基于物聯(lián)網(wǎng)的智能監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

淮亞利

安科瑞電氣股份有限公司   上海嘉定   201801

摘要：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將無(wú)線射頻和傳感器兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)結(jié)合在一起，建立了一套將各處分散的電力環(huán)網(wǎng)柜和配電室環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)的電力配網(wǎng)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，這套新型的基于無(wú)線射頻傳感技術(shù)的電力配網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力環(huán)網(wǎng)柜和配電室環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)行環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控和異常情況或故障出現(xiàn)的即時(shí)報(bào)警，從而有效提高了電力配網(wǎng)系統(tǒng)的智能化、數(shù)據(jù)化程度，大力確保了電力配網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。電力配網(wǎng)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的一個(gè)典型應(yīng)用范例，其無(wú)線射頻傳感器和一體化的RFID讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了部署的簡(jiǎn)便快捷(減少了布線工作)和可擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；射頻識(shí)別；傳感器；電力配網(wǎng)設(shè)施；實(shí)時(shí)監(jiān)控

1應(yīng)用背景

        從電纜化供電來(lái)考慮。環(huán)網(wǎng)供電以其經(jīng)濟(jì)性和可靠性成為配電網(wǎng)絡(luò)電纜化的形式，環(huán)網(wǎng)柜和配電室(以下統(tǒng)稱為電力配網(wǎng)設(shè)施)作為城市配電網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備，具有分布廣、數(shù)量大、布點(diǎn)散的特點(diǎn)，設(shè)施周邊環(huán)境復(fù)雜且差異較大，經(jīng)常面臨天氣和突發(fā)事件的考驗(yàn)，因而給戶外巡查工作帶來(lái)了以下難點(diǎn)：①電力配網(wǎng)設(shè)施采用全封閉式設(shè)計(jì)，人工巡檢難度大；②電力配網(wǎng)設(shè)施數(shù)量大，分布散，人工巡檢工作量大；③在遭遇天氣時(shí)很難及時(shí)進(jìn)行人工巡檢；④電力配網(wǎng)設(shè)施到人為破壞時(shí)無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患；⑤無(wú)法實(shí)現(xiàn)電力配網(wǎng)設(shè)施7×24小時(shí)監(jiān)控預(yù)警體系。電力配網(wǎng)設(shè)施涉及用電安全責(zé)任重大，為了保障其運(yùn)行安全，急需配備實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，而傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法在這個(gè)問(wèn)題上存在許多不足之處：①傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)方案主要針對(duì)機(jī)房資產(chǎn)，難以適應(yīng)狹小空間；②傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)方案采用有線傳輸，部署實(shí)施工作量大；③電力配網(wǎng)設(shè)施的強(qiáng)電環(huán)境與傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的機(jī)房環(huán)境差異大；④電力配網(wǎng)設(shè)施的強(qiáng)電環(huán)境對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備、規(guī)劃、實(shí)施要求嚴(yán)苛；⑤電力配網(wǎng)設(shè)施部署環(huán)境影響有線連接方案的穩(wěn)定性。

2物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介

         電信聯(lián)盟(ITU)的報(bào)告指出：物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)、傳感網(wǎng)技術(shù)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，通過(guò)約定的協(xié)議，基于互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行信息采集與傳輸，從而達(dá)到智能化管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?？梢钥吹?，無(wú)線射頻識(shí)別和傳感器是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中兩個(gè)非常重要的核心組成部分。

2．1無(wú)線射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)

       無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)是一種利用射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式數(shù)據(jù)采集技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，其系統(tǒng)一般由閱讀器、應(yīng)答器(電子標(biāo)簽)、傳輸網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件等組成。RFID電子標(biāo)簽具有體積小、容量大、壽命長(zhǎng)、可多次重復(fù)使用等傳統(tǒng)條形碼所不具備的優(yōu)勢(shì)，處理數(shù)據(jù)過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)，可支持快速讀寫(xiě)、非可視識(shí)別、移動(dòng)識(shí)別、多目標(biāo)識(shí)別、定位及長(zhǎng)期跟蹤管理。由此帶來(lái)的成本和節(jié)約和效率的提升，促使射頻識(shí)別技術(shù)成為各個(gè)行業(yè)實(shí)現(xiàn)信息化的重要切入點(diǎn)。

2．2傳感器技術(shù)

      傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)，是傳感網(wǎng)的基本功能節(jié)點(diǎn)。通過(guò)各式各樣功能豐富的傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感網(wǎng)形成了一種全新的信息獲取平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測(cè)對(duì)象的信息，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的范圍內(nèi)的目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤。智能電網(wǎng)建設(shè)中的一個(gè)關(guān)鍵部分就是處于網(wǎng)絡(luò)末端的傳感器，它是實(shí)現(xiàn)智能化*的關(guān)鍵部分，在智能電網(wǎng)中具有廣闊的應(yīng)用空間，在生產(chǎn)安全管理、運(yùn)行維護(hù)、信息采集、安全監(jiān)控、計(jì)量及用戶交互等方面都可以全面提高各環(huán)節(jié)的信息感知深度、廣度以及密度，提高電力系統(tǒng)的智能化程度，促進(jìn)“信息流、業(yè)務(wù)流、電力流的高度融合”的實(shí)現(xiàn)。

3無(wú)線射頻和傳感器技術(shù)的結(jié)合設(shè)計(jì)

3．1無(wú)線射頻傳感器構(gòu)成

       一個(gè)完整的無(wú)線射頻傳感系統(tǒng)由傳感器標(biāo)簽、有源RFID閱讀器、中間件接口和應(yīng)用軟件組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)線射頻傳感技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)

       系統(tǒng)首先通過(guò)底層的傳感器標(biāo)簽采集并定期上傳需要萬(wàn)方數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的各種對(duì)象信息，然后通過(guò)在各個(gè)區(qū)域內(nèi)部署的有源RFID閱讀器接收該區(qū)域內(nèi)所有標(biāo)簽上傳的信息并發(fā)送給后臺(tái)系統(tǒng)接口，由系統(tǒng)中間件對(duì)所有閱讀器上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理后再發(fā)送給特定的應(yīng)用軟件使用。無(wú)線射頻傳感技術(shù)把無(wú)線射頻識(shí)別和傳感器技術(shù)有機(jī)地結(jié)合到了一起，通過(guò)傳感器標(biāo)簽采集各種需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的對(duì)象狀態(tài)信息，同時(shí)通過(guò)射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)閱讀器和傳感器標(biāo)簽之間的快速可靠通信，能夠及時(shí)獲取并上傳所采集到的各類信息。傳感器標(biāo)簽集成了多種傳感器和有RFID電子標(biāo)簽的各項(xiàng)功能，系統(tǒng)可以統(tǒng)一接收并處理各類傳感器(溫度、濕度、漏液、煙感、門(mén)磁、震動(dòng)等)所采集到的信息，能夠?qū)γ荛]空間內(nèi)部的各種環(huán)境條件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電力配網(wǎng)設(shè)施的多角度、信息、全壽命周期管理。

3．2無(wú)線射頻傳感技術(shù)主要特點(diǎn)

       首先，在射頻通信方面，該技術(shù)選擇了433 MHz的超高頻頻段作為系統(tǒng)工作頻率，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)有：①433MHz頻段目前已被絕大多數(shù)國(guó)家所接受；②目前433MHz頻段的使用率還不是很高，選擇這個(gè)頻段可以有效減少?zèng)_突機(jī)會(huì)，而WiFi和Zigbee網(wǎng)絡(luò)所使用的2．4 GHz頻段則常常會(huì)發(fā)生因受干擾而丟失數(shù)據(jù)的情況；③433 MHz電磁波的波長(zhǎng)為70 em，這是比較長(zhǎng)的，很多有源系統(tǒng)采用的2．4GHz頻段波長(zhǎng)只有2．4 cm。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，系統(tǒng)在密集環(huán)境以及金屬和體周圍的表現(xiàn)就越好，可以更好地適應(yīng)環(huán)網(wǎng)柜和配電室應(yīng)用環(huán)境；④工作在433 MHz的一個(gè)無(wú)線射頻閱讀器可以輕松地處理多達(dá)1 400個(gè)傳感器標(biāo)簽而不會(huì)對(duì)射頻傳輸和通信的可靠性有任何降低。其次，在傳感器方面，該技術(shù)把有源RFID標(biāo)簽和傳感器技術(shù)無(wú)縫地融合在一起，形成了一系列具有各式各樣豐富功能的傳感器標(biāo)簽，其技術(shù)特點(diǎn)主要有：①傳感器標(biāo)簽每隔一定時(shí)間(通常為2 s，可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整)向閱讀器發(fā)送一次數(shù)據(jù)，其信號(hào)傳輸距離大可達(dá)90 m，*可以滿足環(huán)網(wǎng)柜和配電室環(huán)境的應(yīng)用需要；②每個(gè)傳感器標(biāo)簽都有一個(gè)8位的身份代碼，用于對(duì)其進(jìn)行標(biāo)識(shí)，同時(shí)還有一個(gè)6位的組別代碼用于標(biāo)識(shí)其傳感類型可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便的統(tǒng)一管理；③傳感器標(biāo)簽外型小巧，可用于多種物體表面，易于安裝和使用；④傳感器標(biāo)簽類型多樣，功能豐富，可以根據(jù)不同應(yīng)用靈活進(jìn)行選擇；⑤傳感器標(biāo)簽采用工業(yè)級(jí)封裝，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；⑥傳感器標(biāo)簽內(nèi)置電池，使用壽命可達(dá)5年并且可以更換，無(wú)需考慮供電問(wèn)題；⑦傳感器標(biāo)簽與閱讀器之間的通信采用無(wú)線傳輸，部署簡(jiǎn)單靈活。

4無(wú)線射頻傳感技術(shù)的電力配網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng) 

       基于無(wú)線射頻傳感技術(shù)的整個(gè)電力配網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。

       對(duì)于電力配網(wǎng)設(shè)施監(jiān)控應(yīng)用來(lái)說(shuō)，根據(jù)環(huán)網(wǎng)柜和配電室的特性，我們?yōu)槊總€(gè)配電設(shè)施選配了以下幾種類型的傳感器 標(biāo)簽用于其狀態(tài)監(jiān)控：①門(mén)磁標(biāo)簽：用于監(jiān)控環(huán)網(wǎng)柜柜門(mén)或配電室房門(mén)的開(kāi)閉狀態(tài)；②溫濕度標(biāo)簽：用于監(jiān)控電力配網(wǎng)設(shè)施內(nèi)不同區(qū)域的溫度和濕度；③液體探測(cè)標(biāo)簽：用于監(jiān)控電力配網(wǎng)設(shè)施內(nèi)是否有液體滲漏；④震動(dòng)標(biāo)簽：用于監(jiān)控電 [5]力配網(wǎng)設(shè)施是否有人為破壞；⑤煙感標(biāo)簽：用于監(jiān)控電力配網(wǎng)設(shè)施內(nèi)是否有煙霧起火現(xiàn)象。

圖2智能電力配網(wǎng)設(shè)施實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

5系統(tǒng)應(yīng)用效益

      電力配網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線射頻傳感技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)網(wǎng)柜和配電室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，保證了運(yùn)行的安全可靠，通過(guò)使用該系統(tǒng)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益主要有：①實(shí)現(xiàn)了所有電力配網(wǎng)設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)的聯(lián)網(wǎng)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效提升了設(shè)施管理的智能化和信息化水平；②實(shí)現(xiàn)了電力配網(wǎng)設(shè)施內(nèi)環(huán)境參數(shù)7 X24小時(shí)的全天候安全監(jiān)測(cè)，有效減少了安全性事故的發(fā)生并提高了事故發(fā)生后的及時(shí)處理能力；③利用電子監(jiān)控替代人工巡檢，大大減少了管理人員的工作量并提高了工作效率，有效降低了電網(wǎng)管理的人力成本和時(shí)間成本；④減少了因滲水、銹蝕、溫度過(guò)高等原因造成的設(shè)備異常損耗，避免了不必要的損失，提高了設(shè)備的可靠性和運(yùn)行壽命；⑤針對(duì)突發(fā)事件實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜故障及時(shí)預(yù)警和全面分析快速定位，真正做到馬上發(fā)現(xiàn)，馬上處理，同時(shí)也大大減少了由于二次設(shè)備故障對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行造成的影響；⑥提升了電力配網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)化運(yùn)維管理水平，實(shí)現(xiàn)了、多角度的智能化管理和監(jiān)督，為智能電網(wǎng)的建設(shè)提供了有力支持。

6安科瑞配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的介紹與選型

6.1簡(jiǎn)介

      安科瑞電氣股份有限公司根據(jù)配電室實(shí)際情況，結(jié)合多年的變電站和配電室的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，了安科瑞配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行監(jiān)控、高壓開(kāi)關(guān)柜帶電顯示、電流電壓等負(fù)載運(yùn)行監(jiān)控、母線測(cè)溫監(jiān)測(cè)、電纜測(cè)溫監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、有害氣體監(jiān)測(cè)、安防監(jiān)控、采暖通風(fēng)、門(mén)禁、燈光、風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)、空調(diào)控制等功能。實(shí)現(xiàn)動(dòng)力環(huán)境各數(shù)據(jù)的檢測(cè)與設(shè)備控制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力環(huán)境優(yōu)化，避免運(yùn)行環(huán)境的失控導(dǎo)致配電設(shè)備運(yùn)行故障，保證維護(hù)人員安全，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，減少配電室粗放式管理導(dǎo)致成本過(guò)高，同時(shí)實(shí)現(xiàn)配電動(dòng)力環(huán)境的分布式遠(yuǎn)程管理。

6.2系統(tǒng)功能

6.2.1 通信管理

       安科瑞智能配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)可以完成對(duì)整個(gè)配電室范圍內(nèi)的通信設(shè)備進(jìn)行管理、添加、刪除、控制和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

6.2.2實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

        安科瑞智能配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面友好，能夠顯示配電室設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電室環(huán)境參數(shù)信息，如視頻、溫度、濕度、漏水/水浸、水位、有害氣體和電參量等。實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警等信息。

6.2.3 數(shù)據(jù)查詢

       在人機(jī)界面中，可以直接查看配電室個(gè)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

6.2.4曲線查詢

       在曲線查詢界面，可以直接查看遙測(cè)參量曲線，包括溫度、濕度、水位、有害氣體、電壓、電流等曲線。

6.2.5運(yùn)行報(bào)表

       查詢配電室內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)表，包括日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表和查詢報(bào)表等。

6.2.6實(shí)時(shí)告警

      科瑞智能配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娛覝囟取穸?、有害氣體、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。告警如右圖所示：

6.2.7 歷史事件查詢

       安科瑞智能配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)Ξa(chǎn)生的所有事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和進(jìn)行歷史追溯、查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

6.2.8 用戶權(quán)限管理

      為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過(guò)用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫(kù)修改等）?？梢远x不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。

6.2.9網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

       安科瑞智能配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?？稍诰€診斷設(shè)備通信狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)能自動(dòng)在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。

6.2.10遙控操作

      安科瑞智能配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作。

6.3Acrel-2000E/B配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)配置選型

7系統(tǒng)未來(lái)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用展望

     未來(lái)隨著系統(tǒng)數(shù)據(jù)的積累，通過(guò)大數(shù)據(jù)的挖掘和分析技術(shù)，將會(huì)產(chǎn)生對(duì)人們生產(chǎn)和生活有更多價(jià)值和幫助的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

      （1）程偉華，陳揚(yáng)，趙琳．基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力環(huán)網(wǎng)柜環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]．電子技術(shù)與軟件工程，2016，                  5(7)：30一31．42．

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      （3）安科瑞Acrel-2000EB配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)2020.04版