基于NB-IoT無線網(wǎng)絡的變電站設備過熱點跟蹤系統(tǒng)設計

鮑 智 恩

(國網(wǎng)福建省電力有限公司 福州市長樂區(qū)供電公司, 福建 福州 350100)

0 引 言

隨著國家電網(wǎng)的大力發(fā)展,建設了越來越多的無人值守變電站來滿足社會、居民的可靠供電。目前,無人值守變電站只有對重要設備設置溫度的實時監(jiān)控(例如變壓器),而其他設備的溫度監(jiān)測主要是變電站運維人員的周期巡檢,當變電站運維人員發(fā)現(xiàn)設備過熱點時,后期無法對其進行實時的監(jiān)測跟蹤[1],需要等到下一輪的巡視再進行設備測溫,但在這期間設備的過熱點溫度有可能將繼續(xù)上升,甚至超過設備的耐受范圍,從而損壞設備,導致大面積停電。根據(jù)變電站的運維狀況,本文設計了一套溫度跟蹤系統(tǒng)來實時監(jiān)測無人值守變電站設備的過熱點,達到及時發(fā)現(xiàn)并排除故障的目的,從而保證電力系統(tǒng)的可靠運行[2-4]。

1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)收發(fā)軟件、數(shù)據(jù)采集器組成。數(shù)據(jù)采集器主要應用紅外測溫技術來實現(xiàn)與高壓設備的絕緣隔離[4-7];數(shù)據(jù)采集器和服務器的通信采用NB-IoT無線網(wǎng)絡通信來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集器的靈活安裝;服務器數(shù)據(jù)接收軟件將收集的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)庫在內網(wǎng)中是可以安全共享的,這樣客戶端軟件也能夠在內網(wǎng)中查詢相應變電站的設備發(fā)熱情況。變電站設備過熱跟蹤系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 變電站設備過熱跟蹤系統(tǒng)方案

該系統(tǒng)的優(yōu)勢有:① 紅外測溫技術使得數(shù)據(jù)采集器與高壓設備的安全隔離;② 應用NB-IoT無線技術通信,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集器的靈活安裝和收回;③ 服務器收發(fā)軟件和數(shù)據(jù)庫構成的模式,可以實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的遠程查看,節(jié)省運維人員的時間[4-7]。

2 數(shù)據(jù)采集器

2.1 數(shù)據(jù)采集器的硬件設計

數(shù)據(jù)采集的硬件設計主要包括電源管理、NB-IoT無線通信模塊、紅外溫度傳感器、環(huán)境溫度傳感器以及顯示模塊。

數(shù)據(jù)采集器是在變電站一次設備發(fā)現(xiàn)過熱點時,布置在現(xiàn)場對過熱點進行實時監(jiān)測,考慮取源的便捷性問題采用鋰電池供電,這樣可以添加數(shù)據(jù)采集器安裝的靈活性[7]。

數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)主要有環(huán)境溫濕度以及通過紅外測溫測得的設備表面溫度。對于電氣設備來說,周圍環(huán)境溫濕度會影響設備的穩(wěn)定運行,所以了解溫濕度狀況是非常有必要的。本文環(huán)境溫濕度采集模塊采用SHT11數(shù)字傳感器,紅外溫度傳感器采用MLX90614,傳感器溫度范圍為-40～125 ℃,測量物體溫度范圍為-70～380 ℃,溫度分辨率為0.02 ℃。

本文采用ME3616無線通信模塊,NB-IoT制式下,該模塊可以提供最大66 kb/s上行速率和34 kb/s下行速率。通常變電運維人員最長需要兩周為一個周期巡視變電站,因此要考慮數(shù)據(jù)采集器低功耗模式。ME3616無線通信模塊具備了省電模式,模塊在省電期間功耗僅4 μA,此時模塊處于網(wǎng)絡非連接狀態(tài),不接收任何網(wǎng)絡尋呼。對于網(wǎng)絡側來說,模塊此時是不可達的離線狀態(tài),此時需要通過模塊的專有引腳去喚醒模塊。ME3616硬件設計如圖2所示。

圖2 ME3616硬件設計

ME3616無線通信模塊要注意通信引腳的電平變換設計,該模塊自身的電平為1.8 V,而大部分的主控芯片電平為3.3 V以上。天線是一個敏感器件,容易受到外部環(huán)境的影響。模塊尺寸、天線位置、占用空間大小以及周圍的接地等情況均可能影響天線性能。此外,連接天線的射頻電纜及固定天線的位置也會影響天線性能。因此在天線的設計上應預留雙L型電路匹配以提高射頻性能[7]。

2.2 數(shù)據(jù)采集器的軟件設計

數(shù)據(jù)采集模塊主要實現(xiàn)紅外測溫溫度采集、環(huán)境溫度溫度采集、溫度數(shù)據(jù)上傳及溫度顯示。數(shù)據(jù)采集器軟件流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集器軟件流程

采集器上電之后,首先對單片的UART、IO口、中斷、傳感器芯片等資源進行初始化設置[4-7]。數(shù)據(jù)采集器主要完成3項工作:ME3616無線通信模塊的控制、環(huán)境和設備過熱點的溫度采集、溫度顯示的交互[4]。

其中,ME3616無線通信模塊的控制主要包括模塊初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、進入省電模式。模塊的初始化主要通過ME3616的POWER_ON引腳實現(xiàn)開機,利用AT指令進行聯(lián)網(wǎng),初始化成功后,通過UDP網(wǎng)絡通信協(xié)議將溫度數(shù)據(jù)上送到服務器。數(shù)據(jù)采集器是間隔10 min采集一次溫度數(shù)據(jù),在等待采集數(shù)據(jù)期間需要控制ME3616模塊進入省電模式,通過AT指令AT+CPSMS、AT+ZSLR、AT*MNBIOTRAI=1/2可以快速進入省電模式。當需要再次發(fā)送數(shù)據(jù)時可通過POWER_ON管腳或WAKEUP_IN管腳下降沿主動將模塊從省電模式中喚醒。

3 服務器軟件和客戶端軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)收發(fā)軟件設計

數(shù)據(jù)收發(fā)軟件其實就是端口監(jiān)聽的程序,數(shù)據(jù)監(jiān)測終端采用UDP網(wǎng)絡通信協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到該服務器的端口,數(shù)據(jù)收發(fā)軟件接收這些數(shù)據(jù)并解讀,最后存入數(shù)據(jù)庫中[7]。數(shù)據(jù)收發(fā)軟件多線程流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)收發(fā)軟件多線程流程圖

數(shù)據(jù)收發(fā)軟件需要進行數(shù)據(jù)接收和處理,面對大量的數(shù)據(jù)監(jiān)測終端,需要該程序處理速度足夠快,除了提高計算機的性能外,還可以利用多線程來處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫結構圖如圖5所示。由圖可知,該程序主要由兩條線程組成。首先開啟一個監(jiān)聽線程,接收數(shù)據(jù)監(jiān)測終端發(fā)送上來的數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)高效的服務,該監(jiān)聽線程不做具體的業(yè)務處理,以避免耗時的業(yè)務處理(數(shù)據(jù)庫/磁盤等操作都可認為是耗時操作)導致接收線程阻塞降低網(wǎng)絡吞吐量。因此,需要再開啟一個數(shù)據(jù)處理線程,專門進行耗時的業(yè)務處理。線程間的通信有多種方式,本文采用事件和消息隊列的方法實現(xiàn)[7]。

圖5 數(shù)據(jù)庫結構圖

3.2 數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)庫是一個數(shù)據(jù)集合,即長期存放數(shù)據(jù)的地方,該數(shù)據(jù)集合是有組織并且可以共享數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)組織、描述和儲存一般都按照相關的數(shù)據(jù)模型進行。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)具有較小冗余度、高的數(shù)據(jù)獨立性和易擴展性,可以為不同的用戶共享使用。實際上,人們所認為的數(shù)據(jù)庫是指數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS),數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要是管理數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的軟件系統(tǒng),是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心組成部分,通過該系統(tǒng)軟件用戶可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的定義、查詢、更新以及其他各種操作[4-7]。本文采用的是Microsoft SQL Server2008數(shù)據(jù)庫,該數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)局域網(wǎng)的共享,客戶端軟件可以直接訪問相關數(shù)據(jù),實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程查看。針對系統(tǒng)的需求,本文所設計的數(shù)據(jù)庫結構圖如圖5所示。

由圖5可知,該數(shù)據(jù)庫由3張表組成:yy_substation是用來存儲不同區(qū)域和不同變電站的表格;yy_dev是用來數(shù)據(jù)采集器信息的表格;yy_temp是用來存儲溫度數(shù)據(jù)的表格。各個表格設定一定的表關聯(lián),表關聯(lián)是指數(shù)據(jù)庫中的兩個數(shù)據(jù)表之間使用指定的字段實現(xiàn)數(shù)據(jù)表的連接,這兩個字段必須是同種數(shù)據(jù)類型。表關聯(lián)可以減少相同的數(shù)據(jù)多次存儲,從而減少數(shù)據(jù)量的存儲。

3.3 客戶端軟件設計

客戶端軟件需要提供設備和區(qū)域信息的管理、數(shù)據(jù)查看、曲線數(shù)據(jù)等?？蛻舳塑浖蚣苋鐖D6所示。

圖6 客戶端軟件框架

4 結 語

本文完成了數(shù)據(jù)采集器、服務器和客戶端的軟件設計,并對系統(tǒng)進行了測試。測試結果驗證了系統(tǒng)的可行性,該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對變電站設備過熱點的實時跟蹤,減輕了變電站值班人員的工作量,降低巡視維護成本,具有較好的實際應用價值。