物联网技术下的配电线路在线监测系统应用

葛绍妹 叶伟 袁堃 刘进进

摘要：电力系统安全与供电质量是电力用户最为关心的问题，为保证电力稳定供应，使用在线监测技术对配电设备进行检修已经成为电力企业的必然选择。本文通过分析配电检修中应用在线监测技术的意义，深入探讨了环网柜、高压断路器等关键配电设备的在线监测技术，为提升电网运行质量提供解决方案。

关键词：物联网技术;配电线路;在线监测

在线监测技术经过十几年的快速发展，其应用效果已经得到广泛认可和全面验证。在线监测技术通过多种传感器和数据采集设备，实现配电设备工作情况的全方位监控，智能化的在线监测设备还能将采集到的数据与设定值进行比对并调节，初步实现了配电设备自修复和自调整目标。另外，配电设备一旦发生故障，造成的经济损失往往较大，使用在线监测技术记录和监测设备使用的全过程，一旦发生故障，设备故障之前的运行数据能够为技术人员提供故障分析与故障排除的基础数据和分析依据，大大降低设备维修时间。

1 基于物联网技术的配电线路在线监测系统总体设计

1.1 系统功能设计

（1）配电线路非电量和微气象在线监测。利用传感器在线采集并传输配电线路相关参数，如：杆塔倾斜角、温度、湿度、光照强度等，计算不同光照强度监测区域内太阳能光伏板的平均功率，确保系统监测节点的安全稳定性。（2）配电线路监测数据传输分析。利用传感器进行配电线路运行状态检测量的周期性采集工作，对配电线路状态数据进行实时传输、访问、下载、统计和分析，及时获悉配电线路运行状态及预警信息，确保配电线路的合理规划。（3）配电线路监测系统终端节点的功率估算。由传感器芯片功率、监测周期、传感器持续工作时间为依据，进行配电线路监测终端节点功率的估算，获悉有效光照时间，由此估算蓄电池容量，确定蓄电池更换时间，保证终端节点运行的安全稳定性。

1.2 通信方式

考虑到配电线路结构复杂、分支较多、传输距离远、地理跨度大等情况，可以采用GPRS无线通信方式，设置GPRS通信模块单元：USR-GM3，实现串口设备与网络服务器之间数据的双向传输，通过Lora的超远距离无线传输技术，进行监测区域节点之间的数据传输及协调器节点与远程监控中心之间的数据传输。

1.3 系统总体架构设计

基于物联网的配电线路在线监测Lora系统应用于系统目的监测点和网关节点之间，主要应用于STM32处理器、射频收发器、RS45模块接口和以太网接口等设备，实现摄像头电源通断管理和通信箱无线接入开关管理，采用星型组网或多跳组网的方式，远程监测输电线路现场状态和设备运行状态。GPRS无线通信应用于系统数据中心和数据终端单元的设备之中，如：日历时钟模块、PC机及其电源、LCD液晶显示设备等，用于查询命令的设置及响应监测终端的请求，并将被监测设备的状态信息回送给数据中心。系统终端节点设置于配电线路的杆塔上，通过预设指令周期性唤醒的方式，实现不同传感器的链接，进行配电线路运行状态数据的实时在线采集，并进行数据信息的实时处理和发送。其中：路由器节点主要负责网络中的数据路由，扩展网络通信距离。协调器节点将各子节点发送的数据传输至GPRS通信模块，再将配电线路运行状态数据上传至网络服务器IP，满足用户即时访问和数据读取的需求。

2 基于物联网技术的配电线路在线监测系统硬件设计与应用

2.1 系统硬件模块选型

系统电源为各部分供电，传感器和终端节点经由I2C接口相连，终端节点进行监测区域内各待检测量数据的实时采集，由I2C串口进行数据传输，并由单片机进行数据处理和分析，由网络上传至协调器节点、GPRS通信模块和网络服务器IP。具体硬件模块选型包括有：1）倾角传感器MPU6050。实时在线采集配电线路杆塔倾斜数据，通过内部集成处理的方式，将输出量转化为数字量，利用内置的可编程低通滤波器，排除数据采集时的干扰。2）温湿度传感器DHT11。实时在线采集配电线路的温度、湿度数据信息，经由传感器内置的单片机进行处理，将模拟量数据转化为数字化信号，获悉配电线路运行环境下的温度和湿度参数信息。3）光照强度传感器GY-30。GY-30传感器内置16bit AD转换器，进行采集数据的数模转换和数字化信号输出，具有极强的抗干扰性能。同时，该部分还具有极强的分光特性，测定精度较高。4）稳压器AMS1117-3.3。利用该装置为系统相关模块提供能源，输出电压为3.3V，工作温度为-40℃-125℃，为系统提供电压幅值相对稳定的直流电压源。5）GPRS通信模块USR-GM3。该模块通过GPRS网络的AT指令设置方式，进行串口设备与网络服务器之间数据的双向传输，并支持低功耗模式，在低功耗模式下串口设备仅输出数据而不能接收数据。

2.2 终端节点硬件设计与应用

系统终端节点采用周期性休眠与唤醒的工作模式，当进行数据处理时唤醒终端节点，采用全功率模式运行;当没有数据处理指定时，则使终端节点处于低功耗（休眠）模式，由此降低终端节点的能耗，延长蓄电池供电时间。

2.3 协调器节点硬件设计与应用

考虑到路由器节点和协调器节点的数据传输量较大，可以选用全功能設备进行配电线路的在线监测，由路由器节点负责拓宽无线网络的通信范围，通过电源模块进行电源变换，再由输出电路进行供电。协调器节点则设计有CC2530模块、GPRS通信模块、电源模块等部分，负责配电线路监测数据的接收和上传，由CC2530协调器节点将接收数据传输至GPRS通信模块USR-GM3，进行数据上传、访问和下载，并由电源模块保证数据的处理和传输实现。

3 系统能耗估算及测试

3.1 终端节点能耗估算

在不同监测采集周期条件下，终端节点的总能耗测试结果如下：当监测采集周期分别为2s、10s、30s、1min、2min时，终端节点总能耗为4621.5J、924.3J、308.1J、154.1J、77J。

3.2 蓄电池容量估算

要预先计算配电线路负载日均用电量，确定系统自给天数，根据不同的负载日均用电量，获悉对应的蓄电池容量。在监测采集周期分别为2s、10s、30s、1min、2min的条件下，蓄电池容量分别为13.89A·h、2.78A·h、0.93 A·h、0.46 A·h、0.23 A·h。在系统不同自给天数条件下，终端节点对应的蓄电池容量估算值不同，当系统自给天数为5d、10d、15d、20d、30d时，蓄电池容量分别为0.93 A·h、1.85 A·h、2.78 A·h、3.71 A·h、5.56 A·h。

3.3 供电性能测试

通过对系统不同供电模块的电压幅值波形图分析可知，系统电压模块供电电压幅值相对稳定，满足通信模块及传感器运行的电压要求。

3.4 监测数据测试

通过测试可知，系统倾斜角的采集误差在±1°以内，湿度采集误差在±1.5°以内，温度采集误差在±0.5°以内，光照强度采集误差在±2lx以内，具有良好的稳定性和检测精度。

4 小结

综上所述，物联网技术下的配电线路在线监测系统实现对配电线路运行参数的在线监测，估算系统各终端节点的能耗及蓄电池容量。后续还要不断深化系统的抗干扰分析，加强对系统状态预警和动态增容方面的研究。

参考文献

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