應一種圖標樣式。

3.3 服務器端主要功能

服務器端包括基礎信息模塊、業務信息模塊、統計查詢模塊、系統管理模塊，本節重點介紹業務信息模塊。

業務信息功能包含巡檢的計劃、任務、記錄和漏檢設備等方面的管理，如圖8所示。

圖8 業務信息界面

巡檢計劃是由管理部門根據實際目標預先制訂，用戶對巡檢計劃制訂的參與，主要表現在對巡檢任務的增減、啟用與停止方面，用戶需要新增巡檢計劃時，首先需要驗證用戶的登錄狀態是否正常，用戶是否已經登錄或者由于長時間未操作已經退出，若屬于正常登錄，系統會自動彈出設置表單，用戶需要重新對巡檢計劃的物理信息如名稱、線路和周期等進行重新設定后提交到數據庫中。

巡檢任務管理中，由人機交互界面對巡檢任務進行構建，在系統的人機交互界面中，用戶需要完成對系統生成新任務的信息填寫，包含了任務的全新編號和該巡檢任務的類型與周期等信息。巡檢記錄管理對系統的每一巡檢操作進行記錄保存，方便后臺工作人員查看，同時，巡檢日志也有助于系統的維護與正常運行。當系統開始巡檢任務時，系統會自動生成并創建一個巡檢文件，并保存在數據庫中，當巡檢任務執行完成后，數據庫會自動保存。用戶也可以通過管理系統對所有的巡檢記錄完成審核操作，可以進行通過或駁回操作。系統會對所有記錄的狀態進行記錄，主要表現在當有未被審核的記錄時，系統會將其儲存狀態暫時顯示為0，如果用戶在查詢該記錄后對其進行了初步審核，并選擇了通過或駁回選項，則該項記錄的儲存狀態將會改變為1。

漏檢設備管理中判斷是否存在漏檢的方法是檢查在創建該巡檢任務時對應的巡檢記錄，當用戶進行巡檢任務后，系統會根據巡檢結果與設定的巡檢任務一一對應比較，如果存在漏檢的情況，漏檢設備的巡檢結果將會被記錄為Null，用戶即可根據這項機制快速從冗雜的數據中找到漏檢的設備及其ID，并將其記錄在巡檢記錄表中。在數據庫中用戶也可以通過查詢操作查詢存在漏檢情況的巡檢任務的任務編號及其他基本信息，如巡檢類型、線路等。

3.4 案例驗證

將所開發的基于物聯網的電力巡檢系統應用于某小區，并通過模擬線路缺陷的方式來測試系統的實用性。根據客戶端缺陷管理界面可知，在該小區附近的導線上出現異物，如圖9（a）所示，發現之后系統自動生成巡檢任務，預設巡檢時間為2019-05-04T08：47：21，如圖9（b）所示。巡檢員在接收巡檢界面中接收巡檢任務，設置巡檢開始時間為2019-05-04T09：18：23，之后巡檢員進行巡檢并處理異物，在2019-05-04T10：01：53完成缺陷的處理，并在系統中進行提交，如圖9（c）所示。巡檢員完成提交之后缺陷處理界面自動更新，如圖9（d）所示。

圖9 案例缺陷處理流程

上述巡檢過程從發現缺陷的08：47至處理完缺陷的10：01，共耗時74 min，而傳統的基于人工巡檢、電話通知等方式的線路消缺在處理導線異物缺陷時平均耗時約為6 h。基于物聯網的電力巡檢系統將巡檢效率提高了6倍左右，且整個缺陷發現和處理過程可以實時記錄缺陷信息、處理情況、漏檢信息等，并與中心服務器同步，從而實現巡檢和檢修全過程的記錄和管理，這對于實現智能化設備巡檢具有重要意義，可以有效支撐電力物聯網的建設。

4 結論

（1）本文介紹了一套基于Android平臺的電力巡檢系統設計，擴大了傳感器和RFID的應用范圍，使之更加智能化，并根據需求設計了相應的客戶端，后臺管理系統和安全、高效、快速的通信接口，提高了信息的傳輸速率，使管理人員能夠及時掌握設備運行狀況。

（2）在地理信息系統硬件及軟件的支持下，利用電子地圖作為載體，將設備的位置信息導入地圖，可以直觀反映出設備的位置信息及相關屬性，再結合藍牙進行客戶端和服務器之間的數據傳輸，形成了一個完整的電力巡檢后臺管理系統。