林谷琛，李文波

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕頭供電局，廣東汕頭，515041）

1 變電站內(nèi)端子箱和機(jī)構(gòu)箱智能監(jiān)控的必要性

端子箱、匯控柜、機(jī)構(gòu)箱等箱體是變電站的重要設(shè)備，起到動(dòng)力、控制、測(cè)量和保護(hù)作用。在大風(fēng)雨雪天氣下，變電站端子箱和機(jī)構(gòu)箱由于機(jī)械磨損、損壞、鎖不可靠等各種原因進(jìn)水，導(dǎo)致箱內(nèi)二次回路絕緣水平降低，回路短路或開(kāi)路，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸨Ｗo(hù)誤動(dòng)作，引發(fā)變電站大面積停電事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失以及社會(huì)不良影響。

常規(guī)變電站端子箱和機(jī)構(gòu)箱內(nèi)部均裝設(shè)了離線的溫濕度傳感及加熱、除濕裝置；傳統(tǒng)的設(shè)備故障處理方式為設(shè)備出現(xiàn)故障后，需要由工作人員進(jìn)行故障位置判斷和故障排查，檢查加熱器的一般方法是用手感知加熱器的溫度。

該方法存在以下缺點(diǎn)：一是檢查“加熱器”時(shí)間長(zhǎng)且流程復(fù)雜；二是檢查過(guò)程存在觸電風(fēng)險(xiǎn)；三是檢查過(guò)程存在燙傷風(fēng)險(xiǎn)[1]。因此，在人力成本高的情況下如何提升管理的信息化建設(shè)，成為現(xiàn)有技術(shù)中要解決的主要問(wèn)題。

目前較為成熟的端子箱在線態(tài)勢(shì)感知方案一般包括硬件和配套的云系統(tǒng)；硬件包括配套的溫濕度傳感及加熱、除濕裝置；云系統(tǒng)為阿里云、騰訊云或是第三方企業(yè)自建云；

現(xiàn)有的系統(tǒng)內(nèi)各類端子箱、電纜溝態(tài)勢(shì)感知存在如下問(wèn)題：

（1）因電力企業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全的原因，基本處于停用狀態(tài)；

（2）兼容性差，往往只兼容本廠家的硬件，若要兼容其他廠家的硬件，造價(jià)高；

本文針對(duì)上述情況提出一種部署于電力企業(yè)內(nèi)部及時(shí)通訊平臺(tái)的變電站內(nèi)端子箱和機(jī)構(gòu)箱的智能監(jiān)控方法及裝置，可以將測(cè)量到的溫度、濕度等數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上傳至電力企業(yè)內(nèi)部移動(dòng)應(yīng)用平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站內(nèi)端子箱和機(jī)構(gòu)箱的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)存在的故障信息的及時(shí)上報(bào)，這樣運(yùn)行維護(hù)人員不必到現(xiàn)場(chǎng)檢查，就可判斷加熱器是否正常工作，而且更加快速、準(zhǔn)確、安全，進(jìn)而提高故障處理效率，降低管理成本。微環(huán)境監(jiān)測(cè)架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 微環(huán)境監(jiān)測(cè)架構(gòu)圖

2 變電站內(nèi)端子箱和機(jī)構(gòu)箱的智能監(jiān)控方法及裝置設(shè)計(jì)

■2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

變電站內(nèi)端子箱和機(jī)構(gòu)箱的智能監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用一個(gè)中心多個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的分層、分級(jí)管理模式，設(shè)置一個(gè)監(jiān)控中心，該中心與各個(gè)受控點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息采集處理器之間利用現(xiàn)有資源組建一個(gè)通信監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)由監(jiān)控中心集中采集、監(jiān)控、處理各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息的功能。變電站作為一個(gè)獨(dú)立監(jiān)控的對(duì)象，安裝信息采集處理器，負(fù)責(zé)接收和處理變電站內(nèi)各類傳感器的數(shù)據(jù)，使用戶能夠?qū)崟r(shí)獲取所需要的信息，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控LoRa 節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)變電站內(nèi)設(shè)備綁定的溫濕度傳感器、氣味傳感器以及柜門開(kāi)合傳感器等，能實(shí)時(shí)上報(bào)所在環(huán)境溫濕度、氣味、柜門開(kāi)合狀態(tài)等數(shù)據(jù)，完成無(wú)線自組傳感器網(wǎng)絡(luò)與站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的互連，與站區(qū)內(nèi)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

LoRa 網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集器對(duì)應(yīng)站區(qū)內(nèi)的網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)等，作為數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，通過(guò)LoRa 無(wú)線通信技術(shù)將各個(gè)監(jiān)控LoRa 節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息匯集在站端交換機(jī)上并與監(jiān)控中心服務(wù)器進(jìn)行交換，然后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上傳至監(jiān)控中心服務(wù)器上。

監(jiān)控中心服務(wù)器對(duì)應(yīng)該套系統(tǒng)的服務(wù)器平臺(tái)，即實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備數(shù)據(jù)的提取和查看的服務(wù)器或設(shè)備。

■2.2 傳感器

本設(shè)計(jì)所使用的智能溫度濕度采集器等傳感器的核心采用高性能低功耗的嵌入式單片機(jī)，搭配LoRa 基帶芯片構(gòu)成，外圍傳感器根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和數(shù)據(jù)采集精度的要求搭配不同的溫度濕度傳感器。

嵌入式單片機(jī)主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)溫度濕度等傳感器采集數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)LoRa 基帶芯片，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通訊技術(shù)上傳給LoRa 網(wǎng)關(guān)設(shè)備。數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備后經(jīng)由公網(wǎng)傳送到服務(wù)器。服務(wù)器再通過(guò)云服務(wù)將數(shù)據(jù)消息推送給手機(jī)端的APP，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

此外，嵌入式單片機(jī)還預(yù)留出一定的通用接口，便于后續(xù)的其他傳感器的加入。

■2.3 LoRa 微功率無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

本設(shè)計(jì)采用LoRa 微功率無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)作為傳感器數(shù)據(jù)采集和上傳。

LoRa (Long Range Radio) 是低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)中的一種技術(shù)，采用線性跳頻脈沖系統(tǒng)(Chirp)，利用線性跳頻脈沖調(diào)制信號(hào)，擴(kuò)展通信信號(hào)頻譜帶寬，以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻通信，并獲得較好的抗干擾性能[2]。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中低功耗、遠(yuǎn)距離無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)起著至關(guān)重要的地位，與其它無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)相比較，基于LoRa 的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可以適應(yīng)更遠(yuǎn)距離、低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合。

變電站物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)采用LoRa 微功率無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）功耗低。傳感器需要電池供電，而且變電站設(shè)備繁多，若功耗過(guò)高則需頻繁且大量更換電池，加大了運(yùn)維成本。除此之外，傳感器單次傳輸數(shù)據(jù)量極小，且傳輸頻次低，LoRa 微功率無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)正好適用于這種情況。

（2）網(wǎng)絡(luò)安全性高。電力系統(tǒng)作為國(guó)家能源支柱行業(yè)對(duì)內(nèi)外網(wǎng)有嚴(yán)格的隔離要求，跟電力生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)不能走公網(wǎng)。通過(guò)LoRa 網(wǎng)絡(luò)，變電站可以搭建自己的物聯(lián)網(wǎng)私有網(wǎng)絡(luò)。除此之外，LoRa 網(wǎng)絡(luò)還具有雙向認(rèn)證、完整性校驗(yàn)和保密機(jī)制來(lái)保障安全性[3]。

（3）覆蓋廣。LoRa 微功率無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)長(zhǎng)距離通信和抗干擾性高的特點(diǎn)，使得LoRa 網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集器完全能滿足變電所內(nèi)信號(hào)全覆蓋。

■2.4 服務(wù)器平臺(tái)及移動(dòng)終端功能的實(shí)現(xiàn)

2.4.1 服務(wù)器平臺(tái)功能的實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器平臺(tái)通過(guò)接收各個(gè)站端監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，整理匯集后向各級(jí)終端發(fā)出信息推送并在各級(jí)終端顯示。

各級(jí)終端上可實(shí)時(shí)顯示端子箱和機(jī)構(gòu)箱的運(yùn)行信息，便于運(yùn)維人員實(shí)時(shí)知悉設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。采集的數(shù)據(jù)可運(yùn)用于大數(shù)據(jù)分析，以發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障及老化規(guī)律。終端還支持報(bào)警功能?？梢栽诮K端上對(duì)必要的數(shù)據(jù)設(shè)置一定的閥值，服務(wù)器將實(shí)時(shí)與實(shí)際運(yùn)行信息以及閥值信息進(jìn)行比對(duì)，超出閥值時(shí)將會(huì)生成報(bào)警信息，并將報(bào)警信息反饋至各級(jí)終端進(jìn)行報(bào)警顯示。此外，終端上還支持搜索功能，對(duì)具體站點(diǎn)、具體位置或者傳感器編號(hào)進(jìn)行搜索，以便于快速獲取實(shí)時(shí)信息或者歷史報(bào)警信息。

服務(wù)器平臺(tái)的開(kāi)發(fā)使用Python+djiango 框架。python 十分貼近自然語(yǔ)言，易學(xué)易用，十分方便開(kāi)發(fā)和后期維護(hù)。Python 相關(guān)資源幾乎完全免費(fèi)開(kāi)源，強(qiáng)大的技術(shù)生態(tài)為項(xiàng)目提供了有力保障，且成本低廉。python 內(nèi)置的許多特性，也降低了開(kāi)發(fā)人員的開(kāi)發(fā)負(fù)擔(dān)，比如自動(dòng)內(nèi)存管理，完全屏蔽了C++的手動(dòng)內(nèi)存管理的缺陷，使得開(kāi)發(fā)人員只需專注于業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。Djiango 作為python 領(lǐng)域最好用的框架，同樣具備簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)。比如其內(nèi)置contrib，不用寫一行代碼就可以搭建完整的后臺(tái)管理界面。另外Djiango 具備完備的錯(cuò)誤提示設(shè)計(jì)，支持插拔，解耦做到了極致，大為提高了系統(tǒng)的健壯性和可維護(hù)性。

數(shù)據(jù)庫(kù)則選用MySQL。MySQL 體積小、速度快、成本低、支持多線程、支持多種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、開(kāi)放源代碼、跨平臺(tái)特性優(yōu)越。

服務(wù)器端消息推送依賴消息隊(duì)列服務(wù)，選用apscheduler模塊實(shí)現(xiàn)。apscheduler 最大的優(yōu)勢(shì)是插件化思想和抽象出接口，策略與不同實(shí)現(xiàn)機(jī)制分離，十分契合服務(wù)器平臺(tái)開(kāi)發(fā)中的技術(shù)選型思想，有利于持續(xù)迭代和后期維護(hù)。

2.4.2 移動(dòng)終端功能的實(shí)現(xiàn)

各級(jí)終端還包括移動(dòng)終端。本設(shè)計(jì)提供了一種基于電力企業(yè)內(nèi)部即時(shí)通訊平臺(tái)的移動(dòng)應(yīng)用，使得這套智能監(jiān)控裝置能夠接入現(xiàn)有的移動(dòng)應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)時(shí)向手機(jī)端推送數(shù)據(jù)，可以方便的調(diào)取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。移動(dòng)終端智能監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖3 所示。

圖3 移動(dòng)終端智能監(jiān)控系統(tǒng)

在移動(dòng)終端上同樣具備閥值設(shè)置和報(bào)警功能。在日常工作中，即使人員不在電腦前，也能通過(guò)手機(jī)登錄移動(dòng)終端智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)查看變電站內(nèi)所有箱體的溫度和濕度等箱體運(yùn)行情況，隨時(shí)可根據(jù)設(shè)備運(yùn)維需要對(duì)設(shè)備相關(guān)的閥值設(shè)置進(jìn)行修改（如圖4 所示），同時(shí)也能及時(shí)接收到報(bào)警推送消息，方便運(yùn)維人員進(jìn)行相應(yīng)的緊急處置。如圖5 所示，智能監(jiān)控系統(tǒng)還支持報(bào)警處理記錄功能，運(yùn)維人員可對(duì)每次報(bào)警的處理結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和圖片上傳，為后續(xù)對(duì)歷史故障情況的統(tǒng)計(jì)與分析提供支撐。

圖4 報(bào)警閥值設(shè)置界面

圖5 報(bào)警處理界面

由于傳感器上嵌入式單片機(jī)預(yù)留的通用接口以及LoRaWan 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通用性，變電站內(nèi)端子箱和機(jī)構(gòu)箱智能監(jiān)控裝置還支持進(jìn)一步擴(kuò)展功能。

移動(dòng)終端的開(kāi)發(fā)通過(guò)前端框架BUI、前端開(kāi)發(fā)語(yǔ)言JavaScript、HTML5 和層疊樣式表CSS3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)。BUI是可用來(lái)快速構(gòu)建交互界面的前端框架。使用該框架開(kāi)發(fā)者只需要進(jìn)行業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)，無(wú)需關(guān)心功能代碼編寫、樣式調(diào)整和跨平臺(tái)兼容等問(wèn)題，可同時(shí)支持微信公眾號(hào),微信小程序webview,聆客,釘釘,淘寶,支付寶等嵌入場(chǎng)景。還可以配合其他類庫(kù)（比如,Cordova,APICloud,Appcan 等)進(jìn)行混合開(kāi)發(fā)以兼顧性能和開(kāi)發(fā)成本。JavaScript、HTML5 和CSS3 主要用于補(bǔ)充BUI 所不能滿足的業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

3 結(jié)論

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與變電運(yùn)維技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種變電站內(nèi)端子箱和機(jī)構(gòu)箱的智能監(jiān)控方法和裝置，通過(guò)構(gòu)建變電站短距離無(wú)線自主網(wǎng)，以LoRaWan 網(wǎng)絡(luò)穿透式傳輸至變電站監(jiān)測(cè)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)全站非敏感數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，從而掌握設(shè)備實(shí)時(shí)的溫度、濕度、水位等微環(huán)境情況。此外，還開(kāi)發(fā)了一款基于電力企業(yè)內(nèi)部即時(shí)通訊平臺(tái)的移動(dòng)運(yùn)維APP，實(shí)時(shí)推送報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)變電站運(yùn)維人員移動(dòng)式運(yùn)維作業(yè)，以此來(lái)解決變電站設(shè)備環(huán)境輔助監(jiān)測(cè)盲點(diǎn)的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)端子箱、電纜溝運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警的智能化遠(yuǎn)程運(yùn)維。