國網河南省電力公司直流中心 修藝源 張藝博 楊樂 張晨曦 金明輝 李小蓓

1 基于物聯網的SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)原理

1.1 物聯網技術原理

隨著時代的進步發(fā)展，我國物聯網發(fā)展趨勢也愈發(fā)多元化，物聯網廣泛應用于社會工業(yè)、家居、醫(yī)療等諸多領域。各個領域也在積極研發(fā)適用于其發(fā)展、滿足時代發(fā)展趨勢的物聯網系統(tǒng)。雖然各個領域研究開發(fā)點需要依托不同主體，應用場景、管理模式也各不相同，但是所采用的物聯網系統(tǒng)、所實現的功能大體類似，均是依靠物聯網系統(tǒng)的移動通信技術、互聯網技術、傳感器技術達成數據分析、業(yè)務應用、信息采集、數據交互等功能。由此，立足于信息處理、應用、生產性原則，即可將物聯網大致劃分為感知層、傳輸層、應用層。物聯網是信息感知的應用基礎，電力系統(tǒng)為物聯網技術的應用提供了更為廣闊的發(fā)展空間，物聯網技術也廣泛應用于電力檢測諸多方面。

1.2 SF6在線監(jiān)測技術原理

SF6在線監(jiān)測技術原理主要包括電化學檢測、電擊穿檢測、氣相色譜檢測、激光紅外成像法、非分散紅外線技術等，此類檢測原理在靈敏度、檢測效率、準確率、造價成本等方面各有優(yōu)缺點，但是均不適用于SF6的氣體精確在線測量[1]。

電化學檢測方法主要是通過待測氣體同其他物質進行充分的氧化還原反應，從而產生大電流，對氣體濃度進行檢測，而后利用SF6的不導電性質，將兩個導電板均放置于氣體中，逐步施加電壓，再進行測量兩導體之間變化，從而判斷SF6氣體。電化學檢測方法優(yōu)勢是造價低，壽命長，但是分解產物干擾問題仍然存在，精度不高。

電擊穿檢測法是在氣體中逐步施加電壓，對兩導體電壓的變化進行系統(tǒng)測量，再判斷SF6氣體。該方法極易受到溫度的影響，誤差較大，不確定性也較大，相關傳感器使用壽命也較短。

氣相色譜檢測法主要通過SF6氣體，將固定相和流動相的色譜柱分為不同的分配系數，通過適當運動，促使不同氣體得以分離，再借助記錄器和檢測器，將氣體各組分色譜吸收峰圖予以顯現出來，并實時記錄，以此分析SF6氣體。該方法效率較高，可以同時監(jiān)測諸多氣體，但是成本也較高，響應時間較長，不適用于便攜設備或是在線設備。

激光紅外成像法是通過紅外激光攝像機對準所測試區(qū)域發(fā)出相應激光，通過散射或是反射回到攝像機的激光所形成不同圖像予以判別，這種方法體積較小，較難受到外界環(huán)境所影響。但是激光紅外成像法造價昂貴，現場適應能力較差，極易受到天氣影響。

非分散紅外線技術通過不同氣體將特定波長紅外線予以充分吸收，直至紅外線穿過該氣體時，氣體會選擇性吸收特定波長，紅外光在一定程度上導致光強衰減，其光強的實際衰減長度同氣體濃度之間成正比關系。該方法具有靈敏度高、可靠性好、穩(wěn)定性強，使用壽命長等優(yōu)點，但具有成本較高等缺點。

2 基于物聯網的SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

2.1 SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)需求

SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)功能性需求。一是相關檢測裝置需要系統(tǒng)采集密閉環(huán)境下的SF6設備及其相關設備運行、泄漏的實時信息數據。二是實時監(jiān)測主機與風機單元、報警單元的控制，實現報警功能。三是將采集的數據信息實時上傳至云端數據存儲服務器予以存儲。四是對數據信息進行有效性分析，及時處理、科學管理，數據信息的可視化呈現。

同時，SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)還需要滿足以下需求，一是穩(wěn)定性，系統(tǒng)運行需要依托足夠穩(wěn)定良好的系統(tǒng)，促使感知層采集數據信息時可以更加穩(wěn)定，傳輸層數據傳輸時更加快捷，應用層系統(tǒng)運行更為穩(wěn)定[2]。二是時間性，一方面需要滿足數據傳輸、數據采集的實時性、系統(tǒng)長時間工作要求，實時信息采集控制在1s以內；另一方面需要保障每日工作時間維持在24h 以內。三是靈活性，系統(tǒng)需要靈活應用數據傳輸模塊實現高質量數據傳輸模式，通過諸多網絡通信媒介，及時將各單元所監(jiān)測數據發(fā)送至云平臺，用戶無須干預，任何時間任何地點直接登錄即可查看。四是準確性，數據信息需要準確無誤地實時上傳至管理平臺，系統(tǒng)將通過更為可靠的MQTT協(xié)議保障數據傳輸效率。

2.2 SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)功能設計

2.2.1 感知層

該系統(tǒng)采取NDIR原理的SF6紅外傳感器，從而動態(tài)監(jiān)測環(huán)境空氣中SF6氣體含量，主控制器通過接受來自人體紅外檢測單元、氣體變送器傳輸的信息數據，予以更為系統(tǒng)、有效地分析、處理、標記。通過GPRS 數據通信模塊，將分析處理后的數據信息及時傳送至云平臺。若是空氣含量中SF6超標，或是空氣中氧氣缺乏，主控器會立刻自動觸發(fā)報警控制單元發(fā)送信號，報警控制單元則會同繼電器將聲光報警裝置進行啟動，觸發(fā)語音提示模塊，及時提示工作人員落實相關措施。

2.2.2 傳輸層

基于物聯網的SF6在線檢測系統(tǒng)傳輸層的作用在于搭建應用層同感知層通信橋梁，促使數據信息的傳輸，并對監(jiān)測裝置施以集中化管理，促使相關監(jiān)測平臺實現可移植操作。因此，在設計該模塊時，無須改造已經投入生產應用的舊產品，只需要依托GPRS、RS-485等通信方式即可實現各個層級之間的信號傳輸。

2.2.3 應用層

采用GPRS 技術，促使應用平臺同報警系統(tǒng)之間得以實時通信。應用平臺依靠客戶端、瀏覽器進行登錄，同現場報警系統(tǒng)獲取即時通信，實時記錄監(jiān)測的數據信息，并及時上傳，全方位分析處理，輔助相關工作人員可以快速評估該系統(tǒng)運行狀態(tài)，出現問題則立刻進入警戒狀態(tài)，依據實際需求及時通過報警系統(tǒng)輸送更為準確的控制命令，驅動報警系統(tǒng)實現自動校準、自我比對、自我診斷。

2.3 SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)結構設計

結構設計則需要綜合物聯網自身的三層結構予以分析。感知層：在線檢測SF6報警裝置，自動化對比、遠程校準功能。傳輸層：依托GPRS 等技術促使數據信息得以遠程傳輸，數據信息得以快速存儲。應用層：數據可視化平臺，開發(fā)支持信息監(jiān)測預警，促使各個變電站環(huán)境中的SF6氣體更精準地實時監(jiān)測。SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)結構設計如圖1所示[3]。

圖1 SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)結構設計

感知層部分由報警單元、監(jiān)測單元和主機構成。監(jiān)測單元在氣體監(jiān)測實時變送器的支持下落實，通過溫度濕度傳感器、氧氣傳感器、SF6傳感器共同運行，全方位采集SF6設備環(huán)境氣體的相關數據信息，依托通信接口將數據信息及時傳送至主機控制器。報警單元依托相關的聲光報警器模塊進行，報警單元同監(jiān)測單元綜合運行，產生的數據信息通過RS-485通信方式實時傳送至SF6監(jiān)測主機，該主機系統(tǒng)會對接收的數據信息快速標記，予以初步分析。依據分析結果，綜合用戶請求，完成對報警單元、監(jiān)測單元的相關操作。

2.4 基于物聯網的SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

2.4.1 硬件選型

SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)時，硬件選型主要涉及監(jiān)測主機設計、氣體監(jiān)測設計、氣體報警設計及人體紅外設計。諸多模塊之間依托RS485 總線實時通信，更加快速地將終端設備數據信息采集上傳。監(jiān)測主機設計方面選用低成本、低功耗、高性能的STM32F103 處理器。監(jiān)測主機單片機內部需要配置1000PPM 標準氣體，實現系統(tǒng)自動校準功能[4]。檢測主機的單片機選用32 位，型號為STM32F103的處理器，因為其結構簡單、功耗較低、模式強大、功能豐富等特點，廣泛應用于諸多裝置的監(jiān)測開發(fā)過程中。監(jiān)測單元主要由多通道控制單元和變送器電路板兩方面組成。報警單元設計單元中聲光報警器的選型，依據相關規(guī)章標準，需要配置可識別聲光報警。因此，本文采取海灣聲光報警，在SF6氣體含量出現超標或是缺氧時，自動觸發(fā)聲光報警，及時提醒相關工作人員處理故障問題。人體紅外傳感器選用BISS0001 促使主機同風機控制模塊實現實時聯動，如果人員出現在監(jiān)控3m的范圍內，則相關的紅外傳感器會立刻向主機發(fā)送響應數據，主機自動觸發(fā)排風系統(tǒng)，保障工作人員生命安全。SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)的多通道控制單元如圖2所示。

圖2 SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)的多通道控制單元

2.4.2 軟件設計

基于物聯網系統(tǒng)的SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)是由C語言程序創(chuàng)作編寫，軟件設計除了需要依托上述硬件模塊外，還需要綜合通信模塊、存儲模塊、采集模塊、顯示模塊、輔助模塊等形成軟件主體。STM32外接諸多監(jiān)測單元及報警單元實時采集數據信息。因此，需要初始化所監(jiān)測主機、單元、報警單元，將其中的端口配置、寄存器、通信模塊相關參數設為初始數值。監(jiān)測裝置主要設計氣路、SF6傳感器模塊，諸多模塊之間在一定時間內可以達到更平穩(wěn)的工作狀態(tài)，因此系統(tǒng)應用會提前預熱，直至充分預熱完畢后，再回歸至正常監(jiān)測狀態(tài)，系統(tǒng)正常運行后，程序會自動讀取各個模塊的采樣數值，通過A/D端口對采樣值進行分析處理，并將數據信息及時存儲至存儲模塊[5]。軟件設計流程如圖3所示。

圖3 軟件設計流程

3 結語

基于物聯網的SF6在線監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)的感知層需要具備自動校準功能，促使SF6在線檢測報警的傳輸層實現數據傳輸，并具備集中化管理監(jiān)測裝置，促使監(jiān)測裝置相關操作平臺可移植。應用層需要采用GPRS 技術，促使應用平臺同報警系統(tǒng)之間得以實時通信。該在線監(jiān)測系統(tǒng)實現了數據信息的可視化，提高了數據傳達效率，解決了SF6泄漏等突發(fā)問題。