郭佳婧 陳 明 袁遵航 岳 克 李 應(yīng) 方 平

國網(wǎng)上海市南供電公司

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)在配電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測中的應(yīng)用為提高電力系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和智能化水平帶來了革命性的變革。通過在配電網(wǎng)絡(luò)中部署大量的傳感器、通信設(shè)備和智能計量設(shè)備，實時地收集數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為電力系統(tǒng)提供了全面、實時的監(jiān)測和管理能力。

以實際的“用戶地下變電站排水泵運行監(jiān)測裝置”的設(shè)計案例，講述如何利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對一些老舊電器電路加裝監(jiān)測手段提升管控能力，并對這套裝置未來的應(yīng)用場景作一些拓展性思考。

1 案例研究的背景及技術(shù)分析

1.1 監(jiān)測裝置研究背景與意義

近年來，由于全球氣候變暖，厄爾尼諾和拉尼娜現(xiàn)象交替變換，城市化進程加快等因素影響，極端天氣事件頻發(fā)，特別是強降雨引發(fā)的城市內(nèi)澇現(xiàn)象愈發(fā)嚴重，不僅給市民的生活帶來諸多困擾和不便，還對基礎(chǔ)設(shè)施和生態(tài)環(huán)境造成了難以估量的破壞。例如，在2021 年全球多地遭受了城市內(nèi)澇事件，其中以中國河南鄭州的洪災(zāi)最為嚴重。根據(jù)新華社報道1新華網(wǎng)報道http://www.xinhuanet.com/politics/2021-07/27/c_1127686967.htm，2021/7，截至2021 年7 月27 日，河南省受災(zāi)人口達1 252.46萬人，直接經(jīng)濟損失約為667億元人民幣，造成至少數(shù)十人喪生。

依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，推進用戶地下變電站排水泵運行監(jiān)測裝置設(shè)計研究及應(yīng)用，系統(tǒng)化考量、無死角覆蓋，完成電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，達到對用戶地下變電站排水泵運行狀態(tài)無間斷管控，以“物聯(lián)設(shè)備”管控“電網(wǎng)設(shè)備”。通過數(shù)字化科技手段賦能，提高工作效率，提升數(shù)字化應(yīng)用場景，可實現(xiàn)保電人員減負，有效地提高供電企業(yè)的優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平，進而滿足客戶全方位卓越服務(wù)體系的要求。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實時監(jiān)控用戶地下變電站排水泵的供電和運行情況，探索一種以物聯(lián)設(shè)備管控電力設(shè)備的方式，進而可將此類技術(shù)推廣到電力電路遠程監(jiān)控、維護保養(yǎng)，以及其他場景，如魚塘、重要低壓線路、重要設(shè)備等。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及物聯(lián)電力應(yīng)用的現(xiàn)狀

1.2.1 無線通信技術(shù)應(yīng)用

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，無線通信技術(shù)具有舉足輕重的地位，它承擔(dān)著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間通信和數(shù)據(jù)傳遞的任務(wù)。常見的物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)包括Wi-Fi（無線局域網(wǎng)）、藍牙（Bluetooth）、Zigbee、LoRaWAN（低功耗廣域網(wǎng)）、NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）等。由于LoRa的低功耗遠距離通信的特性，以及NB-IoT的基建成熟條件，本項目采用NB-IoT和LoRa通信技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)功能。

1.2.2 泛在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

泛在物聯(lián)網(wǎng)（Ubiquitous Internet of Things）［1］是一種將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入日常生活和各工業(yè)領(lǐng)域的智能及自動化系統(tǒng)。它包含了不同設(shè)備、傳感器、網(wǎng)絡(luò)以及系統(tǒng)之間的連接與互動，實現(xiàn)了智能化、自動化和設(shè)備互聯(lián)的應(yīng)用場景。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，電力供應(yīng)商可以與消費者更好地進行互動和管理。通過智能計量設(shè)備和家庭能源管理系統(tǒng)，消費者可以實時監(jiān)測和管理能源使用，并參與能源管理決策，從而實現(xiàn)節(jié)能和能源成本優(yōu)化。

1.3 監(jiān)測裝置主要研究內(nèi)容

1.3.1 研發(fā)一套用戶地下變電站排水泵運行監(jiān)測裝置

用戶地下變電站排水泵運行監(jiān)測裝置可以接入多組傳感器終端，并采用成熟的LoRa 通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，組建無線局域網(wǎng)絡(luò)，進行數(shù)據(jù)采集，由專用物聯(lián)網(wǎng)無線路由（網(wǎng)關(guān)）上傳至云端服務(wù)。網(wǎng)關(guān)與云端服務(wù)通信采用NB-IoT 通信技術(shù)，在云端完成數(shù)據(jù)歸集與分析，并通過互聯(lián)網(wǎng)為用戶側(cè)提供信息化服務(wù)。

建立標(biāo)準(zhǔn)化模具，安裝簡單、維修方便，設(shè)備帶底座，損壞后可以直接進行拔插更換，提高工作效率。安裝使用后，可將停電信息迅速推送，當(dāng)電壓、電流監(jiān)測到錯誤信息或有用電安全隱患數(shù)據(jù)顯示（如濕度過高、水位異常）及時預(yù)判提醒，立即告警并通知到指定的客戶經(jīng)理和物業(yè)相關(guān)負責(zé)人，告知電力公司相關(guān)責(zé)任人員及時處理，提高了對斷電故障的快速響應(yīng)能力。

1.3.2 監(jiān)測裝置具體研究內(nèi)容分為以下幾個方面

1）研發(fā)用戶地下變電站排水泵運行監(jiān)測裝置，對用戶地下配電間運行可靠性精細化感知方法。

2）地下變電站排水泵運行監(jiān)測裝置具有對水泵的運行狀態(tài)進行判斷的特性，通過獲取電壓、電流、水位等數(shù)據(jù)判斷水泵是否處于正常狀態(tài)。通過水位傳感器得出抽水量與排水量變化異常變化情況及時通知用戶。

3）用戶地下變電站排水泵運行監(jiān)測裝置的組網(wǎng)方法，結(jié)合設(shè)備可靠性標(biāo)簽，實時監(jiān)測用戶地下變電站運行異常風(fēng)險動態(tài)預(yù)警。

4）地下變電站排水泵運行監(jiān)測裝置可以接入多組傳感器，采用成熟的無線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組網(wǎng)，在用戶側(cè)加裝數(shù)據(jù)采集終端，對終端設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集，采用成熟的LoRa 通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（無線LoRa具有傳輸距離長，信號穩(wěn)定等特點），組建無線局域網(wǎng)絡(luò)，進行數(shù)據(jù)采集，由專用物聯(lián)網(wǎng)無線路由（網(wǎng)關(guān)）上傳至云端服務(wù)。

5）通過數(shù)字化科技手段賦能，建立可靠性預(yù)警平臺，提升供電可靠性和優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平。

1.4 監(jiān)測裝置的技術(shù)方案

針對前述研究內(nèi)容，本項目采取的技術(shù)方案主要包含以下幾部分：

1）傳感器模塊

實現(xiàn)溫度、液位、三相電壓電流監(jiān)控，定時數(shù)據(jù)上報、失電事件上報，通過LoRa 無線傳輸數(shù)據(jù)，并采用邊緣計算方式，實現(xiàn)閾值參數(shù)可配與報警邏輯（見圖1）。

圖1 傳感器模塊

2）路由模塊

實現(xiàn)LoRa無線數(shù)據(jù)接收，通過局域網(wǎng)或NB網(wǎng)絡(luò)向外傳輸數(shù)據(jù)，傳輸方式為二選一模式。路由本地有web服務(wù)，可在同一局域網(wǎng)段內(nèi)直接查看當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù)。

基于互聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)，實現(xiàn)云端數(shù)據(jù)收集和設(shè)備監(jiān)控。

2 監(jiān)測裝置的硬件詳細設(shè)計

2.1 傳感器模塊

2.1.1 MCU選型方案

選用STM32L051C8 作為主控制微控制器（MCU），其內(nèi)部集成了ARM Cortex-M0內(nèi)核，主頻為32 MHz，工作電壓范圍在1.65～3.6 V 之間。具有64 KB 的程序存儲空間以及8 KB 的總RAM 容量。這款芯片屬于ST系列中的低功耗產(chǎn)品，為設(shè)備的續(xù)航能力提供了強大支持。其采用LQFP-48封裝（9×9 mm），外圍設(shè)備種類繁多，包括常見的UART、SPI、IIC接口等。

2.1.2 LoRa通信設(shè)計方案

本方案選擇了國際知名的SEMTECH公司的產(chǎn)品作為核心芯片，其集成電路（IC）在通信、計算機及計算機接口、自動檢測設(shè)備、工業(yè)及其他商業(yè)應(yīng)用中廣泛使用。此次選用的是SX1276 芯片，在LoRa應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

2.1.3 溫濕度傳感設(shè)計方案

本方案所選用的傳感器是廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域且已成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字濕度傳感器，即SHT2x系列。它適用于各種大批量應(yīng)用，除了需要接觸空氣的濕度敏感區(qū)域外，整個芯片被完全封裝，使電容式濕度傳感器免受外界影響，具備優(yōu)良的長期穩(wěn)定性。每個傳感器都經(jīng)過單獨校準(zhǔn)和測試。本方案選擇SHT20作為溫度和濕度二合一的傳感器，其溫度測量范圍為-40～125 ℃，精度為±0.3 ℃。濕度測量范圍為0～100%RH，精度為±3.0%RH。

為方便實際使用，采用的是拖線式設(shè)計，導(dǎo)線長度有1 m。用戶可以把探頭安裝到自己期望采集的位置附近。

2.1.4 三相（單相）電壓電流傳感設(shè)計方案

電壓電流傳感芯片RN7302 是一款具有多功能、高精度、高可靠性以及低功耗特點的三相計量專用芯片。這款芯片在智能電表、能源消耗分析和電力監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用適用性。

芯片特性適用于三相三線、三相四線制，支持三相三線及三相四線自適應(yīng)具有電源監(jiān)控功能、內(nèi)置1.25 V ADC 基準(zhǔn)電壓，溫度系數(shù)典型值±5 ppm/℃，也可外接基準(zhǔn)電壓，具有高速SPI接口，傳輸速率可達3.5 Mbps，提供burst 讀波形緩存和burst讀寄存器功能。

2.1.5 電源管理設(shè)計方案

設(shè)計雙電源供電方案。常規(guī)采用220 V供電，經(jīng)過穩(wěn)壓電源提供5 V電源，再有LDO轉(zhuǎn)成3.3 V供到整個系統(tǒng)，同時為內(nèi)置的鋰電池充電。當(dāng)市電停電了，主板內(nèi)部設(shè)置了一個自動切換電路，可以實現(xiàn)快速切換到內(nèi)置的鋰電池供電，保證產(chǎn)品可靠供電。

鋰電池充電有專用的充電IC，加上鋰電池模塊上安裝的保護板，讓鋰電池始終工作在合理的工況，不會出現(xiàn)過充、過放、過壓、過流等問題。

2.2 線性液位傳感器

本方案選用的是液位傳感器，把傳感器投入到液體中，探測液體的壓力來檢測水位的深度。測試范圍0～255 cm，精度±1.5 cm。傳感器本體IP68防水設(shè)計，采用304不銹鋼，可以在液體中長期工作和使用（見圖2）。

圖2 液位傳感器

2.3 網(wǎng)關(guān)路由模塊

2.3.1 MCU選型方案

選擇STM32F407VE 作為主控制芯片。該芯片內(nèi)置ARM Cortex-M4 CPU 內(nèi)核，最大主頻為

168 MHz，工作電壓范圍為1.8～3.6 V，程序存儲容量為512 KB，總RAM 容量為192 KB。此MCU 具備所需的多路SPI、MII 和UART 接口，且其主頻性能滿足處理要求。

2.3.2 LoRa通信設(shè)計方案

同采集節(jié)點的LoRa方案一致。

2.3.3 NB-IoT通信設(shè)計方案

在NB-IoT 通信方面，選用國內(nèi)優(yōu)秀品牌移遠的BC260Y-CN模塊。BC260Y-CN是一款具有高性能和低功耗特點的NB-IoT 模塊。通過采用NB-IoT 無線通信協(xié)議（符合3GPP Rel-13 和3GPP Rel-14 標(biāo)準(zhǔn)），該模塊能夠與網(wǎng)絡(luò)運營商的基礎(chǔ)設(shè)施建立通信。

BC260Y的系統(tǒng)框圖見圖3。

圖3 BC260Y的系統(tǒng)框圖

2.3.4 LAN通信設(shè)計方案

本方案選擇了LAN8720A，這款小型、低功耗以及高性能的以太網(wǎng)物理層收發(fā)器，能自動適應(yīng)10/100 Mbps 的通信速率。這款收發(fā)器專為消費類電子產(chǎn)品和企業(yè)應(yīng)用而設(shè)計。在PHY+MAC 的配合下，同時采用LWIP 開源協(xié)議棧，實現(xiàn)了TCP-IP所有的通信和握手過程（見圖4）。

圖4 LAN8720A

2.3.5 告警模塊設(shè)計方案

在無線消息包，用一個字段已經(jīng)定義為告警。網(wǎng)關(guān)硬件會實時查詢收到的數(shù)據(jù)，如果網(wǎng)關(guān)檢測到數(shù)據(jù)異常，會輸出5 V 電壓至外部一個連接器上。如果此時，接有報警器，報警會發(fā)出聲音或者光。

2.3.6 電源管理設(shè)計方案

同采集模塊一樣的設(shè)計方案。

2.3.7 內(nèi)嵌Web服務(wù)設(shè)計方案

Web server 設(shè)計涉及Web server 通信、CGI和SSI相關(guān)的應(yīng)用方法和技術(shù)。當(dāng)網(wǎng)關(guān)接入有線局域網(wǎng)后，可以通過固定的IP地址192.168.1.220，在電腦瀏覽器打開內(nèi)嵌的Web server 頁面。查詢傳感器節(jié)點上報的消息內(nèi)容，也可以配置網(wǎng)關(guān)自己的IP地址，服務(wù)器IP地址。

圖5是網(wǎng)關(guān)實時上報監(jiān)測數(shù)據(jù)的展示網(wǎng)頁。

圖5 網(wǎng)關(guān)實時上報監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖6是網(wǎng)關(guān)IP地址設(shè)置頁面。

圖6 網(wǎng)關(guān)IP地址設(shè)置頁面

3 監(jiān)測裝置的軟件詳細設(shè)計

3.1 軟件功能定義

3.1.1 功能清單

路由網(wǎng)關(guān)可以將傳感器數(shù)據(jù)分別上報給局域網(wǎng)管理端或云端管理端，其中云端管理端為電力部門使用，適用于用戶側(cè)對本地信息管理非保密必要原則的用戶。局域網(wǎng)端為用戶側(cè)使用，適用于用戶側(cè)對本地信息保密要求嚴格的用戶。功能清單見圖7。

圖7 功能清單

3.1.2 系統(tǒng)拓撲圖

系統(tǒng)拓撲圖見圖8。

圖8 系統(tǒng)拓撲圖

3.2 系統(tǒng)框架設(shè)計

3.2.1軟件編碼框架設(shè)計

本項目采用前后端分離架構(gòu)［2］，將軟件系統(tǒng)的用戶界面（前端）和業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)處理（后端）分離成獨立的部分。后端使用RESTful API 的設(shè)計方式，為前端提供數(shù)據(jù)和服務(wù)接口。通過使用HTTP請求（如GET、POST、PUT、DELETE 等方法），實現(xiàn)與前端之間的數(shù)據(jù)交互。這樣前后端可以獨立開發(fā)，通過API接口進行數(shù)據(jù)的傳遞和處理。

1）前端

前端負責(zé)用戶界面和互動，涵蓋了網(wǎng)頁設(shè)計、布局及交互效果的開發(fā)。運用HTML、CSS 和JavaScript 等技術(shù)以實現(xiàn)友好且易用的界面，在前后端分離的架構(gòu)下，前端通常采用單頁應(yīng)用（SPA）設(shè)計，通過異步請求（如AJAX）與后端API交互完成數(shù)據(jù)的讀取和更新。使用前端框架，例如Marcin Wardziński［3］，可以讓開發(fā)過程更高效和模塊化。

2）后端

后端主要負責(zé)處理業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)存儲、服務(wù)器端操作等功能。后端采用Java 編程語言和MySQL數(shù)據(jù)庫。后端的職責(zé)是處理用戶請求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和存儲，提供穩(wěn)定、高效的服務(wù)。

3.2.2 云端服務(wù)器框架設(shè)計

本項目使用CentOS+Nginx+Tomcat+JDK+MySQL 高負載均衡服務(wù)器集群架構(gòu)。這種架構(gòu)在移動應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中廣泛應(yīng)用，代表了當(dāng)前非常成熟和先進的系統(tǒng)級服務(wù)器集群架構(gòu)，具有較長的生命周期、擴展能力，并且是安全可靠的集群服務(wù)體系，可在未來長期提供可延展的服務(wù)（見圖9）。

圖9 云端服務(wù)器框架

4 監(jiān)測裝置研究成果

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時監(jiān)控用戶側(cè)地下室排水泵的供電狀態(tài)，可以檢測三相或單相電壓、電流，并根據(jù)預(yù)設(shè)閾值產(chǎn)生高頻報警事件。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時監(jiān)控用戶側(cè)地下室排水泵的水位狀態(tài)，上報線性變化數(shù)據(jù)，并可根據(jù)預(yù)設(shè)閾值產(chǎn)生高頻報警事件。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時監(jiān)控用戶側(cè)地下室的溫濕度，上報線性變化數(shù)據(jù)，并可根據(jù)預(yù)設(shè)閾值產(chǎn)生高頻報警事件。

采用成熟的LoRa 無線通信技術(shù)，實現(xiàn)傳感器與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的組網(wǎng)功能，實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)通信。

無線網(wǎng)關(guān)支持本地報警開關(guān)，可對接用戶側(cè)本地報警電路。

無線路由和傳感器支持內(nèi)部電池供電能力，在電力電路故障時不影響使用。

系統(tǒng)支持局域網(wǎng)與云端數(shù)據(jù)采集兩種后臺部署模式，方便靈活滿足用戶側(cè)的需求，以及敏感數(shù)據(jù)的安全性（見圖10和11）。

圖10 監(jiān)測裝置成果實圖

圖11 監(jiān)測裝置實圖

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

通過本套裝置的研究與實踐，已經(jīng)可以通過物聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)對于地下變電站排水泵的監(jiān)測功能，包括水位、電壓電流、環(huán)境溫度變化等，并可依據(jù)閾值及時將故障狀態(tài)信息報警到用戶側(cè)或電力維護部門，從而大大減輕了設(shè)備故障風(fēng)險和配電網(wǎng)絡(luò)的運維成本。

5.2 展望

1）提升老舊電路的監(jiān)測能力

通過本系統(tǒng)可以延展推廣到其他商業(yè)用戶側(cè)的電路監(jiān)控領(lǐng)域，例如學(xué)校、醫(yī)院、工廠、園區(qū)、大型商場等，尤其是老舊配電線路，可以在多個配電箱里安裝電壓電流傳感器，任何一路分支線路，在斷電保護器工作前后，對于失壓或過流時，可以快速報警并鎖定故障范圍，這也是利用IoT 技術(shù)來監(jiān)測傳統(tǒng)老舊電路的一種探索，具備一定的經(jīng)濟價值。

2）引入人工智能技術(shù)提升監(jiān)測能力

結(jié)合人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對電力設(shè)備的智能監(jiān)測與分析。利用深度學(xué)習(xí)算法，設(shè)備能自動檢測異常并發(fā)出預(yù)警和提供相應(yīng)建議。

3）增加加密算法提高數(shù)據(jù)的安全性

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，電壓電流監(jiān)測設(shè)備所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)需要得到安全的存儲和傳輸。加強數(shù)據(jù)加密和訪問權(quán)限控制，可以保障監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全性。

4）增加控制功能實現(xiàn)設(shè)備的自主修復(fù)能力

通過引入自主診斷和故障自愈技術(shù)，電壓電流監(jiān)測設(shè)備可以自動檢測和修復(fù)設(shè)備故障，提高設(shè)備的可靠性和可用性。增加設(shè)備間通信與協(xié)作，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備間通信與協(xié)作，有效實現(xiàn)故障轉(zhuǎn)移。當(dāng)某一設(shè)備出現(xiàn)故障時，其他設(shè)備可以自動承擔(dān)該設(shè)備的任務(wù)，同時配合完成故障設(shè)備的修復(fù)工作。