張心志

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：為解決現(xiàn)有配電室監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在配電室各監(jiān)控參數(shù)采集結(jié)果誤差較大問題，設(shè)計(jì)一種新的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明能夠有效減小配電室各監(jiān)控參數(shù)采集誤差，提高系統(tǒng)監(jiān)控精度。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；分布式；配電室；遠(yuǎn)程；監(jiān)控；系統(tǒng)

以往電力企業(yè)在對(duì)配電室進(jìn)行管理時(shí)，通常依賴于人工定時(shí)的方式對(duì)各類電力設(shè)備儀器進(jìn)行檢測(cè)，并手動(dòng)繪制成表格的形式上報(bào)。但這種管理模式在實(shí)際應(yīng)用中工作效率很低，并已無法適應(yīng)當(dāng)前大部分智能配電網(wǎng)的規(guī)模及用電用戶的需求。同時(shí)，由于當(dāng)前配電室建設(shè)較為適宜的地區(qū)逐漸減少，已有相當(dāng)一部分配電室被建設(shè)在相對(duì)偏僻的區(qū)域，在各個(gè)地區(qū)分布十分分散，也對(duì)配電室的管理造成了一定影響，進(jìn)而影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1.1多種功能傳感器選型

在本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式配電室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的需求下，綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本、功耗以及應(yīng)用性能，選擇系統(tǒng)硬件設(shè)備。根據(jù)配電室的日常運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)用于測(cè)量和采集各種參數(shù)的傳感器設(shè)備進(jìn)行了初步選型，需選擇能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煙霧、紅外入侵、水浸、溫濕度等的傳感器。選用YD5543-230型號(hào)煙霧傳感器，用于對(duì)配電室內(nèi)煙霧參數(shù)進(jìn)行采集。該型號(hào)溫?zé)煾袀鞲衅魇且环N能夠集成光電煙霧和溫度的傳感器，當(dāng)配電室環(huán)境中出現(xiàn)煙霧濃度或溫度超過了事先設(shè)定的安全范圍時(shí)，立即產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警開關(guān)量信號(hào)，并將信號(hào)通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)较到y(tǒng)上位機(jī)當(dāng)中，由其控制相應(yīng)的設(shè)備斷電，以此避免出現(xiàn)更嚴(yán)重的安全事故發(fā)生[1]。

針對(duì)紅外入侵進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器采用DB546-06型號(hào)以紅外線作為介質(zhì)的傳感器結(jié)構(gòu)，當(dāng)該傳感器檢測(cè)到配電室內(nèi)有未經(jīng)允許進(jìn)入的人時(shí)，該型號(hào)傳感器也會(huì)自動(dòng)被觸發(fā)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。水浸傳感器選用SI59-32型號(hào)傳感器，該型號(hào)傳感器在實(shí)際應(yīng)用中是基于液體導(dǎo)電的原理。首先利用電極對(duì)配電室內(nèi)是否有水存在進(jìn)行探測(cè)，當(dāng)探測(cè)到有水存在時(shí)，再自動(dòng)轉(zhuǎn)換為干接點(diǎn)，產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)量報(bào)警信號(hào)。選用DH456-20型號(hào)溫濕度傳感器，對(duì)配電室中環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)在對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其校準(zhǔn)，并將準(zhǔn)確的數(shù)字溫濕度通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸。四種不同功能傳感器的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下。

煙霧傳感器YD5543-230：供電2.5V~5.5，煙霧量程0~10mg/m3，響應(yīng)時(shí)間0.5s，模擬量4路0~15mA輸入；紅外入侵傳感器DB546-062：供電1.5V~4.5，探測(cè)距離15m，響應(yīng)時(shí)間0.2s，模擬6路0~12mA輸入；水浸傳感器SI59-320：工作溫度-10~45℃，信號(hào)類型Zigbee，供電方式CR2160電池，工作電壓2.5V；溫濕度傳感器DH456-20：輸出類型Digital，供電1.5~2.5V，準(zhǔn)確性+/-1Cto+/-3C，響應(yīng)時(shí)間0.5s。四種不同功能和型號(hào)傳感器的報(bào)警指示燈均能常亮5s及以上，無線傳輸頻率均能夠足本文系統(tǒng)的傳輸要求，在發(fā)出報(bào)警的同時(shí)能自動(dòng)生成警情報(bào)告、電池電量報(bào)告以及防拆報(bào)告等數(shù)據(jù)信息，以此為發(fā)生安全事故提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.2單片機(jī)選型

在本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式配電室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中引入STC12W18S5型號(hào)單片機(jī)，利用硬件SPI接口將其與網(wǎng)絡(luò)通信芯片進(jìn)行連接，該型號(hào)單片機(jī)主要以SPI模式為主，在實(shí)際應(yīng)用中該型號(hào)單片機(jī)具備速度快、功耗低等優(yōu)勢(shì)。在STC12W18S5型號(hào)單片機(jī)中引入高精度R/C時(shí)鐘，以此節(jié)省原本系統(tǒng)內(nèi)核心芯片的外部晶振和復(fù)位電路，使系統(tǒng)在研發(fā)階段更加簡單方便。同時(shí)，在STC12W18S5型號(hào)單片機(jī)中引入兩個(gè)16位可重裝載定時(shí)器T1和T2。在單片機(jī)內(nèi)部集成多組異步和同步串行通信端口，確保上述選擇的各類傳感器采集到的數(shù)據(jù)能通過STC12W18S5型號(hào)單片機(jī)在物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中實(shí)現(xiàn)快速傳輸[2]。

將STC12W18S5型號(hào)單片機(jī)上的P1.5、P1.4和P1.3作為配置復(fù)用輸入輸出接口，由單片機(jī)通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸芯片進(jìn)行讀寫操作，以此實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)的通信功能。將STC12W18S5型號(hào)單片機(jī)P0.0~P0.8接口依次與各個(gè)傳感器開關(guān)量的信號(hào)輸入和輸出端口進(jìn)行連接，并通過物聯(lián)網(wǎng)直接獲取各個(gè)傳感器的開關(guān)量信號(hào)。由STC12W18S5型號(hào)單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)繼電裝置控制各個(gè)電力設(shè)備連接線路的通斷，依次實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)配電室多路風(fēng)扇和照明設(shè)備的開關(guān)控制，進(jìn)而達(dá)到遠(yuǎn)程控制配電室目的。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1配電室各監(jiān)控參數(shù)采集

在對(duì)配電室進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)，首先需針對(duì)上述選擇的多種傳感器獲取到的參數(shù)進(jìn)行采集，完成對(duì)開關(guān)量數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)等采集工作。根據(jù)本文上述傳感器選型，定義開關(guān)量輸入端口信號(hào)，8個(gè)信號(hào)名稱、端口信號(hào)及其定義分別為：YD1/P0.0/煙霧傳感器1狀態(tài)信號(hào)；YD2/P0.2/煙霧傳感器0狀態(tài)信號(hào)；DB1/P0.4/紅外傳感器1狀態(tài)信號(hào)；DB2/P0.6/紅外傳感器0狀態(tài)信號(hào)；SI1/P0.8/水浸傳感器1狀態(tài)信號(hào)；SI2/P1.0/水浸傳感器0狀態(tài)信號(hào)；DH1/P1.2/溫濕度傳感器1狀態(tài)信號(hào)；DH2/P1.4/溫濕度傳感器0狀態(tài)信號(hào)。

以上8路開關(guān)量均可通過DI開關(guān)接口的端口信號(hào)對(duì)其進(jìn)行直接獲取，由于開關(guān)量的狀態(tài)只有開和關(guān)，因此只給出兩種狀態(tài)1和0，其中1表示為開，0表示為關(guān)[3]。在本文系統(tǒng)運(yùn)行過程中，利用定時(shí)器完成各項(xiàng)調(diào)度任務(wù)，并分別設(shè)置對(duì)應(yīng)的采集時(shí)間，按照?qǐng)D1所示流程實(shí)現(xiàn)對(duì)配電室內(nèi)各個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)的采集。每次從各個(gè)傳感器上獲取到的數(shù)據(jù)均為32位，以溫濕度數(shù)據(jù)為例，得出的數(shù)據(jù)為濕度高7位、低7位、溫度高7位、低7位和末4位組成。

圖1參數(shù)采集流程圖

2.2基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式配電室環(huán)境信息遠(yuǎn)程監(jiān)控

在本文上述軟硬件開發(fā)環(huán)境的基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，根據(jù)上述操作完成對(duì)配電室內(nèi)各個(gè)監(jiān)控參數(shù)的采集后，利用物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)對(duì)各類信息進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控[4]。通過對(duì)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)互聯(lián)協(xié)議進(jìn)行分析，本文采用JSON作為各類配電室環(huán)境信息的傳輸格式。首先在物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)中創(chuàng)建個(gè)人賬號(hào)并申請(qǐng)相應(yīng)的密鑰，根據(jù)配電室的運(yùn)行情況，按照數(shù)據(jù)采集和開關(guān)添加各個(gè)數(shù)據(jù)采集傳感器及開關(guān)，并在添加完畢后獲取各個(gè)傳感器的ID。在對(duì)傳感器采集到的各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行上傳時(shí)，由分布式Web負(fù)責(zé)將各類數(shù)據(jù)及獲取到的開關(guān)狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一處理，并構(gòu)建一個(gè)格式規(guī)范的JSON數(shù)據(jù)串，再建立一個(gè)TCP連接，并利用HTTP傳輸協(xié)議將各類數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云平臺(tái)當(dāng)中。

根據(jù)互聯(lián)協(xié)議規(guī)定的內(nèi)容，從物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)中一次只能獲取一個(gè)開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)，并依次將需進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取的設(shè)備和開關(guān)的ID進(jìn)行填充，一次構(gòu)成一個(gè)GET報(bào)文并在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中完成對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)用戶對(duì)分布式配電室環(huán)境信息的查詢。

2.3報(bào)警聯(lián)動(dòng)處理

根據(jù)本文上述對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)傳感器分布式配合聯(lián)運(yùn)處理和控制，根據(jù)配電室需要，采用多個(gè)運(yùn)動(dòng)報(bào)警與多個(gè)設(shè)備聯(lián)動(dòng)的處理策略。在根據(jù)不同配電室的參數(shù)安全范圍設(shè)定后，可利用報(bào)警聯(lián)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)配電室運(yùn)行保護(hù)控制。以配電室內(nèi)部環(huán)境溫濕度為例，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到溫濕度數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)傳感器到系統(tǒng)上位機(jī)的遠(yuǎn)程傳輸。此時(shí)由報(bào)警聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)和通風(fēng)設(shè)備的開關(guān)控制，開啟后實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度的調(diào)整。此外按照下述方式設(shè)置本文系統(tǒng)中的報(bào)警聯(lián)動(dòng)處理邏輯：

當(dāng)有未經(jīng)允許人員進(jìn)入到配電室時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)視頻監(jiān)控，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)人員視頻圖像的獲取，并在完成對(duì)人員畫面的記錄后將其上傳到系統(tǒng)上位機(jī)中并報(bào)警；當(dāng)配電室開關(guān)柜溫度超過事先設(shè)定的范圍時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)開啟空調(diào)、風(fēng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行降溫并將這一過程中數(shù)據(jù)的變化情況進(jìn)行記錄，并將其上傳到系統(tǒng)上位機(jī)中；當(dāng)配電室風(fēng)機(jī)、空調(diào)設(shè)備出現(xiàn)不工作的問題，由系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)判斷出其相關(guān)狀態(tài)并驅(qū)動(dòng)視頻設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)其拍照記錄，并將結(jié)果傳輸?shù)较到y(tǒng)上位機(jī)中，通過上述制定的聯(lián)動(dòng)處理方案實(shí)現(xiàn)對(duì)配電室的遠(yuǎn)程監(jiān)督和控制。

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

選擇某電力企業(yè)的配電室作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別利用本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式配電室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，以及該電力企業(yè)現(xiàn)行基于串行通信技術(shù)配電室監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于該配電室運(yùn)行管理當(dāng)中，并實(shí)現(xiàn)對(duì)其監(jiān)控。在實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)置兩種運(yùn)行系統(tǒng)的條件均相同，選用Windows8作為兩種系統(tǒng)的操作平臺(tái)，選用Internet200MB作為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境。為驗(yàn)證兩種監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控精度，選擇將其得到的配電室各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)精度作為實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。在已知該配電室溫度為26℃、濕度為39%的情況下，分別利用兩種系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，并將系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)與已知數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出其監(jiān)控誤差，利用Excel軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄并分析，得到如表1所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1兩種監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

從表1得到的數(shù)據(jù)可看出，本文系統(tǒng)無論是在對(duì)配電室溫度進(jìn)行監(jiān)控還是對(duì)濕度進(jìn)行監(jiān)控，得到的結(jié)果精度誤差均明顯小于該電力企業(yè)現(xiàn)行基于串行通信技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)。因此，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式配電室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有更高的監(jiān)控精度，獲取到的數(shù)據(jù)可靠性更強(qiáng)。

4 安科瑞配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的介紹與選型

4.1概述

AcrelCloud-1000變電所運(yùn)維云平臺(tái)基于互聯(lián)網(wǎng)＋、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)通訊等技術(shù)開發(fā)的云端管理平臺(tái)，滿足用戶或運(yùn)維公司監(jiān)測(cè)眾多變電所回路運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)、室內(nèi)環(huán)境溫濕度、電纜及母線運(yùn)行溫度、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或環(huán)境視頻場(chǎng)景等需求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中，集中存儲(chǔ)、統(tǒng)一管理，方便使用，支持具有權(quán)限的用戶通過電腦、手機(jī)、PAD等各類終端鏈接訪問、接收?qǐng)?bào)警，并完成有關(guān)設(shè)備日常和定期巡檢和派單等管理工作。

4.2應(yīng)用場(chǎng)所

適用于電信、金融、交通、能源、醫(yī)療衛(wèi)生、文體、教育科研、農(nóng)林水利、商業(yè)服務(wù)、公用事業(yè)等行業(yè)變配電運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)的新建、擴(kuò)建和改建。

5 系統(tǒng)功能

5.1用能月報(bào)

用能月報(bào)支持用戶按總用電量、變電站名稱、變電站編號(hào)等查詢所管理站所的用電量，查詢跨度可設(shè)置為月。

5.2站點(diǎn)監(jiān)測(cè)

站點(diǎn)監(jiān)測(cè)包括概況、運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)日事件記錄、當(dāng)日逐時(shí)用電曲線、用電概況。

5.3變壓器狀態(tài)

變壓器狀態(tài)支持用戶查詢所有或某個(gè)站所的變壓器功率、負(fù)荷率、等運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，支持按負(fù)荷率、功率等升、降序排名。

5.4運(yùn)維

運(yùn)維展示當(dāng)前用戶管理的有關(guān)變電所在地圖上位置及總量信息。

5.5配電圖

配電圖展示被選中的變電所的配電信息，配電圖顯示各回路的開關(guān)狀態(tài)、電流等運(yùn)行狀態(tài)及信息，支持電壓、電流、功率等詳細(xì)運(yùn)行參數(shù)查詢。

5.6視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控展示了當(dāng)前實(shí)時(shí)畫面（視頻直播），選中某一個(gè)變配電站，即可查看該變配站內(nèi)視頻信息。

5.7電力運(yùn)行報(bào)表

電力運(yùn)行報(bào)表顯示選定站所選定設(shè)備各回路zhi定采集間隔運(yùn)行參數(shù)和電能抄表的實(shí)時(shí)值及平均值行統(tǒng)計(jì)。

5.8報(bào)警信息

對(duì)平臺(tái)所有報(bào)警信息進(jìn)行分析。

5.9任務(wù)管理

任務(wù)管理頁面可以發(fā)布巡檢或消缺任務(wù)，查看巡檢或消缺任務(wù)的狀態(tài)和完成情況，可以點(diǎn)擊查看任務(wù)查看具體的巡檢信息。

5.10用戶報(bào)告

用戶報(bào)告頁面主要用于對(duì)選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)變壓器負(fù)荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報(bào)警事件等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并列出在該周期內(nèi)巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)的各類缺陷及處理情況。

5.11 APP監(jiān)測(cè)

電力運(yùn)維手機(jī)支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設(shè)備檔案"、“待辦事項(xiàng)"、“巡檢記錄"、“缺陷記錄"、“文檔管理"和“用戶報(bào)告"七大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報(bào)警查詢，設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢、用戶報(bào)告、文檔管理等。

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張心志，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事配電室在線監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)及應(yīng)用。