物聯(lián)網(wǎng)在智能變電站輔助系統(tǒng)監(jiān)控中的應(yīng)用

程智余

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司，安徽 合肥 230061)

隨著配電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，變電站的數(shù)量急劇增加。為了合理配置人力資源并提高工作效率，采用集中監(jiān)控的無人值守智能變電站迅速發(fā)展[1]。然而，智能變電站的安全問題日漸凸顯[2]。因此，智能變電站及輔助控制系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測至關(guān)重要。

隨著智能技術(shù)的快速發(fā)展，智能巡檢機(jī)器人[3]已逐漸取代人工檢測，極大地減少了人力資源并提升了檢測效率。巡檢機(jī)器人檢測的路線和時(shí)間相對固定，檢測內(nèi)容及相應(yīng)的控制功能相對獨(dú)立，且無法與相關(guān)輔助控制系統(tǒng)相結(jié)合，使得巡檢機(jī)器人無法實(shí)現(xiàn)對變電站完整的監(jiān)控功能[4]。目前，智能變電站輔助系統(tǒng)可分為視頻監(jiān)控系統(tǒng)[5]、機(jī)器人巡檢系統(tǒng)[6]、常規(guī)輔助控制系統(tǒng)[7]、安全周界系統(tǒng)[8]等。但各系統(tǒng)僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、設(shè)備監(jiān)控、輔助檢測等基本功能。由于各系統(tǒng)的應(yīng)用場景相對獨(dú)立，數(shù)據(jù)共享、信息交互、智能決策和智能鏈接等高級應(yīng)用仍有改進(jìn)空間。因此，需要結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)綜合智能變電站智能的各應(yīng)用系統(tǒng)，通過采集海量大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)更高級的應(yīng)用和數(shù)據(jù)分析功能[9]。

本文構(gòu)建了智能變電站輔助系統(tǒng)安全運(yùn)行和安全運(yùn)行管理的IoT智能變電站輔助系統(tǒng)。與測控網(wǎng)絡(luò)平臺上的相關(guān)設(shè)備或系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)安全消防監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、電力監(jiān)控及運(yùn)行輔助、維護(hù)輔助、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、預(yù)警等系統(tǒng)聯(lián)動控制，使用ESP-8266模塊、NodeMCU和傳感器系統(tǒng)開發(fā)并測試了原型系統(tǒng)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)將監(jiān)控管理信息展現(xiàn)給用戶，提高了智能變電站信息化水平，為配電網(wǎng)安全運(yùn)行提供決策技術(shù)支持。

1 物聯(lián)網(wǎng)

IoT作為智能傳感網(wǎng)絡(luò)，利用智能傳感設(shè)備對多個(gè)目標(biāo)實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)信息，并通過互聯(lián)網(wǎng)將各種應(yīng)用程序進(jìn)行組合并相互通信[10]。數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ǖ男畔⑻幚碇行倪M(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的信息交互。

IoT的目標(biāo)功能有9種，分為3組[11]：特征、關(guān)系和接口。特征集由分配、功能和目標(biāo)本身組成；關(guān)系集指目標(biāo)與用戶界面之間的關(guān)系；接口集指目標(biāo)與網(wǎng)絡(luò)中的其他目標(biāo)交互。

(1)IoT中的目標(biāo)特征集。①處理，目標(biāo)中的計(jì)算處理能力，能夠使其響應(yīng)IoT請求及其應(yīng)用；②尋址，在IoT中通過路由在網(wǎng)絡(luò)中定位找到目標(biāo)的能力；③標(biāo)識，每個(gè)目標(biāo)的標(biāo)識使其在IoT網(wǎng)絡(luò)中確保唯一性；④位置，與目標(biāo)所在的物理位置相關(guān)的屬性以及其在地圖上的位置。

(2)IoT中的關(guān)系集。①通信，目標(biāo)在IoT中接收或向其他目標(biāo)發(fā)送消息的能力；②合作，目標(biāo)與IoT其他目標(biāo)共同行動的協(xié)作行動；③傳感，目標(biāo)從環(huán)境或其他目標(biāo)捕獲數(shù)據(jù)的能力；④性能，目標(biāo)對環(huán)境引發(fā)作操作和修改給定環(huán)境條件的能力。

(3)IoT中的接口集。交互，允許用戶查看目標(biāo)信息，并對目標(biāo)條件進(jìn)行設(shè)置和修改。

2 通信協(xié)議

本文選取消息隊(duì)列遙測傳輸(MQTT)和受限應(yīng)用程序協(xié)議(CoAP)作為傳輸協(xié)議。

2.1 MQTT協(xié)議

MQTT協(xié)議[12]是基于發(fā)布/訂閱體系結(jié)構(gòu)的消息傳遞協(xié)議，適用于受限設(shè)備和不安全網(wǎng)絡(luò)，具有低帶寬和高延遲。MQTT協(xié)議的特征如下：①使用TCP/IP方式進(jìn)行連接；②具有較小的傳輸開銷和最小化的協(xié)議交換，從而減少網(wǎng)絡(luò)流量；③當(dāng)客戶端異常斷開網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，具有通知數(shù)據(jù)中心的機(jī)制。MQTT協(xié)議遵循客戶端/服務(wù)器模式。傳感器設(shè)備是使用TCP連接到服務(wù)器的客戶端，將要傳輸?shù)南l(fā)布到類似于文件系統(tǒng)中目錄結(jié)構(gòu)的地址。

2.2 CoAP協(xié)議

CoAP協(xié)議[13]可為有限網(wǎng)絡(luò)中互聯(lián)設(shè)備上的應(yīng)用程序提供框架，由于IoT是RAM節(jié)點(diǎn)少和丟包率高的網(wǎng)絡(luò)，CoAP協(xié)議可解決IoT中的優(yōu)先節(jié)點(diǎn)且傳輸受限。CoA協(xié)議定義了4種類型的消息：可確認(rèn)、不可確認(rèn)、確認(rèn)和重置。①可確認(rèn)(CON)，即需要對目標(biāo)確認(rèn)的消息，當(dāng)不存在數(shù)據(jù)包丟失時(shí)，該類型的每條消息導(dǎo)致確認(rèn)或重置類型的消息；②不可確認(rèn)(NON)，即不需要確認(rèn)接收的消息；③確認(rèn)(N)，即確認(rèn)收到可確認(rèn)消息的消息；④重置，即接收到CON或NON消息，但由于缺乏任何上下文，無法正確處理該消息。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文將IoT技術(shù)應(yīng)用于智能變電站輔助系統(tǒng)中，利用IoT的特點(diǎn)構(gòu)建智能變電站輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了各種IoT應(yīng)用，如視頻監(jiān)控、在線監(jiān)控、安全周界、火災(zāi)監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、紅外成像、巡檢機(jī)器人等，實(shí)現(xiàn)了各種IoT應(yīng)用之間的信息縱向集成、橫向數(shù)據(jù)滲透以及高度集成的服務(wù)，靈活實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用之間的信息共享和數(shù)據(jù)集成。采用大數(shù)據(jù)分析、智能算法、圖像識別等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備儀表的自動抄表、斷路器、隔離開關(guān)合閘狀態(tài)的自動識別、異常報(bào)警的智能分析、檢測任務(wù)的自動開發(fā)，在變電站輔助系統(tǒng)的開發(fā)中，采用MQTT協(xié)議和CoAP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和訪問。

智能變電站輔助系統(tǒng)的IoT采用分層分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)分為四層組成：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和平臺層。傳感器、執(zhí)行器、RFID標(biāo)簽和其他智能終端從感知層連接到IoT；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)目標(biāo)和操作員之間的通信；應(yīng)用層可提供豐富的應(yīng)用程序；平臺層用于云計(jì)算和VR監(jiān)控展示。智能變電站輔助系統(tǒng)的IoT總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 智能變電站輔助系統(tǒng)的IoT總體結(jié)構(gòu)Fig.1 IoT overall structure of intelligent substation auxiliary system

底層子系統(tǒng)采用獨(dú)立組網(wǎng)和獨(dú)立計(jì)算。感知層系統(tǒng)由后端系統(tǒng)和主動傳感設(shè)備組成。其中，后端系統(tǒng)包括智能鎖控制、在線檢測、安全預(yù)防措施和照明控制；主動傳感設(shè)備包括檢測機(jī)器人、環(huán)境檢測和視頻檢測。

網(wǎng)絡(luò)層系統(tǒng)通過MQTT協(xié)議和CoAP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。其中，IoT系統(tǒng)中的消防、安防和燈光控制等傳統(tǒng)變電站輔助設(shè)備通過MQTT協(xié)議通過智能接口設(shè)備與IoT系統(tǒng)進(jìn)行通信。視頻監(jiān)控設(shè)備、檢測機(jī)器人和環(huán)境檢測通過CoAP協(xié)議傳輸。應(yīng)用層系統(tǒng)具有平臺開放共享的輔助系統(tǒng)決策、計(jì)算云邊緣協(xié)作遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)驅(qū)動服務(wù)狀態(tài)診斷和應(yīng)用點(diǎn)播定制安全控制等終端普適性技術(shù)特征。平臺層采用中心計(jì)算與邊緣計(jì)算相結(jié)合的方式，提高了數(shù)據(jù)處理效率，降低了系統(tǒng)中心服務(wù)器的負(fù)載。各子系統(tǒng)和傳感裝置完成前端各種數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算和分析等處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的邊緣化。系統(tǒng)后臺中心服務(wù)器完成變電站虛擬現(xiàn)實(shí)大數(shù)據(jù)的集成、分析和處理，并在中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析。

4 系統(tǒng)開發(fā)

4.1 系統(tǒng)硬件

本文設(shè)計(jì)的硬件由3個(gè)部分組成，如圖2所示。本文創(chuàng)建VR用于智能變電站的監(jiān)視和控制。本文設(shè)計(jì)的VR監(jiān)控系統(tǒng)框架，如圖3所示。其中，NodeMCU基于eLua 開源Lua腳本語言編程的IoT平臺[14]。AWS CLOUD MQTT平臺為不同場景的硬件提供了點(diǎn)對點(diǎn)模式、廣播模式和扇入模式3種MQTT模式[15]。

圖2 硬件配置Fig.2 Hardware configuration

圖3 系統(tǒng)框架Fig.3 System framework

(1)ESP-8266 WiFi模塊。ESP-8266模塊是帶有集成WiFi的微控制器，可通過軟件開發(fā)工具包(SDK)使用Arduino IDE進(jìn)行編程。使用的Arduino版本為1.8.2。集成WiFi可通過傳輸控制協(xié)議(TCP)和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。本文使用ESP-8266模塊的Wemos D1迷你版，其中的Wi-Fi模塊用于虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境中的目標(biāo)(如傳感器和交換機(jī))之間的通信。

(2)ACS712電流傳感器。ACS712電流傳感器使用ACS712電流傳感器對變壓器進(jìn)行精確的電流測量，利用霍爾效應(yīng)檢測模塊輸出(引腳輸出)處產(chǎn)生的電流。

(3)HC-SR501運(yùn)動傳感器。HC-SR501運(yùn)動傳感器使用熱釋電(PIR)傳感器的模塊，能夠檢測變電站各裝置發(fā)出紅外光的變化。HC-SR501運(yùn)動傳感器用于監(jiān)測變壓器附近是否存在異物。

4.2 系統(tǒng)軟件

在變電站的三維場景中監(jiān)控中，本文通過收集溫度、濕度、視頻、變壓器殼體變形等各種傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)聯(lián)動設(shè)備周邊攝像頭、燈光進(jìn)行視頻圖像采集，接收其他系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，并在巡檢完成后生成巡檢報(bào)告。自動監(jiān)控系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 自動監(jiān)控系統(tǒng)流程Fig.4 Automatic monitoring system flow

傳統(tǒng)的變電站數(shù)據(jù)處理是基于集中式核心節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)云計(jì)算模式。然而，云計(jì)算存在實(shí)時(shí)采集和分析變電站大量巡檢設(shè)備數(shù)據(jù)的問題。為了防止集中式節(jié)點(diǎn)成為潛在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，本文采用邊緣計(jì)算模式，利用邊緣節(jié)點(diǎn)獲取網(wǎng)絡(luò)邊緣的傳感節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)的快速響應(yīng)不僅提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，而且降低了系統(tǒng)傳輸?shù)囊蟆１疚脑贗oT環(huán)境中的利用邊緣計(jì)算架構(gòu)處理數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 IoT環(huán)境中的邊緣計(jì)算架構(gòu)Fig.5 Edge computing architecture in the IoT environment

Cloud MQTT是云中的MOSQUITO服務(wù)器。MOSQUITO實(shí)現(xiàn)了MQ遙測傳輸協(xié)議MQTT，該協(xié)議提供了使用發(fā)布/訂閱消息隊(duì)列模型執(zhí)行消息傳遞的輕量級方法。消息隊(duì)列提供了消息的發(fā)送方和接收方不需要同時(shí)與消息隊(duì)列交互的異步通信協(xié)議。存儲在隊(duì)列上的消息將被存儲，直到接收方檢索到消息或消息超時(shí)為止。MQTT和MOSQUITO服務(wù)器適合帶寬傳輸?shù)膽?yīng)用程序使用。CloudMQTT只專注于應(yīng)用程序，而不用額外的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)展代理或修補(bǔ)平臺。CloudMQTT發(fā)布/訂閱消息示圖，如圖6所示。

圖6 CloudMQTT發(fā)布/訂閱消息示圖Fig.6 CloudMQTT Publish/subscribe message diagram

4.3 虛擬現(xiàn)實(shí)

本文開發(fā)基于IoT的智能變電站輔助系統(tǒng)監(jiān)控，使用游戲引擎Unity 3D開發(fā)小型變電站輔助系統(tǒng)VR，如圖7所示。

圖7 小型變電站輔助系統(tǒng)VRFig.7 VR diagram of auxiliary system of small substation

當(dāng)用戶指定VR中具體目標(biāo)時(shí)，通過VR技術(shù)監(jiān)控有關(guān)變壓器耗能以及斷路開關(guān)狀態(tài)的信息。用戶選擇關(guān)閉狀態(tài)和打開狀態(tài)的智能變電站輔助系統(tǒng)VR如圖8所示。

圖8 選擇關(guān)閉、打開狀態(tài)的VRFig.8 VR in off state and open state

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于IoT技術(shù)的變電站監(jiān)控應(yīng)用原型。全面感知和分析變電站電力設(shè)備的狀態(tài)，增加數(shù)據(jù)之間的相互驗(yàn)證，減少誤報(bào)，提高電力設(shè)備狀態(tài)感知的準(zhǔn)確性。通過MQTT協(xié)議和CoAP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，結(jié)合ESP-8266 Wi-Fi模塊提高了信息交換速度并降低帶寬消耗。利用ACS712電流傳感器和HC-SR501運(yùn)動傳感器檢測變電站各裝置的實(shí)時(shí)狀態(tài)，通過VR技術(shù)將監(jiān)控管理信息展現(xiàn)給用戶。將IoT技術(shù)應(yīng)用于變電站輔助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了變電站運(yùn)行管理的智能化和信息化。該方法能夠保證變電站管理運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高了配電網(wǎng)的運(yùn)行效率，為配電網(wǎng)的安全運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。