基于物聯(lián)網(wǎng)中間件的變配電系統(tǒng)監(jiān)控方案研究

呂國，孫皓月，司亞超

(1.河北建筑工程學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心，河北張家口 075000；2.河北建筑工程學(xué)院信息工程學(xué)院，河北張家口 075000)

基于物聯(lián)網(wǎng)中間件的變配電系統(tǒng)監(jiān)控方案研究

呂國1，孫皓月2，司亞超2

(1.河北建筑工程學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心，河北張家口 075000；2.河北建筑工程學(xué)院信息工程學(xué)院，河北張家口 075000)

智能型變配電監(jiān)控系統(tǒng)既是保證供配電系統(tǒng)可靠運(yùn)行的必要手段，又是現(xiàn)代化企業(yè)實(shí)施電力運(yùn)行管理的有效方式。充分研究了變配電監(jiān)控系統(tǒng)的功能，引入物聯(lián)網(wǎng)中間件的概念來設(shè)計(jì)智能變配電系統(tǒng)監(jiān)控方案。采用了Zigbee和RFID兩種底層數(shù)據(jù)采集技術(shù)來實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用與物聯(lián)網(wǎng)感知層數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備的耦合連接。在此基礎(chǔ)上，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)中間件的智能變配電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方案，并對該方案中涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

物聯(lián)網(wǎng)；中間件；變配電；監(jiān)控

變配電站是電力系統(tǒng)的一個重要的組成部分，是電力網(wǎng)絡(luò)各個線路間重要的連接部分。變配電站作為變換電壓、匯集和分配電能的核心設(shè)備，它的安全運(yùn)行直接影響著電網(wǎng)的整體運(yùn)行。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，變配電監(jiān)控技術(shù)被引入到電網(wǎng)控制系統(tǒng)中。

作為提高供電系統(tǒng)可靠性的有效手段，變配電監(jiān)控系統(tǒng)可以迅速而準(zhǔn)確地獲得變配電站的運(yùn)行實(shí)時信息，完整掌握變電站實(shí)時的運(yùn)行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障，并對相應(yīng)的故障作出及時反應(yīng)和處理，減少事故的發(fā)生；同時值班管理人員根據(jù)變配電站系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行遠(yuǎn)控分合閘、躲峰填谷、合理調(diào)度，以達(dá)到設(shè)備按最佳工況運(yùn)行，節(jié)約能源的目的；此外，還可以對變配電站內(nèi)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)遙控、遙測、遙信，減輕工作人員勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)率，使供電系統(tǒng)安全、合理、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

變配電設(shè)備具有分布點(diǎn)多、分布面廣的基本特征，且大部分都部署在室外，容易受天氣及人為等因素影響而引發(fā)故障。所以本文利用物聯(lián)網(wǎng)中間件技術(shù)，開發(fā)了針對各種電力設(shè)備日常運(yùn)行過程中的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)異常、設(shè)備破損、性能降低等項(xiàng)目的實(shí)時監(jiān)測和控制系統(tǒng)，可以在各種隱患發(fā)生前采取有效的應(yīng)對措施，避免電力設(shè)備出現(xiàn)故障，以保障供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

1 智能變配電站監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能化變配電站監(jiān)控系統(tǒng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分。它是智能變配電站在充分信息化、智能化建設(shè)的基礎(chǔ)上通過匯聚、檢測和控制變配電站運(yùn)行狀態(tài)信息而形成的監(jiān)測系統(tǒng)，主要功能如下：

(1)電力設(shè)備的監(jiān)測及預(yù)警功能

將數(shù)據(jù)采集設(shè)備，例如各種傳感器節(jié)點(diǎn)部署在變配電設(shè)備上，利用這些數(shù)據(jù)采集設(shè)備精確采集變配電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)及環(huán)境參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)精確監(jiān)測和控制的目的，以便進(jìn)行設(shè)備故障的早期診斷和預(yù)警，提高變配電安全運(yùn)行的能力。

(2)電力設(shè)備的檢修輔助、設(shè)備記錄、定位功能

利用各種智能設(shè)備的定位、記錄功能，對傳感器節(jié)點(diǎn)收集來的信息進(jìn)行記錄、存儲，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行定時巡檢。

從以上功能分析可以得出，一個完善的智能變配電站監(jiān)控系統(tǒng)必須具備數(shù)據(jù)采集功能、數(shù)據(jù)存儲功能、數(shù)據(jù)分析功能、實(shí)時狀態(tài)顯示功能、狀態(tài)報(bào)警與控制功能等。同時，為了遠(yuǎn)程監(jiān)控，還要具備數(shù)據(jù)通信功能。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

在總體結(jié)構(gòu)中，處于核心地位的是數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信層的構(gòu)建。根據(jù)功能的分析和研究，利用基于物聯(lián)網(wǎng)的中間件技術(shù)是解決這一環(huán)節(jié)的最優(yōu)方法。

2 利用物聯(lián)網(wǎng)中間件技術(shù)構(gòu)建智能變配電站數(shù)據(jù)采集通信層分析

物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1]。從此定義可以看出，將物聯(lián)網(wǎng)的相應(yīng)技術(shù)和產(chǎn)品廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、變、配、用環(huán)節(jié)，不僅可以有效地對電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施資源進(jìn)行整合，全方位提高電力系統(tǒng)的通信水平，還能很好地改善當(dāng)前電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的利用率。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層是對所監(jiān)測的事物進(jìn)行全面的感知，即完成的是數(shù)據(jù)采集的功能，主要利用了傳感器節(jié)點(diǎn)、RFID讀寫器等設(shè)備，完成變配電站設(shè)備的溫度、環(huán)境的溫度、設(shè)備的震動、設(shè)備的傾斜度、環(huán)境的濕度、設(shè)備的電流、電壓等參數(shù)的采集。同時在感知層還設(shè)置了固定IOT Device Agent，功能是將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和融合；網(wǎng)絡(luò)層是將信息利用多種有線或無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠的傳送。在物聯(lián)網(wǎng)中，可利用的通信方式有很多種。其中，基于Zigbee技術(shù)的無線通訊方式是目前發(fā)展態(tài)勢最好的一種。它具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的基本特性，是一種非常適合于工業(yè)監(jiān)控的雙向無線通訊技術(shù)，可以在各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)由一個匯聚節(jié)點(diǎn)和若干個分節(jié)點(diǎn)組成。將傳感器節(jié)點(diǎn)及RFID讀寫器采集的數(shù)據(jù)通過固定IOT Device Agent融合在一起，再在匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)置IOT Server服務(wù)器。IOT Server服務(wù)器將采集的傳感信息進(jìn)行分析處理后生成透明的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，進(jìn)而支撐整個變配電監(jiān)控系統(tǒng)。應(yīng)用層的主要功能是對在IOT Server服務(wù)器端形成的數(shù)據(jù)流進(jìn)行智能化的處理，為用戶提供豐富多樣的功能和服務(wù)。由于應(yīng)用層的服務(wù)面向不同的應(yīng)用和用戶，需求多樣而且靈活多變，對數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用程序的開發(fā)形成了一定的負(fù)擔(dān)，因此在這一部分與底層之間，應(yīng)用中間件技術(shù)來解決這一難題。

物聯(lián)網(wǎng)中間件是實(shí)現(xiàn)底層硬件設(shè)備與應(yīng)用系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸、過濾、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的一種中間程序，其處于物聯(lián)網(wǎng)的集成服務(wù)器端和感知層、網(wǎng)絡(luò)層的嵌入式設(shè)備中。

針對于智能變配電站所使用的底層信息采集硬件——RFID讀卡器、傳感器節(jié)點(diǎn)，以及網(wǎng)絡(luò)層的Zigbee匯聚節(jié)點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)的中間件需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中硬件設(shè)備與上層提供的WEB應(yīng)用服務(wù)之間的數(shù)據(jù)傳輸、過濾以及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。因此中間件需要兩類核心功能：其一，將不同結(jié)構(gòu)的感知層所傳送來的數(shù)據(jù)流進(jìn)行格式的統(tǒng)一及集成；其二，將應(yīng)用層不同的服務(wù)轉(zhuǎn)化為不同底層可以執(zhí)行的命令，以驅(qū)動控制設(shè)備的運(yùn)行過程。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖可知，基于Zigbee和RFID/傳感器節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)中間件應(yīng)該具有數(shù)據(jù)流協(xié)議轉(zhuǎn)換功能和底層硬件狀態(tài)參數(shù)信息的設(shè)定功能。

圖2 中間件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對于數(shù)據(jù)流協(xié)議轉(zhuǎn)換，采用XML技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。XML是一種自描述、半結(jié)構(gòu)化和可擴(kuò)展的標(biāo)記語言。它將數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)的描述結(jié)合起來，不僅能夠表示結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，還能表示半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。XML具有內(nèi)容獨(dú)立性，所存儲數(shù)據(jù)不受一種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型限制，屏蔽了數(shù)據(jù)源中應(yīng)用環(huán)境和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的異構(gòu)性。XML把文檔如數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)、以及顯示方式這三個基本要素獨(dú)立開來，分別進(jìn)行處理，這使得其他應(yīng)用系統(tǒng)能夠忽略不相關(guān)部分而直接對自描述的XML文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)源中數(shù)據(jù)的互操作[2]。

對于底層硬件狀態(tài)參數(shù)信息設(shè)定功能，采用中間件獲得Zigbee和RFID/傳感器節(jié)點(diǎn)的接口位置信息，并利用VC++等開發(fā)工具對其接口操作進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的操控。當(dāng)需要調(diào)用某一具體技術(shù)對應(yīng)的類的時候，可以利用第三方工具包dom4j中的方法解析配置文件，通過XML文件配置的映射關(guān)系對處理命令進(jìn)行一定程序的解析，最后再利用開發(fā)工具進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

3 總結(jié)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于智能變配電站中將成為推動變配電站控制技術(shù)發(fā)展的重要手段，有助于解決電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)重要運(yùn)行參數(shù)的在線檢測和實(shí)時信息掌控。基于物聯(lián)網(wǎng)中間件的信息聚合方案，采用傳感器、RFID與Zigbee技術(shù)相結(jié)合的方式，構(gòu)建了基于智能變配電站的信息感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，形成了較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和完善的通信能力，能夠?yàn)橹悄芘渥冸姳O(jiān)控系統(tǒng)提供良好的技術(shù)支撐和彈性可擴(kuò)展的軟件架構(gòu)。

[1]李正明，吳波．基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)研究[J]．現(xiàn)代科學(xué)儀器，2012(4)：68-69.

[2]王凡．基于Zigbee和RFID的物聯(lián)網(wǎng)中間件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．北京：北京郵電大學(xué)，2011：13-16.

Research on distribution system monitoring scheme based on internet of thing middleware

LV Guo1,SUN Hao-yue2,SI Ya-chao2

Intenlligent variable power distribution monitoring system not only was the essential means to ensure reliable operation of distribution system,but also was a modern enterprise implementation of electric power operation management the effective way.The distribution function of the monitoring system was fully studies.The concept of the Internet of middle price monitoring scheme was introduced to design the intelligent power distribution system. Zigbee and RFID were adopted to realize the upper application and coupling connection for two underlying data acquisition technology.And on this basis,the Internet of things middleware intelligent for the design and implementation scheme of power distribution monitoring system was put forward,and the key technologies was described in detail.

IOT;middleware;substation;monitoring

TM 63

A

1002-087 X(2014)02-0371-02

2013-09-30

張家口市2013年科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃自籌經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(1321006B)

呂國(1978—)，男，河北省人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。