基于物聯網技術的10 kV配網帶電作業監測系統開發探究

摘要：隨著電力系統的快速發展，10"kV"配網帶電作業的安全性和效率問題日益凸顯。探討了結合物聯網技術的10"kV"配網帶電作業監測系統的必要性、需求分析、架構設計和關鍵技術研究。通過分析系統的功能需求、性能需求和非功能需求，設計了包括硬件和軟件在內的總體架構。研究重點包括物聯網通信技術、數據處理與分析、安全技術，旨在提高作業安全性、優化運維流程并增強系統的可靠性。

關鍵詞：物聯網技術"10"kV"配網"帶電作業監測"系統架構

Exploration"into"the"Development"of"a"10"kV"Live"Working"Monitoring"System"for"Distribution"Network"Based"on"Internet"of"Things"Technology

WEI"Yingjun

State"Grid"Xinjiang"Electric"Power"Co.，"LTD.，"Wusu"Power"Supply"Company，"WuSu"Xinjiang"Uyghur"Autonomous"Region，"833000"China

Abstract："With"the"rapid"development"of"power"systems，"the"safety"and"efficiency"issues"of"10"kV"distribution"network"live"working"have"become"increasingly"prominent."This"paper"discusses"the"necessity，"demand"analysis，"architecture"design，"and"key"technology"research"of"a"10"kV"distribution"network"live"working"monitoring"system"combined"with"Internet"of"Things"（IOT）"technology."By"analyzing"the"functional"requirements，"performance"requirements，"and"non-functional"requirements"of"the"system，"the"overall"architecture"including"hardware"and"software"is"designed."The"research"focuses"on"IOT"communication"technology，"data"processingnbsp;and"analysis，"and"security"technology，"aiming"to"improve"operational"safety，"optimize"operation"and"maintenance"processes，"and"enhance"the"reliability"of"the"system.

Key"Words："Internet"of"things"technology;"10"kV"distribution"network;"Live"working"monitoring;"System"architecture

隨著電網規模的不斷擴大和智能化水平的提升，10"kV配網帶電作業的安全性與效率成為電力行業關注的焦點。傳統的監測方法已不能滿足現代電力系統的需求，因此，引入物聯網技術構建一個高效、智能的帶電作業監測系統顯得尤為重要。

1.10"kV配網帶電作業監測系統的必要性

第一，10"kV配網是電力輸送的關鍵環節，帶電作業能減少停電時間，保障供電可靠性。而物聯網技術則可以實現作業現場實時監控，保障工作人員的安全。通過傳感器對溫度，濕度和電場強度進行實時數據采集，可以及時發現潛在的危險，如果電場變化不正常，則可以提示潛在的漏電危險。第二，系統有利于作業效率的提高。本實用新型能夠對作業進度及設備狀態進行遠程監控，并迅速進行決策與調整，同時可以對數據進行集中管理與分析，對后續操作提供經驗參考并對操作流程進行優化。

2物聯網技術10"kV配網帶電作業監測系統需求

2.1"功能需求

10"kV配網帶電作業監測系統，作為結合物聯網技術的一部分，應當擁有全方位的功能特性。一是要求實時數據采集功能能夠通過各種傳感器采集作業現場溫度、濕度、電場強度、電流和電壓，從而為作業安全評估奠定基礎數據。二是具有遠程監控功能，管理人員可以在遠程終端上實時看到作業現場的狀況，包括員工操作過程，設備狀態。三是要有預警功能，在監測數據超過安全閾值時能及時報警并提醒作業人員及管理人員采取適當措施。另外，該系統還應該具有數據分析功能，將所收集的數據深入分析并產生作業報告及安全評估等信息，以便于后續操作。

2.2"性能需求

本監測系統對性能的要求比較苛刻。數據采集準確性非常關鍵傳感器要有很高的精度，以保證所采集參數能如實地反映作業現場的真實情況。系統響應速度應該很快，能及時地對數據進行處理與傳輸，以應對異常。穩定性同樣至關重要，長期工作時，不可能發生故障和數據丟失。同時，該系統要具有較好的可擴展性，并且隨著業務需求不斷提高，能夠很容易的加入新傳感器和功能模塊[1]。另外，數據傳輸可靠性也應較高，以保證數據不會因傳輸而受到干擾和損失。對海量數據也要有很強的處理能力，能夠迅速地對海量監測數據進行分析與儲存。

2.3"非功能需求

從非功能需求角度看，該系統應具備良好的用戶界面，操作簡單方便，便于作業人員和管理人員快速上手。安全性方面，要采取嚴格的加密和權限管理措施，確保數據的安全和系統的穩定運行。兼容性要好，能夠與現有的電力系統設備和軟件進行無縫對接。同時，系統應具備可維護性，便于進行故障排查和維修。此外，還應考慮系統的可移植性，以便在不同的作業環境中快速部署。在文檔和培訓方面，應提供詳細的用戶手冊和培訓資料，確保用戶能夠正確使用系統。最后，系統的設計應符合相關的行業標準和規范，確保其合法性和可靠性。

3物聯網技術10"kV配網帶電作業監測系統開發探究

3.1"總體架構設計

結合物聯網技術的10"kV配網帶電作業監測系統總體架構設計至關重要，其由感知層、網絡層和應用層構成，為作業安全和高效提供堅實保障。感知層是整個系統的根基，它包括各種高精度傳感器。溫度傳感器可以敏銳地捕捉作業現場溫度變化情況，保證對各種環境情況下的溫度值進行精確監控，從而為評判設備工作情況提供了重要基礎。濕度傳感器在多變的氣候條件下能夠穩定運行，實時追蹤濕度狀況，以避免濕度超出標準而對設備性能和操作安全造成不良影響。電場強度傳感器具有高靈敏度、準確探測微弱電場變化、及時發現可能存在電場異常、對作業人員進行安全預警等特點。這些傳感器協同工作，在作業現場綜合收集多種關鍵數據。網絡層對系統起到了至關重要的連接作用。可以利用尖端的無線通信技術，例如：4G/5G網絡，其高速和低延遲的特點使其能夠迅速傳輸大量數據，從而確保實時視頻監控等關鍵功能的順利完成。作業現場設置的高清攝像頭可以通過5G網絡向監控中心發送清晰視頻畫面，使管理人員更直觀把握作業情況并及時作出決策。遠程無線電技術憑借其低能耗和長距離傳輸的特點，在復雜的地理條件下能夠穩定地傳輸數據，確保即便在信號覆蓋不佳的區域，也能夠將感知層收集到的數據準確地傳送到應用層。應用層由數據處理中心，用戶終端組成。數據處理中心就像一個系統大腦，它深入分析所收到的資料。通過功能強大的數據處理算法實現了清洗，去噪和歸一化預處理操作以剔除異常值與錯誤數據，并提高其精度[2]。然后，利用機器學習算法這一先進技術，通過深度分析數據，預測出作業現場狀態并提前發布預警信息。

3.2"硬件設計

在結合物聯網技術的10"kV配網帶電作業監測系統的硬件設計中，各個環節都至關重要。在傳感器選型方面，溫度傳感器須具有精度高、響應快等特點。作業現場溫度發生微小變化就會預示該裝置可能會出現問題。高精度溫度傳感器可以對作業環境溫度值進行精確測量，并對設備運行狀態判斷提供了可靠數據支撐。快速的反應機制確保了在溫度發生波動時能夠迅速捕獲相關數據，從而使操作人員能迅速作出響應。濕度傳感器應能穩定運行于高濕度環境中，由于配網帶電作業場地可能面臨多種氣候條件，高濕度環境對設備的性能與安全性具有重要的影響。穩定運行的濕度傳感器可以連續監測濕度變化并向作業人員提供精確濕度信息以采取相應防護措施。電場強度傳感器要求有高靈敏度，因為在作業現場電場變化會很弱，僅有高靈敏度傳感器能夠探測出這些微小變化，及時發現可能出現的電場異常，對作業人員安全起到了保證作用。數據采集終端在傳感器之外還起到了至關重要的作用。它承擔著對傳感器所收集數據的初步處理與傳送任務。數據采集終端要具有低功耗特性，這樣才能降低能源消耗，增加設備運行時間。

3.3"軟件設計

軟件設計主要包括數據處理軟件和用戶界面軟件。數據處理軟件應具備強大的數據處理能力，能夠對大量的監測數據進行實時分析和處理。采用先進的算法對數據進行濾波、去噪等處理，提高數據的準確性。同時，軟件應具備預警功能，當監測數據超出安全閾值時，能夠及時發出警報。用戶界面軟件應設計簡潔、直觀，方便用戶操作。提供實時監測畫面、歷史數據查詢、報表生成等功能。軟件還應具備良好的兼容性，能夠與不同的操作系統和硬件設備進行適配。

4物聯網技術10"kV"配網帶電作業監測技術

4.1"物聯網通信技術

在結合物聯網技術的10"kV配網帶電作業監測中，物聯網通信技術起著至關重要的作用。首先，要明確LoRa和窄帶物聯網（Narrowband"Internet"of"Things，NB-IoT）。這樣的無線通信技術擁有低能耗和長距離傳輸的特點，這使其成為配網帶電作業監測場景中的理想選擇。這些技術能夠把分布于各個地點的傳感器所收集的數據傳送給數據中心以達到作業現場實時監控的目的。以LoRa技術為例，該技術能夠在復雜環境下達到幾公里傳輸距離且抗干擾能力強，保證數據傳輸穩定。與此同時，5G通信技術具有高速率、低延遲等特點，給監測系統的設計提供了一個新契機。5G能夠快速傳輸海量數據，使高清視頻監控及其他功能得以實現。作業現場可設置高清攝像頭并通過5G網絡向監控中心發送實時視頻，使管理人員對作業情況有更直觀的認識。除此之外，像藍牙和ZigBee這樣的短距離通信技術也能夠在特定區域內實現設備間的互聯互通，如傳感器和數據采集終端之間的數據交流。

4.2"數據處理與分析

對于結合物聯網技術的10"kV配網帶電作業監測系統，數據處理與分析是核心環節之一。首先，數據采集后需要進行預處理，包括數據清洗、去噪、歸一化等操作。數據清洗可以去除異常值和錯誤數據，保證數據的準確性。去噪可以采用濾波算法等技術手段，去除環境噪聲對數據的影響。歸一化可以將不同傳感器采集到的數據統一到相同的尺度，便于后續的分析處理。其次，采用數據分析算法對預處理后的數據進行深入分析。例如：以使用機器學習算法對作業現場的狀態進行預測和評估，通過對歷史數據的學習，建立模型預測未來可能出現的問題，提前發出預警；可以采用聚類分析、關聯分析等算法，挖掘數據中的潛在規律和關系，為作業優化提供依據。數據可視化也是重要的一環。通過直觀的圖表、圖形等方式展示監測數據，使管理人員和作業人員能夠快速了解作業現場的情況。例如：可以繪制實時的溫度、濕度曲線，顯示電場強度分布等[3]。

4.3"安全技術

在10"kV配網的帶電作業監控過程中，安全技術顯得尤為關鍵。數據安全的重要性。利用加密技術將傳輸數據加密，以避免其被盜用或篡改。可以采用對稱加密與非對稱加密結合來保證數據安全，同時實現了數據存儲的加密保護以避免數據泄露。網絡安全同樣是一個不容忽視的側面[4]。建立防火墻，入侵檢測系統和其他安全設備以防范網絡攻擊。網絡訪問實行嚴格權限管理，只允許被授權的用戶進入監測系統。定期掃描并修補安全漏洞，保證系統安全。設備安全也是如此。傳感器，數據采集終端及其他設備要有一定的防護能力以防物理損壞與電磁干擾。為裝置提供身份認證以保證其合法性。作業現場應做好防靜電和防雷措施，以保護設備和人員安全[5]。

5結語

綜上所述，結合物聯網技術的10"kV"配網帶電作業監測系統對提升電力系統的安全性和運維效率具有重大意義。通過深入分析需求并設計出合理的系統架構，結合關鍵技術的研究，可以有效解決傳統監測方法存在的問題，為電力行業提供更為可靠和智能的運維解決方案。未來，隨著技術的不斷進步和應用的深入，該系統有望在電力行業中得到更廣泛的應用，進一步推動電力系統的智能化升級。

參考文獻

[1]王琛.配網LF線路改造項目風險管理研究[D].濟南：山東大學，2023.

[2]田雨辰.M山區10"kV配電網改造項目質量管理研究[D].濟南：山東大學，"2023.

[3]張恒.10"kV配電網引流線智能切斷裝置設計與研制[D].濟南：山東建筑大學，"2022.

[4]張敏.泛在電力物聯網下PD公司的服務改進策略研究[D].桂林：電子科技大學，"2022.

[5]楊凱，李彥君.10"kV配網工程管理提升建議[J].中國電力企業管理，2023（33）："53.