基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式配電室遠程監(jiān)控系統(tǒng)

北京皓能電力工程有限公司 李 波

以往電力企業(yè)在對配電室進行管理時，通常依賴于人工定時的方式對各類電力設(shè)備儀器進行檢測，并手動繪制成表格的形式上報。但這種管理模式在實際應(yīng)用中工作效率極低，并已無法適應(yīng)當前大部分智能配電網(wǎng)的規(guī)模及用電用戶的需求。同時，由于當前配電室建設(shè)較為適宜的地區(qū)逐漸減少，已有相當一部分配電室被建設(shè)在相對偏僻的區(qū)域，在各個地區(qū)分布十分分散，也對配電室的管理造成了一定影響，進而影響到整個電力系統(tǒng)的正常運行。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 多種功能傳感器選型

在本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式配電室遠程監(jiān)控系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的需求下，綜合系統(tǒng)設(shè)計成本、功耗以及應(yīng)用性能，選擇系統(tǒng)硬件設(shè)備。根據(jù)配電室的日常運行特點，對用于測量和采集各種參數(shù)的傳感器設(shè)備進行了初步選型，需選擇能實時監(jiān)測煙霧、紅外入侵、水浸、溫濕度等的傳感器。選用YD5543-230型號煙霧傳感器，用于對配電室內(nèi)煙霧參數(shù)進行采集。該型號溫煙感傳感器是一種能夠集成光電煙霧和溫度的傳感器，當配電室環(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，立即產(chǎn)生相應(yīng)的報警開關(guān)量信號，并將信號通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)较到y(tǒng)上位機當中，由其控制相應(yīng)的設(shè)備斷電，以此避免出現(xiàn)更嚴重的安全事故發(fā)生[1]。

針對紅外入侵進行監(jiān)測的傳感器采用DB546-062型號以紅外線作為介質(zhì)的傳感器結(jié)構(gòu)，當該傳感器檢測到配電室內(nèi)有未經(jīng)允許進入的人時，該型號傳感器也會自動被觸發(fā)并發(fā)出報警信號。水浸傳感器選用SI59-320型號傳感器，該型號傳感器在實際應(yīng)用中是基于液體導(dǎo)電的原理。首先利用電極對配電室內(nèi)是否有水存在進行探測，當探測到有水存在時，再自動轉(zhuǎn)換為干接點，產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)量報警信號。選用DH456-20型號溫濕度傳感器，對配電室中環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)進行采集，同時在對檢測到的信號進行處理時，能夠?qū)崿F(xiàn)對其校準，并將準確的數(shù)字溫濕度通過物聯(lián)網(wǎng)進行傳輸。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 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，探測距離15m，響應(yīng)時間0.2s，模擬量6路0～12mA 輸入；水浸傳感器SI59-320：工作溫度-10～45℃，信號類型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，準確性+/-1Cto+/-3C，響應(yīng)時間0.5s。四種不同功能和型號傳感器的報警指示燈均能常亮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)出報警的同時能自動生成警情報告、電池電量報告以及防拆報告等數(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 單片機選型

在本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式配電室遠程監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中引入STC12W18S5型號單片機，利用硬件SPI 接口將其與網(wǎng)絡(luò)通信芯片進行連接，該型號單片機主要以SPI 模式為主，在實際應(yīng)用中該型號單片機具備速度快、功耗低等優(yōu)勢。在STC12W18S5型號單片機中引入高精度R/C 時鐘，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，在STC12W18S5型號單片機中引入兩個16位可重裝載定時器T1和T2。在單片機內(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型號單片機在物聯(lián)網(wǎng)當中實現(xiàn)快速傳輸[2]。

將STC12W18S5型號單片機上的P1.5、P1.4和P1.3作為配置復(fù)用輸入輸出接口，由單片機通過對網(wǎng)絡(luò)傳輸芯片進行讀寫操作，以此實現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)的通信功能。將STC12W18S5型號單片機P0.0～P0.8接口依次與各個傳感器開關(guān)量的信號輸入和輸出端口進行連接，并通過物聯(lián)網(wǎng)直接獲取各個傳感器的開關(guān)量信號。由STC12W18S5型號單片機發(fā)出控制信號，并驅(qū)動繼電裝置控制各個電力設(shè)備連接線路的通斷，依次實現(xiàn)對各個配電室多路風扇和照明設(shè)備的開關(guān)控制，進而達到遠程控制配電室目的。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 配電室各監(jiān)控參數(shù)采集

在對配電室進行遠程監(jiān)控時，首先需針對上述選擇的多種傳感器獲取到的參數(shù)進行采集，完成對開關(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，8個信號名稱、端口信號及其定義分別為：YD1/P0.0/煙霧傳感器1狀態(tài)信號；YD2/P0.2/煙霧傳感器0狀態(tài)信號；DB1/P0.4/紅外傳感器1狀態(tài)信號；DB2/P0.6/紅外傳感器0狀態(tài)信號；SI1/P0.8/水浸傳感器1狀態(tài)信號；SI2/P1.0/水浸傳感器0狀態(tài)信號；DH1/P1.2/溫濕度傳感器1狀態(tài)信號；DH2/P1.4/溫濕度傳感器0狀態(tài)信號。

以上8路開關(guān)量均可通過DI 開關(guān)接口的端口信號對其進行直接獲取，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)運行過程中，利用定時器完成各項調(diào)度任務(wù)，并分別設(shè)置對應(yīng)的采集時間，按照圖1所示流程實現(xiàn)對配電室內(nèi)各個參數(shù)數(shù)據(jù)的采集。每次從各個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)上述操作完成對配電室內(nèi)各個監(jiān)控參數(shù)的采集后，利用物聯(lián)網(wǎng)云平臺對各類信息進行遠程監(jiān)控[4]。通過對物聯(lián)網(wǎng)云平臺互聯(lián)協(xié)議進行分析，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)云平臺中創(chuàng)建個人賬號并申請相應(yīng)的密鑰，根據(jù)配電室的運行情況，按照數(shù)據(jù)采集和開關(guān)添加各個數(shù)據(jù)采集傳感器及開關(guān)，并在添加完畢后獲取各個傳感器的ID。在對傳感器采集到的各類數(shù)據(jù)信息進行上傳時，由分布式Web 負責將各類數(shù)據(jù)及獲取到的開關(guān)狀態(tài)信號進行統(tǒng)一處理，并構(gòu)建一個格式規(guī)范的JSON 數(shù)據(jù)串，再建立一個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)云平臺當中。

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

2.3 報警聯(lián)動處理

根據(jù)本文上述對系統(tǒng)的設(shè)計，可實現(xiàn)各個傳感器分布式配合聯(lián)運處理和控制，根據(jù)配電室需要，采用多個運動報警與多個設(shè)備聯(lián)動的處理策略。在根據(jù)不同配電室的參數(shù)安全范圍設(shè)定后，可利用報警聯(lián)動功能實現(xiàn)對配電室運行保護控制。以配電室內(nèi)部環(huán)境溫濕度為例，當傳感器監(jiān)測到溫濕度數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)傳感器到系統(tǒng)上位機的遠程傳輸。此時由報警聯(lián)動實現(xiàn)對空調(diào)和通風設(shè)備的開關(guān)控制，開啟后實現(xiàn)對溫度和濕度的調(diào)整。此外按照下述方式設(shè)置本文系統(tǒng)中的報警聯(lián)動處理邏輯：

當有未經(jīng)允許人員進入到配電室時，系統(tǒng)自動聯(lián)動視頻監(jiān)控，以此實現(xiàn)對人員視頻圖像的獲取，并在完成對人員畫面的記錄后將其上傳到系統(tǒng)上位機中并報警；當配電室開關(guān)柜溫度超過事先設(shè)定的范圍時，系統(tǒng)自動聯(lián)動開啟空調(diào)、風機等設(shè)備進行降溫并將這一過程中數(shù)據(jù)的變化情況進行記錄，并將其上傳到系統(tǒng)上位機中；當配電室風機、空調(diào)設(shè)備出現(xiàn)不工作的問題，由系統(tǒng)自動聯(lián)動判斷出其相關(guān)狀態(tài)并驅(qū)動視頻設(shè)備實現(xiàn)對其拍照記錄，并將結(jié)果傳輸?shù)较到y(tǒng)上位機中，通過上述制定的聯(lián)動處理方案實現(xiàn)對配電室的遠程監(jiān)督和控制。

3 對比實驗

選擇某電力企業(yè)的配電室作為實驗環(huán)境和實驗對象，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)用于該配電室運行管理當中，并實現(xiàn)對其監(jiān)控。在實驗過程中設(shè)置兩種運行系統(tǒng)的條件均相同，選用Windows8作為兩種系統(tǒng)的操作平臺，選用Internet 200MB 作為網(wǎng)絡(luò)運行環(huán)境。為驗證兩種監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控精度，選擇將其得到的配電室各項相關(guān)參數(shù)監(jiān)測精度作為實驗評價指標。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)對其進行監(jiān)控，并將系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)與已知數(shù)據(jù)進行對比，得出其監(jiān)控誤差，利用Excel 軟件對實驗結(jié)果進行記錄并分析，得到如表1所示實驗結(jié)果。

表1 兩種監(jiān)控系統(tǒng)實驗結(jié)果對比表

從表1得到的數(shù)據(jù)可看出，本文系統(tǒng)無論是在對配電室溫度進行監(jiān)控還是對濕度進行監(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，通過對比實驗證明，本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式配電室遠程監(jiān)控系統(tǒng)在實際應(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。