廖永利 蒙存智 周俊飛 吳曉鋒 羅予均

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司南寧賓陽(yáng)供電局）

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和科技的迅猛進(jìn)步，電力系統(tǒng)作為基礎(chǔ)設(shè)施之一，在現(xiàn)代社會(huì)中扮演著至關(guān)重要的角色［1］。為了保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和提高其管理效率，對(duì)低壓配電箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制需求日益迫切。在這一背景下，本研究旨在借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種先進(jìn)的低壓配電箱空開(kāi)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，以滿足電力系統(tǒng)管理的現(xiàn)代化需求。

低壓配電箱作為電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題、減少電力系統(tǒng)故障具有重要意義。本系統(tǒng)旨在通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將配電箱與云端連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，為了提高電力系統(tǒng)的靈活性和可操作性，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程控制功能，使用戶能夠遠(yuǎn)程操控配電箱的空開(kāi)狀態(tài)。這不僅有助于提高電力系統(tǒng)的安全性，還為電力管理人員提供了更為便捷的監(jiān)測(cè)手段。

本文將首先對(duì)低壓配電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行概述，隨后詳細(xì)介紹所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體架構(gòu)和各個(gè)模塊的功能。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用和測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，我們將評(píng)估系統(tǒng)的性能和可用性。最后，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們將提出未來(lái)優(yōu)化和拓展系統(tǒng)的方向。這一設(shè)計(jì)旨在為電力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與管理提供一種先進(jìn)、高效的解決方案，以適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)安全與可靠性的不斷提升的需求。

1 低壓配電箱空開(kāi)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制

低壓配電遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)可劃分為三個(gè)主要組成部分，包括配電監(jiān)測(cè)終端、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)傳輸模塊以及用戶終端監(jiān)測(cè)模塊［2］。

配電監(jiān)測(cè)終端：配電監(jiān)測(cè)終端是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集前沿，其主要職責(zé)是實(shí)時(shí)收集和監(jiān)測(cè)配電系統(tǒng)中的各項(xiàng)信息，包括電流、電壓、功率等參數(shù)［3］。這個(gè)部分通過(guò)高度敏感的傳感器和設(shè)備，以及先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，確保對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確捕捉。通過(guò)4G通信技術(shù)，監(jiān)測(cè)終端能夠快速、可靠地將采集到的數(shù)據(jù)傳送至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)傳輸模塊：物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)傳輸模塊是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞樞紐，承擔(dān)著將來(lái)自監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)傳輸至云端的關(guān)鍵任務(wù)。通過(guò)4G通信通道，這一模塊實(shí)現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)傳輸，將配電監(jiān)測(cè)終端采集到的信息迅速傳送至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)［4］。其穩(wěn)定、快速的數(shù)據(jù)傳輸能力確保了實(shí)時(shí)性要求的滿足，使得配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況得以及時(shí)監(jiān)測(cè)和響應(yīng)。

用戶終端監(jiān)測(cè)模塊：用戶終端監(jiān)測(cè)模塊作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)展示和管理端，提供了用戶與配電系統(tǒng)互動(dòng)的接口［5］。用戶可以通過(guò)該模塊方便地管理和查看配電系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和歷史數(shù)據(jù)的回顧。通過(guò)與云端數(shù)據(jù)庫(kù)的交互，用戶能夠獲取關(guān)鍵的電力信息，做出相應(yīng)的決策和調(diào)整，以確保配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。這一部分的功能設(shè)計(jì)旨在為用戶提供直觀、全面的配電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)體驗(yàn)，使得他們能夠更好地了解和管理電力資源。低壓配電遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 低壓配電遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 低壓配電箱空開(kāi)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)主要部分：數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)主程序（主機(jī)）和電參數(shù)采集主程序（從機(jī)）。它們之間使用RS485標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-RTU協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。電參數(shù)采集主程序包括電能芯片初始化配置、電能參數(shù)計(jì)算、諧波計(jì)算等子程序，而數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)主程序包括4G模組注網(wǎng)、溫濕度采集、GPS數(shù)據(jù)采集等子程序。這兩個(gè)主程序集成在一起形成配電監(jiān)測(cè)終端。

為滿足配電監(jiān)測(cè)終端的多功能要求，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。通過(guò)將大模塊劃分為多個(gè)小模塊，系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加簡(jiǎn)單，提高了軟件調(diào)試的靈活性和舒適性，增強(qiáng)了適用性。每個(gè)子模塊的功能程序從底層的驅(qū)動(dòng)函數(shù)開(kāi)始編寫，以基本滿足各模塊需求，并能夠隨意修改。后續(xù)將介紹終端與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的遠(yuǎn)程連接、阿里云物聯(lián)網(wǎng)ⅠoT Studio界面軟件設(shè)計(jì)以及相關(guān)通信協(xié)議程序設(shè)計(jì)。配電監(jiān)測(cè)終端總體軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 配電監(jiān)測(cè)終端總體軟件架構(gòu)

2.1 電參數(shù)采集程序設(shè)計(jì)

電參數(shù)采集程序通過(guò)配電箱中的電能芯片進(jìn)行初始化配置，旨在建立與電能芯片的有效通信，并確保采集系統(tǒng)與電能芯片之間的正常連接。通過(guò)初始化配置，系統(tǒng)能夠正確識(shí)別和訪問(wèn)電能芯片，為后續(xù)的數(shù)據(jù)采集操作奠定基礎(chǔ)。電參數(shù)采集程序涵蓋了電能參數(shù)的計(jì)算子程序。在這個(gè)階段，程序通過(guò)與電能芯片的通信獲取實(shí)時(shí)的電流、電壓等參數(shù)數(shù)據(jù)。通過(guò)運(yùn)用相應(yīng)的計(jì)算算法，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地計(jì)算得出各種電能參數(shù)，包括功率、電量等。這些參數(shù)的精確計(jì)算為配電箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

此外，電參數(shù)采集程序還包括諧波計(jì)算子程序。在這一步驟中，系統(tǒng)能夠識(shí)別并計(jì)算電能中存在的諧波成分。諧波計(jì)算的過(guò)程涉及對(duì)電流和電壓信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，以確定諧波的類型和強(qiáng)度。通過(guò)這一步驟，系統(tǒng)可以全面了解電能的質(zhì)量，從而更有效地進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。

2.2 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)主程序采用了4G模組注網(wǎng)子程序。通過(guò)這一子程序，系統(tǒng)能夠在配電箱中集成4G通信模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的接入。為系統(tǒng)提供了高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸通道，使得配電箱能夠通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與遠(yuǎn)程云平臺(tái)建立可靠的連接。

數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)了溫濕度采集子程序。這個(gè)子程序負(fù)責(zé)采集環(huán)境溫度和濕度數(shù)據(jù)，以提供有關(guān)配電箱周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)信息。此外，GPS數(shù)據(jù)采集子程序是數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)程序的另一個(gè)關(guān)鍵組成部分。通過(guò)這一子程序，系統(tǒng)可以獲取配電箱的實(shí)時(shí)位置信息。這對(duì)于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的定位和管理提供了重要的支持，尤其是在需要準(zhǔn)確定位配電箱位置的緊急情況下。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)備連接的實(shí)現(xiàn)

首先，系統(tǒng)采用了遠(yuǎn)程連接機(jī)制，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議建立配電箱與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間的通信鏈路。這一連接機(jī)制提供了高效且安全的數(shù)據(jù)傳輸通道，確保了設(shè)備與云端之間的實(shí)時(shí)通信。其次，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)了ⅠoT Studio界面軟件，用于對(duì)配電箱的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。通過(guò)該界面軟件，用戶可以實(shí)時(shí)查看配電箱的狀態(tài)信息、電能參數(shù)以及環(huán)境數(shù)據(jù)。同時(shí)，用戶還能夠通過(guò)界面進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作，例如遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)配電箱的空開(kāi)狀態(tài)。

在設(shè)備連接中，還包含了相關(guān)的通信協(xié)議程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)需設(shè)計(jì)相應(yīng)的通信協(xié)議，確保設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)格式一致性和可解析性。這樣的設(shè)計(jì)保障了設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)能夠被云端準(zhǔn)確解析和處理。

3 測(cè)試與結(jié)果分析

系統(tǒng)測(cè)試旨在驗(yàn)證低壓配電遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的性能和功能。本文主要的測(cè)試目標(biāo)是測(cè)試目標(biāo)：確認(rèn)配電監(jiān)測(cè)終端準(zhǔn)確采集電能參數(shù)；評(píng)估物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)傳輸模塊的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性；驗(yàn)證用戶終端監(jiān)測(cè)模塊的用戶友好性和數(shù)據(jù)展示效果。以下是測(cè)試的具體結(jié)果：

從表1可以看出，就傳輸延遲而言，平均傳輸延遲在每個(gè)時(shí)間戳都在秒級(jí)別，整體上看起來(lái)是可接受的范圍內(nèi)。例如，08：15的傳輸延遲最低，為0.5s，而08：30的傳輸延遲最高，為0.8s。這表明系統(tǒng)在將數(shù)據(jù)從配電監(jiān)測(cè)終端傳輸至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)時(shí)具有較低的延遲。

表1 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)傳輸模塊測(cè)試結(jié)果

對(duì)于傳輸成功率：傳輸成功率保持在較高水平，整體上在97%到99%之間。這意味著系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)具有很高的可靠性，僅有很少的傳輸失敗。高傳輸成功率對(duì)于確保實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)完整性至關(guān)重要，尤其是在配電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，用戶可能需要及時(shí)準(zhǔn)確地了解電能參數(shù)。表1這組數(shù)據(jù)反映了系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)傳輸方面的穩(wěn)定性。較低的傳輸延遲和高的傳輸成功率表明系統(tǒng)能夠快速、可靠地將數(shù)據(jù)從配電監(jiān)測(cè)終端傳送至云端。這對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和響應(yīng)電能參數(shù)的變化至關(guān)重要。

從表2可以看出，用戶成功查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，表明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠即時(shí)傳輸并呈現(xiàn)當(dāng)前的電能參數(shù)。用戶對(duì)這一功能的評(píng)分為5/5，說(shuō)明用戶對(duì)查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的體驗(yàn)非常滿意。針對(duì)用戶成功查詢歷史記錄，這表示監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效地存儲(chǔ)并提供過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)的電能參數(shù)歷史數(shù)據(jù)。用戶對(duì)這一功能的評(píng)分為4/5，可能表示在某些方面有一些改進(jìn)的空間，例如查詢速度或數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式。此外，用戶成功進(jìn)行了遠(yuǎn)程控制操作，這說(shuō)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制配電系統(tǒng)的能力。用戶對(duì)這一功能的評(píng)分為5/5，表明用戶對(duì)遠(yuǎn)程控制的體驗(yàn)非常滿意。總體而言，用戶體驗(yàn)評(píng)分總體較高，說(shuō)明用戶對(duì)低壓配電遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的用戶界面和功能操作感到滿意。成功執(zhí)行各項(xiàng)操作表明系統(tǒng)在用戶交互方面表現(xiàn)良好，能夠滿足用戶對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史記錄和遠(yuǎn)程控制的需求。

表2 用戶終端監(jiān)測(cè)模塊測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本研究設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低壓配電箱空開(kāi)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用與測(cè)試，得出如下結(jié)論：系統(tǒng)展現(xiàn)了良好的可行性，硬件和軟件部分協(xié)同工作，確保了電能參數(shù)的準(zhǔn)確采集、高效傳輸和直觀展示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示系統(tǒng)具有較低的傳輸延遲和高的傳輸成功率，保證了電能參數(shù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。用戶終端監(jiān)測(cè)模塊提供了用戶友好的界面，用戶能夠方便地查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、查詢歷史記錄，并成功進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作。用戶對(duì)系統(tǒng)的積極評(píng)價(jià)表明其滿足了用戶對(duì)配電監(jiān)測(cè)的需求。系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能得以有效實(shí)現(xiàn)，用戶可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)遠(yuǎn)程操控配電箱的空開(kāi)狀態(tài)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和可操作性。