基于物聯網技術的低壓配電箱空開狀態監測與遠程控制系統設計

廖永利 蒙存智 周俊飛 吳曉鋒 羅予均

（廣西電網有限責任公司南寧賓陽供電局）

0 引言

隨著社會的不斷發展和科技的迅猛進步，電力系統作為基礎設施之一，在現代社會中扮演著至關重要的角色［1］。為了保障電力系統的正常運行和提高其管理效率，對低壓配電箱的狀態監測與遠程控制需求日益迫切。在這一背景下，本研究旨在借助物聯網技術，設計一種先進的低壓配電箱空開狀態監測與遠程控制系統，以滿足電力系統管理的現代化需求。

低壓配電箱作為電力系統中的關鍵節點，其狀態的實時監測對于及時發現潛在問題、減少電力系統故障具有重要意義。本系統旨在通過物聯網技術，將配電箱與云端連接，實現對電能參數的實時監測。同時，為了提高電力系統的靈活性和可操作性，系統還設計了遠程控制功能，使用戶能夠遠程操控配電箱的空開狀態。這不僅有助于提高電力系統的安全性，還為電力管理人員提供了更為便捷的監測手段。

本文將首先對低壓配電系統的發展現狀和面臨的挑戰進行概述，隨后詳細介紹所設計系統的整體架構和各個模塊的功能。通過對系統的實際應用和測試結果進行分析，我們將評估系統的性能和可用性。最后，結合實驗結果，我們將提出未來優化和拓展系統的方向。這一設計旨在為電力系統的監測與管理提供一種先進、高效的解決方案，以適應現代社會對電力系統安全與可靠性的不斷提升的需求。

1 低壓配電箱空開狀態監測與遠程控制

低壓配電遠程監測系統的整體架構可劃分為三個主要組成部分，包括配電監測終端、物聯網平臺傳輸模塊以及用戶終端監測模塊［2］。

配電監測終端：配電監測終端是系統的數據采集前沿，其主要職責是實時收集和監測配電系統中的各項信息，包括電流、電壓、功率等參數［3］。這個部分通過高度敏感的傳感器和設備，以及先進的數據采集技術，確保對電力系統運行狀態的準確捕捉。通過4G通信技術，監測終端能夠快速、可靠地將采集到的數據傳送至物聯網平臺。

物聯網平臺傳輸模塊：物聯網平臺傳輸模塊是系統的數據傳遞樞紐，承擔著將來自監測終端的數據傳輸至云端的關鍵任務。通過4G通信通道，這一模塊實現了高效的數據傳輸，將配電監測終端采集到的信息迅速傳送至阿里云物聯網平臺［4］。其穩定、快速的數據傳輸能力確保了實時性要求的滿足，使得配電系統的運行狀況得以及時監測和響應。

用戶終端監測模塊：用戶終端監測模塊作為系統的數據展示和管理端，提供了用戶與配電系統互動的接口［5］。用戶可以通過該模塊方便地管理和查看配電系統的運行數據，實現對電力系統狀態的實時監測和歷史數據的回顧。通過與云端數據庫的交互，用戶能夠獲取關鍵的電力信息，做出相應的決策和調整，以確保配電系統的穩定運行。這一部分的功能設計旨在為用戶提供直觀、全面的配電系統監測體驗，使得他們能夠更好地了解和管理電力資源。低壓配電遠程監測系統總體結構如圖1所示。

圖1 低壓配電遠程監測系統總體結構

2 低壓配電箱空開狀態監測與遠程控制系統設計

系統軟件設計分為兩個主要部分：數據通信網關主程序（主機）和電參數采集主程序（從機）。它們之間使用RS485標準的Modbus-RTU協議進行數據通信。電參數采集主程序包括電能芯片初始化配置、電能參數計算、諧波計算等子程序，而數據通信網關主程序包括4G模組注網、溫濕度采集、GPS數據采集等子程序。這兩個主程序集成在一起形成配電監測終端。

為滿足配電監測終端的多功能要求，其內部結構相對復雜。通過將大模塊劃分為多個小模塊，系統內部結構變得更加簡單，提高了軟件調試的靈活性和舒適性，增強了適用性。每個子模塊的功能程序從底層的驅動函數開始編寫，以基本滿足各模塊需求，并能夠隨意修改。后續將介紹終端與阿里云物聯網平臺的遠程連接、阿里云物聯網ⅠoT Studio界面軟件設計以及相關通信協議程序設計。配電監測終端總體軟件架構如圖2所示。

圖2 配電監測終端總體軟件架構

2.1 電參數采集程序設計

電參數采集程序通過配電箱中的電能芯片進行初始化配置，旨在建立與電能芯片的有效通信，并確保采集系統與電能芯片之間的正常連接。通過初始化配置，系統能夠正確識別和訪問電能芯片，為后續的數據采集操作奠定基礎。電參數采集程序涵蓋了電能參數的計算子程序。在這個階段，程序通過與電能芯片的通信獲取實時的電流、電壓等參數數據。通過運用相應的計算算法，系統能夠準確地計算得出各種電能參數，包括功率、電量等。這些參數的精確計算為配電箱的狀態監測提供了準確的數據支持。

此外，電參數采集程序還包括諧波計算子程序。在這一步驟中，系統能夠識別并計算電能中存在的諧波成分。諧波計算的過程涉及對電流和電壓信號進行頻譜分析，以確定諧波的類型和強度。通過這一步驟，系統可以全面了解電能的質量，從而更有效地進行狀態監測和故障診斷。

2.2 數據通信網關程序設計

數據通信網關主程序采用了4G模組注網子程序。通過這一子程序，系統能夠在配電箱中集成4G通信模塊，實現對移動通信網絡的接入。為系統提供了高速、穩定的數據傳輸通道，使得配電箱能夠通過物聯網技術與遠程云平臺建立可靠的連接。

數據通信網關設計了溫濕度采集子程序。這個子程序負責采集環境溫度和濕度數據，以提供有關配電箱周圍環境的實時信息。此外，GPS數據采集子程序是數據通信網關程序的另一個關鍵組成部分。通過這一子程序，系統可以獲取配電箱的實時位置信息。這對于遠程監測系統的定位和管理提供了重要的支持，尤其是在需要準確定位配電箱位置的緊急情況下。

2.3 物聯網平臺設備連接的實現

首先，系統采用了遠程連接機制，通過物聯網協議建立配電箱與阿里云物聯網平臺之間的通信鏈路。這一連接機制提供了高效且安全的數據傳輸通道，確保了設備與云端之間的實時通信。其次，物聯網平臺設計了ⅠoT Studio界面軟件，用于對配電箱的遠程監測和控制。通過該界面軟件，用戶可以實時查看配電箱的狀態信息、電能參數以及環境數據。同時，用戶還能夠通過界面進行遠程控制操作，例如遠程開關配電箱的空開狀態。

在設備連接中，還包含了相關的通信協議程序設計。系統需設計相應的通信協議，確保設備與物聯網平臺之間的數據格式一致性和可解析性。這樣的設計保障了設備上傳的數據能夠被云端準確解析和處理。

3 測試與結果分析

系統測試旨在驗證低壓配電遠程監測系統在實際運行中的性能和功能。本文主要的測試目標是測試目標：確認配電監測終端準確采集電能參數；評估物聯網平臺傳輸模塊的穩定性和實時性；驗證用戶終端監測模塊的用戶友好性和數據展示效果。以下是測試的具體結果：

從表1可以看出，就傳輸延遲而言，平均傳輸延遲在每個時間戳都在秒級別，整體上看起來是可接受的范圍內。例如，08：15的傳輸延遲最低，為0.5s，而08：30的傳輸延遲最高，為0.8s。這表明系統在將數據從配電監測終端傳輸至物聯網平臺時具有較低的延遲。

表1 物聯網平臺傳輸模塊測試結果

對于傳輸成功率：傳輸成功率保持在較高水平，整體上在97%到99%之間。這意味著系統在傳輸數據時具有很高的可靠性，僅有很少的傳輸失敗。高傳輸成功率對于確保實時性和數據完整性至關重要，尤其是在配電監測系統中，用戶可能需要及時準確地了解電能參數。表1這組數據反映了系統在物聯網平臺傳輸方面的穩定性。較低的傳輸延遲和高的傳輸成功率表明系統能夠快速、可靠地將數據從配電監測終端傳送至云端。這對于實時監測和響應電能參數的變化至關重要。

從表2可以看出，用戶成功查看實時數據，表明監測系統能夠即時傳輸并呈現當前的電能參數。用戶對這一功能的評分為5/5，說明用戶對查看實時數據的體驗非常滿意。針對用戶成功查詢歷史記錄，這表示監測系統能夠有效地存儲并提供過去一段時間內的電能參數歷史數據。用戶對這一功能的評分為4/5，可能表示在某些方面有一些改進的空間，例如查詢速度或數據呈現方式。此外，用戶成功進行了遠程控制操作，這說明監測系統具有遠程控制配電系統的能力。用戶對這一功能的評分為5/5，表明用戶對遠程控制的體驗非常滿意。總體而言，用戶體驗評分總體較高，說明用戶對低壓配電遠程監測系統的用戶界面和功能操作感到滿意。成功執行各項操作表明系統在用戶交互方面表現良好，能夠滿足用戶對實時數據、歷史記錄和遠程控制的需求。

表2 用戶終端監測模塊測試結果

4 結束語

通過本研究設計的基于物聯網技術的低壓配電箱空開狀態監測與遠程控制系統的實際應用與測試，得出如下結論：系統展現了良好的可行性，硬件和軟件部分協同工作，確保了電能參數的準確采集、高效傳輸和直觀展示。實驗結果顯示系統具有較低的傳輸延遲和高的傳輸成功率，保證了電能參數的實時性和準確性。用戶終端監測模塊提供了用戶友好的界面，用戶能夠方便地查看實時數據、查詢歷史記錄，并成功進行遠程控制操作。用戶對系統的積極評價表明其滿足了用戶對配電監測的需求。系統的遠程控制功能得以有效實現，用戶可以通過物聯網平臺遠程操控配電箱的空開狀態，增強了系統的靈活性和可操作性。