基于物联网的智能监控管理系统设计

安科瑞电气股份有限公司   上海嘉定   201801

摘要：利用物联网技术，将无线射频和传感器两项关键技术结合在一起，建立了一套将各处分散的电力环网柜和配电室环境数据实时联网的电力配网环境智能监控系统，这套新型的基于无线射频传感技术的电力配网智能监控系统。实现了对电力环网柜和配电室环境数据的实时采集，实现了对运行环境的远程监控和异常情况或故障出现的即时报警，从而有效提高了电力配网系统的智能化、数据化程度，大力确保了电力配网的安全可靠运行。电力配网环境智能监控系统是物联网技术在智能电网中的一个典型应用范例，其无线射频传感器和一体化的RFID读写器设计实现了部署的简便快捷(减少了布线工作)和可扩展性。

关键词：物联网；射频识别；传感器；电力配网设施；实时监控

 

        从电缆化供电来考虑。环网供电以其经济性和可靠性成为配电网络电缆化的首选形式，环网柜和配电室(以下统称为电力配网设施)作为城市配电网中的关键设备，具有分布广、数量大、布点散的特点，设施周边环境复杂且差异较大，经常面临极端天气和突发事件的考验，因而给户外巡查工作带来了以下难点：①电力配网设施采用全封闭式设计，人工巡检难度大；②电力配网设施数量大，分布散，人工巡检工作量大；③在遭遇极端天气时很难及时进行人工巡检；④电力配网设施到人为破坏时无法及时发现隐患；⑤无法实现电力配网设施7×24小时监控预警体系。电力配网设施涉及用电安全责任重大，为了保障其运行安全，急需配备实时在线监测预警系统，而传统监测方法在这个问题上存在许多不足之处：①传统环境监测方案主要针对机房资产，难以适应狭小空间；②传统环境监测方案采用有线传输，部署实施工作量大；③电力配网设施的强电环境与传统环境监测的机房环境差异大；④电力配网设施的强电环境对环境监测系统设备、规划、实施要求严苛；⑤电力配网设施部署环境极大影响有线连接方案的稳定性。

         国际电信联盟(ITU)的权威报告指出：物联网是通过无线射频识别技术(RFID)、传感网技术、全球卫星定位系统(GPS)、激光扫描器等信息传感设备，通过约定的协议，基于互联网平台进行信息采集与传输，从而达到智能化管理的一种网络技术。可以看到，无线射频识别和传感器是物联网技术中两个非常重要的核心组成部分。

       无线射频识别技术是一种利用射频通信实现的非接触式数据采集技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，其系统一般由阅读器、应答器(电子标签)、传输网络和应用软件等组成。RFID电子标签具有体积小、容量大、寿命长、可多次重复使用等传统条形码所不具备的优势，处理数据过程无需人工干预，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。由此带来的成本和节约和效率的提升，促使射频识别技术成为各个行业实现信息化的重要切入点。

      传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，是传感网的基本功能节点。通过各式各样功能丰富的传感器节点，传感网形成了一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，以实现复杂的指定范围内的目标检测与跟踪。智能电网建设中的一个关键部分就是处于网络末端的传感器，它是实现智能化不可或缺的关键部分，在智能电网中具有广阔的应用空间，在生产安全管理、运行维护、信息采集、安全监控、计量及用户交互等方面都可以全面提高各环节的信息感知深度、广度以及密度，提高电力系统的智能化程度，促进“信息流、业务流、电力流的高度融合”的实现。

       一个完整的无线射频传感系统由传感器标签、有源RFID阅读器、中间件接口和应用软件组成，系统架构如图1所示。

图1 无线射频传感技术系统架构

       系统首先通过底层的传感器标签采集并定期上传需要万方数据监测的各种对象信息，然后通过在各个区域内部署的有源RFID阅读器接收该区域内所有标签上传的信息并发送给后台系统接口，由系统中间件对所有阅读器上传的数据进行统一处理后再发送给特定的应用软件使用。无线射频传感技术把无线射频识别和传感器技术有机地结合到了一起，通过传感器标签采集各种需要进行监测的对象状态信息，同时通过射频技术实现阅读器和传感器标签之间的快速可靠通信，能够及时获取并上传所采集到的各类信息。传感器标签集成了多种传感器和有RFID电子标签的各项功能，系统可以统一接收并处理各类传感器(温度、湿度、漏液、烟感、门磁、震动等)所采集到的信息，能够对密闭空间内部的各种环境条件进行实时监控，从而实现对电力配网设施的多角度、全方位信息、全寿命周期管理。

       首先，在射频通信方面，该技术选择了433 MHz的超高频频段作为系统工作频率，其技术优势主要体现有：①433MHz频段目前已被全球绝大多数国家所接受；②目前433MHz频段的使用率还不是很高，选择这个频段可以有效减少冲突机会，而WiFi和Zigbee网络所使用的2．4 GHz频段则常常会发生因受干扰而丢失数据的情况；③433 MHz电磁波的波长为70 em，这是比较长的，很多有源系统采用的2．4GHz频段波长只有2．4 cm。波长越长，系统在密集环境以及金属和体周围的表现就越好，可以更好地适应环网柜和配电室应用环境；④工作在433 MHz的一个无线射频阅读器可以轻松地处理多达1 400个传感器标签而不会对射频传输和通信的可靠性有任何降低。其次，在传感器方面，该技术把有源RFID标签和传感器技术无缝地融合在一起，形成了一系列具有各式各样丰富功能的传感器标签，其技术特点主要有：①传感器标签每隔一定时间(通常为2 s，可根据需要进行调整)向阅读器发送一次数据，其信号传输距离最大可达90 m，完全可以满足环网柜和配电室环境的应用需要；②每个传感器标签都有一个8位的身份代码，用于对其进行标识，同时还有一个6位的组别代码用于标识其传感类型可以实现简单方便的统一管理；③传感器标签外型小巧，可用于多种物体表面，易于安装和使用；④传感器标签类型多样，功能丰富，可以根据不同应用灵活进行选择；⑤传感器标签采用工业级封装，环境适应性强；⑥传感器标签内置电池，使用寿命可达5年并且可以更换，无需考虑供电问题；⑦传感器标签与阅读器之间的通信采用无线传输，部署简单灵活。

       基于无线射频传感技术的整个电力配网智能监控系统的构成如图2所示。

       对于电力配网设施监控应用来说，根据环网柜和配电室的特性，我们为每个配电设施选配了以下几种类型的传感器 标签用于其状态监控：①门磁标签：用于监控环网柜柜门或配电室房门的开闭状态；②温湿度标签：用于监控电力配网设施内不同区域的温度和湿度；③液体探测标签：用于监控电力配网设施内是否有液体渗漏；④震动标签：用于监控电 [5]力配网设施是否有人为破坏；⑤烟感标签：用于监控电力配网设施内是否有烟雾起火现象。

图2智能电力配网设施实时监控系统构成

      电力配网智能监控系统通过无线射频传感技术成功实现了对环网柜和配电室内环境数据的实时采集和联网，实现了环境的远程监测，保证了运行的安全可靠，通过使用该系统所带来的经济效益和社会效益主要有：①实现了所有电力配网设施运行状态的联网在线实时监测，有效提升了设施管理的智能化和信息化水平；②实现了电力配网设施内环境参数7 X24小时的全天候安全监测，有效减少了安全性事故的发生并提高了事故发生后的及时处理能力；③利用电子监控替代人工巡检，大大减少了管理人员的工作量并提高了工作效率，有效降低了电网管理的人力成本和时间成本；④减少了因渗水、锈蚀、温度过高等原因造成的设备异常损耗，避免了不必要的损失，提高了设备的可靠性和运行寿命；⑤针对突发事件实现环网柜故障及时预警和全面分析快速定位，真正做到马上发现，马上处理，同时也大大减少了由于二次设备故障对电网运行造成的影响；⑥提升了电力配网系统的数据化运维管理水平，实现了全方位、多角度的智能化管理和监督，为智能电网的建设提供了有力支持。

      安科瑞电气股份有限公司根据配电室实际情况，结合多年的变电站和配电室的运行管理经验，自主研发了安科瑞配电室综合监控系统，实现了智能开关柜运行监控、高压开关柜带电显示、电流电压等负载运行监控、母线测温监测、电缆测温监测、环境监测、有害气体监测、安防监控、采暖通风、门禁、灯光、风机、除湿机、空调控制等功能。实现动力环境各数据的检测与设备控制，实现动力环境优化，避免运行环境的失控导致配电设备运行故障，保证维护人员安全，延长设备使用寿命，减少配电室粗放式管理导致成本过高，同时实现配电动力环境的分布式远程管理。

       安科瑞智能配电室综合监控系统可以完成对整个配电室范围内的通信设备进行管理、添加、删除、控制和数据的实时监测。

        安科瑞智能配电室综合监控系统人机界面友好，能够显示配电室设备的运行状态，实时监测配电室环境参数信息，如视频、温度、湿度、漏水/水浸、水位、有害气体和电参量等。实时显示有关故障、告警等信息。

       在人机界面中，可以直接查看配电室个设备的运行数据。

       在曲线查询界面，可以直接查看遥测参量曲线，包括温度、湿度、水位、有害气体、电压、电流等曲线。

       查询配电室内设备的运行数据报表，包括日报表、月报表、年报表和查询报表等。

      科瑞智能配电室综合监控系统具有实时告警功能，系统能够对配电室温度、湿度、有害气体、设备故障或通信故障等事件发出告警。告警如右图所示：

       安科瑞智能配电室综合监控系统能够对产生的所有事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和进行历史追溯、查询统计、事故分析。

      为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控的操作，数据库修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

       安科瑞智能配电室综合监控系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构。可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

      安科瑞智能配电室综合监控系统可以对整个配电系统范围内的设备进行远程遥控操作。

     未来随着系统数据的积累，通过大数据的挖掘和分析技术，将会产生对人们生产和生活有更多价值和帮助的应用。

      （1）程伟华，陈扬，赵琳．基于物联网技术的电力环网柜环境监控系统设计与应用[J]．电子技术与软件工程，2016，                  5(7)：30一31．42．

      （2）刘德山．物联网技术在电力配网智能监控管理中的应用[J]．四川建材

      （3）安科瑞Acrel-2000EB配电室综合监控系统2020.04版

       沈亚峰，男，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事配电室环境监测系统的研发与应用。手机：15021503793（微信同号）  QQ:2885009792  邮箱：2885009792qq.com