基于物聯網技術的開關柜氣體在線監測系統研究

伍任能，徐兆丹，羅傳勝

(南寧供電局，廣西 南寧 530000)

1 當前檢測技術的現狀

現有的開關柜氣體檢測技術都是在開關柜的通風處或者柜體引入氣體導管，通過導管將開關柜內的氣體導出，再利用傳感器或其他儀器對導出的氣體進行不同的檢測[1-2]。其缺點在于，通過導管所測量的故障氣體與實際有較大偏差，不能得到開關柜內實時的氣體濃度，不能判斷其內部是否處于故障階段，也不利于對氣體濃度趨勢進行研判[3]。

2 基于物聯網技術的開關柜氣體在線監測整體設計方案

本文運用物聯網技術對開關柜內部氣體進行實時監測裝置，利用傳感器對開關柜內的不同類型的氣體的濃度進行實時監測。在開關柜內的頂部中央、底部中央以及柜內四周的中央進行實時測量，將測得的物理數據通過傳感器節點變成電信號，再將電信號通過MCU控制器進行編譯，利用ZigBee節點技術進行傳播，數據匯總到各個監控子站，也就是每個獨立的開關柜，各個監控子站將數據向上一級的監測網關傳輸，匯聚到監測網關統一打包，通過監測網關把數據傳播到系統后臺進行保存，監測人員通過PC或者手機端的軟件就可以對所監測的歷史數據以及實時數據進行控制查看,如圖1所示。

圖1 在線檢測系統整體設計框架

3 在線監測整體設計方案各模塊功能簡介

3.1 傳感器節點

由于開關柜空間有限，同時需要進行傳感器節點的安裝，故電源選擇紐扣鋰電池，方便對其進行安裝供電。為了實現對氣體濃度的在線監測，無線傳感器網絡的MAC協議就顯得十分重要，選取T-MAC協議可以將時間分為幀，幀長度固定，工作時間設置為每5分鐘記錄一次，周期性地對開關柜內的故障氣體濃度進行監測[4]，如圖2所示。

圖2 傳感器節點

3.2 監控子站

監測子站由主板和子板構成，主板采用微處理器(MCU)，由Flash存儲器+SDRAM兩個存儲器共同構成存儲模塊，同時包含串口及接口(SPI)，如圖3所示。

圖3 監測子站構成

3.3 無線傳感器網絡架構設計

無線傳感器網絡架構中的監控中心負責對骨干網絡和子網進行監測，滿足小范圍網絡內的標量數據傳輸，可進行遠距離傳輸需求，并且具有較高的帶寬[5]，如圖4所示。

圖4 無線傳感器網絡構架

3.4 檢測流程設計

系統在初始化完成后開始采集待測柜體信息。采集的信號根據修正系數校準后，經過放大濾波、內部A/D轉換后，將數字信號傳輸到微處理器，經分析處理后在屏幕上顯示氣體濃度數值，如果氣體濃度度數超過設定閾值，同時提示預警信息，并在操作界面顯示氣體組分信息，可在操作系統或者按鍵輸入模塊中調整相關參數，方便裝置后續檢測，系統的檢測流程如圖5所示。

圖5 信號檢測流程

3.5 裝置上位機軟件設計

裝置上位機軟件主要包括登錄界面、參數設置界面、數據顯示界面、預警界面、歷史數據查詢界面。單次檢測時，首先由登錄界面轉至主要操作界面，初始化閾值參數后，在可視化界面處顯示檢測信息，與設定閾值對比，如果超過設定閾值則轉至預警界面，提示柜體需要人工維護，如果示數在閾值區間內裝置正常運行，軟件界面如圖6所示。

圖6 裝置軟件界面

4 檢測方式

(1)選擇幾處待安裝無線傳感器節點的開關柜，將CO型、NO型傳感器分布于開關柜內的頂部中央、底部中央以及四周內壁的中央。

(2)每個開關柜為一個監控子站，通過監控子站的通信模塊與該監控子站內的傳感器節點進行通信上的連接，選擇T-MAC協議為無線傳感器網絡的MAC協議，選擇定向擴散DD協議為無線傳感器網絡的路由協議。

(3)將各個監控子站的匯聚節點通過以太網接入監測網關，并通過監測網關對數據進行打包，向監控中心進行傳輸，監控中心通過云端網絡將數據發送至PC端或者手機端。

(4)監控人員打開上位機軟件界面后，首先會彈出登錄界面，在輸入賬號密碼后會顯示4塊區域，分別是參數設置界面、數據顯示界面、預警界面、歷史數據查詢界面。

(5)在開關柜工作前，點擊參數設置方面，將系統數據全部初始化，顯示初始的各種氣體濃度。

(6)在正常狀態下，監控人員點擊數據顯示頁面的氣體濃度采集的暫停按鈕，將會停止采集，采集的數據將會以時間來命名，存儲到固定文件夾。點擊退出按鈕也會停止采集并存儲數據，退回到系統初始界面。

(7)氣體濃度故障診斷功能，即系統對監測數據進行邏輯判斷，如果濃度超過提前設置好的閾值，系統將記錄下報警時間、故障氣體類型、故障氣體濃度，自動彈出警戒界面，顯示哪一類氣體的濃度超標，同時向監控人員發出警報，提醒該開關柜內存在異常現象。

5 系統安裝測試

開關柜氣體在線監測系統在220 kV變電站，35 kV電壓等級的KYN28型開關柜上進行了現場安裝及測試。經測試，該產品數據讀取及無線數據傳輸功能均可正常運行，數據傳輸及數據讀取抗干擾能力強，可適應變電站強電磁環境。同時，其設計遵循國家標準，所有部件均為快拆件，可快速模塊化更換，具有響應速度快、抗干擾能力強、可靠性高、易于維護等優點。

6 結語

本文提出了基于物聯網技術的無線傳感器網絡傳輸的氣體檢測方法，試制了開關柜氣體在線監測系統1套，并在南寧供電局下屬220 kV變電站進行了試用。經測試，設備數據分析檢測及數據上傳功能均可正常運行，無需通過任何柜體打孔、柜內引線等操作來檢測氣體濃度，突破了開關柜的氣體濃度只能利用氣體導出的檢測方式。