摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，其智能管理屬性在生產(chǎn)工作中提供了很好的軟硬件整體解決方案。文章以某電臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)的電力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為例，詳細(xì)介紹了物聯(lián)網(wǎng)在供配電系統(tǒng)信息化改造中的場景設(shè)計(jì)與應(yīng)用方法。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，不僅提升了技術(shù)人員對故障的排查反應(yīng)速度，而且為電力系統(tǒng)故障的預(yù)判以及故障原因分析提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；實(shí)時(shí)監(jiān)測；智能管理；數(shù)據(jù)支撐

中圖分類號(hào)：TP311" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）16-0116-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

供配電系統(tǒng)是電臺(tái)的重要組成部分，是電臺(tái)各類設(shè)備運(yùn)行的基礎(chǔ)。由于電臺(tái)的供配電系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行多年，各項(xiàng)電器性能指標(biāo)下降，且缺乏遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測和故障預(yù)警功能，致使運(yùn)維成本逐年增大，所以，對系統(tǒng)的信息化、智能化改造工作至關(guān)重要。而如何在已經(jīng)運(yùn)行多年的供配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，為故障的預(yù)判以及故障原因的分析提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，從而提高電臺(tái)的運(yùn)維管理水平是必須深入研究并加以解決的問題?；诖?，考慮用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對供配電系統(tǒng)的信息化改造。本系統(tǒng)依托內(nèi)網(wǎng)平臺(tái)運(yùn)行，系統(tǒng)建設(shè)完成并投入運(yùn)行后，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確可靠，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

1 物聯(lián)網(wǎng)及MODBUS協(xié)議

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT） 是通過射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)等設(shè)備，將物品連接至互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別與管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]。

基于MODBUS主流通信協(xié)議，其基礎(chǔ)框架主要包括四層邏輯結(jié)構(gòu)和三個(gè)支撐體系。四層邏輯結(jié)構(gòu)分為：物聯(lián)感知層、通信網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)服務(wù)支撐層和智慧應(yīng)用層[2]。物聯(lián)感知層由多種傳感設(shè)備組成；通信網(wǎng)絡(luò)層依托光纖環(huán)路構(gòu)建，各傳感設(shè)備以星形結(jié)構(gòu)接入串口服務(wù)器，串口服務(wù)器和光電交換機(jī)采用點(diǎn)對點(diǎn)方式組網(wǎng)；數(shù)據(jù)服務(wù)支撐層由工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對各項(xiàng)采集數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理；智慧應(yīng)用層通過物聯(lián)平臺(tái)軟件為主供配電系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)提供Web界面顯示。三個(gè)支撐體系分為：安全保障體系、建設(shè)和運(yùn)行管理體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。安全保障體系和建設(shè)運(yùn)管體系依托用戶內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有安全平臺(tái)和運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，邊緣網(wǎng)關(guān)將傳感器和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與內(nèi)網(wǎng)完全隔離；物聯(lián)感知層采用物聯(lián)網(wǎng)關(guān)作為IoT的核心元素，一般采用HTTPS/TLS加密數(shù)據(jù)傳輸，通過MOTT進(jìn)行物聯(lián)數(shù)據(jù)分發(fā)。

2 系統(tǒng)組態(tài)實(shí)現(xiàn)

下文以某電臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)的電力參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為例，結(jié)合傳感器組網(wǎng)設(shè)置、系統(tǒng)組態(tài)實(shí)現(xiàn)以及場景應(yīng)用結(jié)論三方面內(nèi)容，詳細(xì)介紹物聯(lián)網(wǎng)在電力系統(tǒng)智能化改造過程中的場景設(shè)計(jì)與具體應(yīng)用。

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2.2 傳感器組網(wǎng)設(shè)置

傳感器屬于物聯(lián)網(wǎng)的底層接入設(shè)備，負(fù)責(zé)各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和傳輸[3]。該系統(tǒng)所采用的傳感器分別為高精度電力監(jiān)測儀、溫濕度變送器和紅外溫度傳感器。各傳感器數(shù)據(jù)輸出端口到對應(yīng)串口服務(wù)器的數(shù)據(jù)接入端口的實(shí)際傳輸距離決定了波特率的設(shè)置大小（9 600 bit/s、4 800 bit/s） ；MODBUS ID采用十進(jìn)制數(shù)值，必須與串口服務(wù)器portID設(shè)置保持一致。

1） 電力監(jiān)測儀組網(wǎng)設(shè)置。

高精度電力監(jiān)測儀是電力監(jiān)測系統(tǒng)的重要傳感設(shè)備，支持MODBUS-RTU通信規(guī)約，標(biāo)配RS485接口，數(shù)據(jù)采用整型傳輸。其CT、 PT變比值分別根據(jù)監(jiān)測儀量程和主供配電系統(tǒng)具體電壓、電流數(shù)值設(shè)置，主要用于組態(tài)編程中電力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換運(yùn)算。

2） 溫濕度變送器組網(wǎng)設(shè)置。

室內(nèi)溫濕度變送器輸出信號(hào)類型為RS485，支持MODBUS 協(xié)議。變送器各類參數(shù)須在PC端采用RS485參數(shù)配置工具進(jìn)行設(shè)置。

3） 紅外溫度傳感器組網(wǎng)設(shè)置。

變壓器使用的溫度傳感器為非接觸式高精度紅外測溫儀，組網(wǎng)物距比設(shè)置為20∶1。由于是模擬信號(hào)輸出，因此需要將485模塊和RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換器連接后再接入PC端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置[4]。

4） 串口服務(wù)器組網(wǎng)設(shè)置。

串口服務(wù)器作為系統(tǒng)主要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)采樣數(shù)據(jù)的收集和傳輸，分為單口、4口和8口串口服務(wù)器。其中8口服務(wù)器采用雙網(wǎng)段接入方式，每個(gè)接口分別對應(yīng)一個(gè)網(wǎng)段。配置時(shí)首先要對各Port口逐一激活并禁用大流量傳輸方式；各串口的工作模式選擇RS485/232，波特率要與底層傳感器保持一致（9 600 bit/s或4 800 bit/s） ；數(shù)據(jù)位和停止位的數(shù)值設(shè)置為8位數(shù)據(jù)位和1位停止位；由于該系統(tǒng)不同傳感器對于傳輸數(shù)據(jù)是否采用幀校驗(yàn)并不統(tǒng)一，因此校驗(yàn)位統(tǒng)一為“無”；分包長度和分包間隔取值分別為500和50 ms。

該系統(tǒng)工作模式為一主多從星形結(jié)構(gòu)，服務(wù)器工作模式為MODBUS RTU Slave；為避免與單口、4口服務(wù)器端口沖突，8口取值為31001-38001（主備一致） ；由于所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的底層接入設(shè)備網(wǎng)絡(luò)對端并非異構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)，因此禁用協(xié)議強(qiáng)制轉(zhuǎn)換模式；MODBUS 接收超時(shí)時(shí)間的取值2 000 ms，中位偏低；由于系統(tǒng)MODBUS ID設(shè)置清晰，各類標(biāo)簽數(shù)據(jù)采集、傳輸、接收的線路也被嚴(yán)格區(qū)分，所以沒有進(jìn)行ID過濾和從機(jī)預(yù)讀取的必要。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置，如圖2所示。

在服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)地址的設(shè)置中，EHTO和EHT1兩個(gè)接口分別對應(yīng)兩個(gè)獨(dú)立網(wǎng)段，一般只對EHT0進(jìn)行靜態(tài)IP設(shè)置，保留ETH1是為了給PLC接入預(yù)留空間，原因是自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)段選取需要獨(dú)立區(qū)分。

5） 邊緣網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)設(shè)置。

本系統(tǒng)采用的邊緣網(wǎng)關(guān)為EXware703工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。在進(jìn)入設(shè)置界面后應(yīng)首先關(guān)閉各接口的DHCP。在網(wǎng)絡(luò)編輯模式中，ETHO默認(rèn)為WAN口接入內(nèi)網(wǎng)，子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)和DNS與內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)一致；ETH1和ETH2默認(rèn)為LAN口，ETH2為PLC預(yù)留接口，ETH1設(shè)置為192.168.0.X網(wǎng)段，地址分配方式為靜態(tài)IP，與串口服務(wù)器的分配方式一致；最后關(guān)閉bridge/switch service，打開autorun scripts from external storage、show loading bar during boot模式，開啟設(shè)備自檢并為USB存儲(chǔ)趨勢做好準(zhǔn)備。

2.3 系統(tǒng)組態(tài)實(shí)現(xiàn)

2.3.1 搭建編譯環(huán)境

本系統(tǒng)采用Jmobile Studio完成組態(tài)編程并在Runtime環(huán)境下運(yùn)行工程項(xiàng)目，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚、邊緣計(jì)算和平臺(tái)交互等功能。在進(jìn)行組態(tài)編程前，首先要在JMobile studio中搭建好編譯環(huán)境，同時(shí)設(shè)置各傳感器接入對端網(wǎng)絡(luò)的通信規(guī)約并啟動(dòng)離線算法。系統(tǒng)離線重試超時(shí)時(shí)間根據(jù)需要獨(dú)立設(shè)置，因?yàn)樵撓到y(tǒng)為多類別傳感器接入方式，因此在編譯環(huán)境中需要選擇 “PLC網(wǎng)絡(luò)”并添加獨(dú)立編譯環(huán)境[5]。如圖3所示為400V-IN傳感器編譯環(huán)境。

2.3.2 組態(tài)編程

1） 組態(tài)標(biāo)簽。

在組態(tài)編程中，每個(gè)參數(shù)都是一個(gè)變量，稱之為“標(biāo)簽”。電力監(jiān)測儀從0X0000始至0X1004止，溫濕度變送器從0000H始至0001H止。其中“電能清零”地址為反向?qū)懭敕绞?，故只保?字節(jié)低位輸入。Physical address設(shè)置為高低位各兩個(gè)字節(jié)，低位承擔(dān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，高位預(yù)留防止數(shù)據(jù)溢出。物聯(lián)傳感器的數(shù)據(jù)傳輸幀主要采用03、06兩組功能碼，“Memory type”統(tǒng)一為“Holding Registers”；OFFset的具體數(shù)值需要通過Physical address 轉(zhuǎn)換得出，轉(zhuǎn)換方式為16進(jìn)制轉(zhuǎn)10進(jìn)制，如果Holding Registers對應(yīng)的偏移量是從400 000開始，轉(zhuǎn)換后的數(shù)值就要與400 000相疊加，高低位一一對應(yīng)?！癉ate type”電力監(jiān)測儀datetype為“unsignedInt”，溫濕度變送器和紅外溫度監(jiān)測儀datetype均為“short”。每個(gè)標(biāo)簽RATE設(shè)置為500 ms，即標(biāo)簽的刷新時(shí)間為1 s。

在組態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，傳感器的采樣值一般采用整型數(shù)據(jù)傳輸，輸出數(shù)據(jù)Tx為4字節(jié)，采樣數(shù)據(jù)并不能在

軟件頁面中直接顯示出來，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后才能得到十進(jìn)制數(shù)值。

由于采樣數(shù)據(jù)在平臺(tái)上需要呈現(xiàn)運(yùn)行趨勢，因此公式轉(zhuǎn)換路徑只能在scaling中實(shí)現(xiàn)。在轉(zhuǎn)換過程中，電壓、電流、功率因數(shù)等參數(shù)要進(jìn)行較大數(shù)值的乘除，為保證運(yùn)算后所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，就必須進(jìn)行Float數(shù)據(jù)格式強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，其他參數(shù)直接使用protocol方式轉(zhuǎn)換即可。

2） Web界面設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)Web顯示頁面分為主、副兩種頁面。頁面設(shè)計(jì)主要分為templates模板和page界面平臺(tái)顯示兩部分。進(jìn)入templates設(shè)計(jì)界面后，首先要定義“文本控件”，用以顯示頁面文本信息；接著定義時(shí)間和按鈕控件，“時(shí)間控件”Date-link為system time，time spec為local，系統(tǒng)時(shí)間與PC端保持一致?！鞍粹o控件”同時(shí)采用OnMouseclick點(diǎn)擊模式，進(jìn)入“events”窗口后，在“actionlist”中的“page”生成樹菜單中分別定義“prevpage”“homepage”“nextpage”等屬性功能。

模板設(shè)計(jì)完畢后進(jìn)入page頁面，添加模板并開始搭建頁面數(shù)據(jù)顯示平臺(tái)，如圖4所示。主頁面主要以表格方式顯示數(shù)據(jù)，其中左側(cè)表格為電力數(shù)據(jù)顯示區(qū)域，右側(cè)上端為趨勢圖超鏈接表格，右側(cè)中間為電能計(jì)算表格，下端為電能清零表格。所有表格均采用Grid Layout實(shí)現(xiàn)，在每個(gè)表格方框都需要添加數(shù)字控件，并且每個(gè)控件需要定義一個(gè)參數(shù)標(biāo)簽。為方便模擬器仿真，數(shù)字控件均采用read/write格式。

實(shí)時(shí)趨勢圖中的每個(gè)按鈕分別對應(yīng)一個(gè)參數(shù)趨勢，超鏈接在“events”的page生成樹菜單中實(shí)現(xiàn)，show frame為true; click type為momentary；歷史趨勢圖每個(gè)頁面表顯示最近12小時(shí)的趨勢，采樣間隔為25 s/次，實(shí)時(shí)趨勢圖每個(gè)頁面表格只顯示最近5分鐘的趨勢，采樣間隔為1 s/次。每個(gè)趨勢圖分為A、B、C三相電對應(yīng)曲線顯示。趨勢圖下端組態(tài)控件實(shí)現(xiàn)圖形移動(dòng)和光標(biāo)數(shù)顯功能，對各曲線點(diǎn)位會(huì)有具體的數(shù)值顯示。

2.4 場景應(yīng)用結(jié)論

軟件仿真完成以后，接入傳感器和各組網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)整體聯(lián)調(diào)。由圖5（a） ～（d） 的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)可以看出，整套系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，報(bào)警、提示、趨勢功能正常，各項(xiàng)參數(shù)顯示準(zhǔn)確無誤，各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)均符合預(yù)期。由此可見，通過物聯(lián)網(wǎng)場景的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，完全可以滿足對電臺(tái)主供配電系統(tǒng)的信息化、智能化改造需求。

3 結(jié)束語

系統(tǒng)建設(shè)完成并投入運(yùn)行后，技術(shù)人員通過內(nèi)網(wǎng)Web頁面即可及時(shí)了解供配電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，并可通過對主供配電設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、故障預(yù)警以及歷史采樣數(shù)據(jù)的對比分析，加速故障排查速度，為故障預(yù)判以及故障原因分析提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。通過本系統(tǒng)的實(shí)施，電臺(tái)將顯著提高運(yùn)維管理水平。

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【通聯(lián)編輯：梁書】