基于物联网技术的分布式配电室远程监控系统

北京皓能电力工程有限公司 李 波

以往电力企业在对配电室进行管理时，通常依赖于人工定时的方式对各类电力设备仪器进行检测，并手动绘制成表格的形式上报。但这种管理模式在实际应用中工作效率极低，并已无法适应当前大部分智能配电网的规模及用电用户的需求。同时，由于当前配电室建设较为适宜的地区逐渐减少，已有相当一部分配电室被建设在相对偏僻的区域，在各个地区分布十分分散，也对配电室的管理造成了一定影响，进而影响到整个电力系统的正常运行。

1 系统硬件设计

1.1 多种功能传感器选型

在本文基于物联网技术的分布式配电室远程监控系统在实际应用中的需求下，综合系统设计成本、功耗以及应用性能，选择系统硬件设备。根据配电室的日常运行特点，对用于测量和采集各种参数的传感器设备进行了初步选型，需选择能实时监测烟雾、红外入侵、水浸、温湿度等的传感器。选用YD5543-230型号烟雾传感器，用于对配电室内烟雾参数进行采集。该型号温烟感传感器是一种能够集成光电烟雾和温度的传感器，当配电室环境中出现烟雾浓度或温度超过了事先设定的安全范围时，立即产生相应的报警开关量信号，并将信号通过物联网传输到系统上位机当中，由其控制相应的设备断电，以此避免出现更严重的安全事故发生[1]。

针对红外入侵进行监测的传感器采用DB546-062型号以红外线作为介质的传感器结构，当该传感器检测到配电室内有未经允许进入的人时，该型号传感器也会自动被触发并发出报警信号。水浸传感器选用SI59-320型号传感器，该型号传感器在实际应用中是基于液体导电的原理。首先利用电极对配电室内是否有水存在进行探测，当探测到有水存在时，再自动转换为干接点，产生相应的开关量报警信号。选用DH456-20型号温湿度传感器，对配电室中环境温湿度数据进行采集，同时在对检测到的信号进行处理时，能够实现对其校准，并将准确的数字温湿度通过物联网进行传输。四种不同功能传感器的相关技术参数如下。

烟雾传感器YD5543-230：供电2.5V～5.5，烟雾 量 程0～10mg/m3，响 应 时 间0.5s，模拟 量4路0～15mA 输入；红外入侵传感器DB546-062：供电1.5V～4.5，探测距离15m，响应时间0.2s，模拟量6路0～12mA 输入；水浸传感器SI59-320：工作温度-10～45℃，信号类型Zigbee，供电方式CR2160电池，工作电压2.5V；温湿度传感器DH456-20：输出类型Digital，供电1.5～2.5V，准确性+/-1Cto+/-3C，响应时间0.5s。四种不同功能和型号传感器的报警指示灯均能常亮5s 及以上，无线传输频率均能够足本文系统的传输要求，在发出报警的同时能自动生成警情报告、电池电量报告以及防拆报告等数据信息，以此为发生安全事故提供可靠的数据依据。

1.2 单片机选型

在本文基于物联网技术的分布式配电室远程监控系统硬件结构中引入STC12W18S5型号单片机，利用硬件SPI 接口将其与网络通信芯片进行连接，该型号单片机主要以SPI 模式为主，在实际应用中该型号单片机具备速度快、功耗低等优势。在STC12W18S5型号单片机中引入高精度R/C 时钟，以此节省原本系统内核心芯片的外部晶振和复位电路，使系统在研发阶段更加简单方便。同时，在STC12W18S5型号单片机中引入两个16位可重装载定时器T1和T2。在单片机内部集成多组异步和同步串行通信端口，确保上述选择的各类传感器采集到的数据能通过STC12W18S5型号单片机在物联网当中实现快速传输[2]。

将STC12W18S5型号单片机上的P1.5、P1.4和P1.3作为配置复用输入输出接口，由单片机通过对网络传输芯片进行读写操作，以此实现与物联网的通信功能。将STC12W18S5型号单片机P0.0～P0.8接口依次与各个传感器开关量的信号输入和输出端口进行连接，并通过物联网直接获取各个传感器的开关量信号。由STC12W18S5型号单片机发出控制信号，并驱动继电装置控制各个电力设备连接线路的通断，依次实现对各个配电室多路风扇和照明设备的开关控制，进而达到远程控制配电室目的。

2 系统软件设计

2.1 配电室各监控参数采集

在对配电室进行远程监控时，首先需针对上述选择的多种传感器获取到的参数进行采集，完成对开关量数据、温湿度数据等采集工作。根据本文上述传感器选型，定义开关量输入端口信号，8个信号名称、端口信号及其定义分别为：YD1/P0.0/烟雾传感器1状态信号；YD2/P0.2/烟雾传感器0状态信号；DB1/P0.4/红外传感器1状态信号；DB2/P0.6/红外传感器0状态信号；SI1/P0.8/水浸传感器1状态信号；SI2/P1.0/水浸传感器0状态信号；DH1/P1.2/温湿度传感器1状态信号；DH2/P1.4/温湿度传感器0状态信号。

以上8路开关量均可通过DI 开关接口的端口信号对其进行直接获取，由于开关量的状态只有开和关，因此只给出两种状态1和0，其中1表示为开，0表示为关[3]。在本文系统运行过程中，利用定时器完成各项调度任务，并分别设置对应的采集时间，按照图1所示流程实现对配电室内各个参数数据的采集。每次从各个传感器上获取到的数据均为32位，以温湿度数据为例，得出的数据为湿度高7位、低7位、温度高7位、低7位和末4位组成。

图1 参数采集流程图

2.2 基于物联网技术的分布式配电室环境信息远程监控

在本文上述软硬件开发环境的基础上，在系统中引入物联网技术，根据上述操作完成对配电室内各个监控参数的采集后，利用物联网云平台对各类信息进行远程监控[4]。通过对物联网云平台互联协议进行分析，本文采用JSON 作为各类配电室环境信息的传输格式。首先在物联网云平台中创建个人账号并申请相应的密钥，根据配电室的运行情况，按照数据采集和开关添加各个数据采集传感器及开关，并在添加完毕后获取各个传感器的ID。在对传感器采集到的各类数据信息进行上传时，由分布式Web 负责将各类数据及获取到的开关状态信号进行统一处理，并构建一个格式规范的JSON 数据串，再建立一个TCP 连接，并利用HTTP 传输协议将各类数据信息传输到物联网云平台当中。

根据互联协议规定的内容，从物联网云平台中一次只能获取一个开关的开关状态，并依次将需进行数据获取的设备和开关的ID 进行填充，一次构成一个GET 报文并在物联网环境中完成对数据的传输，实现系统用户对分布式配电室环境信息的查询。

2.3 报警联动处理

根据本文上述对系统的设计，可实现各个传感器分布式配合联运处理和控制，根据配电室需要，采用多个运动报警与多个设备联动的处理策略。在根据不同配电室的参数安全范围设定后，可利用报警联动功能实现对配电室运行保护控制。以配电室内部环境温湿度为例，当传感器监测到温湿度数据出现异常时，通过物联网实现传感器到系统上位机的远程传输。此时由报警联动实现对空调和通风设备的开关控制，开启后实现对温度和湿度的调整。此外按照下述方式设置本文系统中的报警联动处理逻辑：

当有未经允许人员进入到配电室时，系统自动联动视频监控，以此实现对人员视频图像的获取，并在完成对人员画面的记录后将其上传到系统上位机中并报警；当配电室开关柜温度超过事先设定的范围时，系统自动联动开启空调、风机等设备进行降温并将这一过程中数据的变化情况进行记录，并将其上传到系统上位机中；当配电室风机、空调设备出现不工作的问题，由系统自动联动判断出其相关状态并驱动视频设备实现对其拍照记录，并将结果传输到系统上位机中，通过上述制定的联动处理方案实现对配电室的远程监督和控制。

3 对比实验

选择某电力企业的配电室作为实验环境和实验对象，分别利用本文提出的基于物联网技术的分布式配电室远程监控系统，以及该电力企业现行基于串行通信技术配电室监控系统应用于该配电室运行管理当中，并实现对其监控。在实验过程中设置两种运行系统的条件均相同，选用Windows8作为两种系统的操作平台，选用Internet 200MB 作为网络运行环境。为验证两种监控系统的监控精度，选择将其得到的配电室各项相关参数监测精度作为实验评价指标。在已知该配电室温度为26℃、湿度为39%的情况下，分别利用两种系统对其进行监控，并将系统采集到的数据与已知数据进行对比，得出其监控误差，利用Excel 软件对实验结果进行记录并分析，得到如表1所示实验结果。

表1 两种监控系统实验结果对比表

从表1得到的数据可看出，本文系统无论是在对配电室温度进行监控还是对湿度进行监控，得到的结果精度误差均明显小于该电力企业现行基于串行通信技术的监控系统。因此，通过对比实验证明，本文提出的基于物联网技术的分布式配电室远程监控系统在实际应用中具有更高的监控精度，获取到的数据可靠性更强。