基于物联网中间件的变配电系统监控方案研究

吕国，孙皓月，司亚超

(1.河北建筑工程学院现代教育技术中心，河北张家口 075000；2.河北建筑工程学院信息工程学院，河北张家口 075000)

基于物联网中间件的变配电系统监控方案研究

吕国1，孙皓月2，司亚超2

(1.河北建筑工程学院现代教育技术中心，河北张家口 075000；2.河北建筑工程学院信息工程学院，河北张家口 075000)

智能型变配电监控系统既是保证供配电系统可靠运行的必要手段，又是现代化企业实施电力运行管理的有效方式。充分研究了变配电监控系统的功能，引入物联网中间件的概念来设计智能变配电系统监控方案。采用了Zigbee和RFID两种底层数据采集技术来实现上层应用与物联网感知层数据采集硬件设备的耦合连接。在此基础上，提出了基于物联网中间件的智能变配电监控系统的设计及实现方案，并对该方案中涉及的关键技术进行了详细阐述。

物联网；中间件；变配电；监控

变配电站是电力系统的一个重要的组成部分，是电力网络各个线路间重要的连接部分。变配电站作为变换电压、汇集和分配电能的核心设备，它的安全运行直接影响着电网的整体运行。随着计算机技术和网络技术的发展，变配电监控技术被引入到电网控制系统中。

作为提高供电系统可靠性的有效手段，变配电监控系统可以迅速而准确地获得变配电站的运行实时信息，完整掌握变电站实时的运行状态，及时发现故障，并对相应的故障作出及时反应和处理，减少事故的发生；同时值班管理人员根据变配电站系统的运行情况进行远控分合闸、躲峰填谷、合理调度，以达到设备按最佳工况运行，节约能源的目的；此外，还可以对变配电站内的设备实现遥控、遥测、遥信，减轻工作人员劳动强度，提高劳动生产率，使供电系统安全、合理、经济地运行。

变配电设备具有分布点多、分布面广的基本特征，且大部分都部署在室外，容易受天气及人为等因素影响而引发故障。所以本文利用物联网中间件技术，开发了针对各种电力设备日常运行过程中的设备运行参数、设备状态异常、设备破损、性能降低等项目的实时监测和控制系统，可以在各种隐患发生前采取有效的应对措施，避免电力设备出现故障，以保障供电系统的可靠运行。

1 智能变配电站监控系统总体设计

智能化变配电站监控系统是智能电网的重要组成部分。它是智能变配电站在充分信息化、智能化建设的基础上通过汇聚、检测和控制变配电站运行状态信息而形成的监测系统，主要功能如下：

(1)电力设备的监测及预警功能

将数据采集设备，例如各种传感器节点部署在变配电设备上，利用这些数据采集设备精确采集变配电设备的运行状态参数及环境参数，以实现精确监测和控制的目的，以便进行设备故障的早期诊断和预警，提高变配电安全运行的能力。

(2)电力设备的检修辅助、设备记录、定位功能

利用各种智能设备的定位、记录功能，对传感器节点收集来的信息进行记录、存储，对现场设备进行定时巡检。

从以上功能分析可以得出，一个完善的智能变配电站监控系统必须具备数据采集功能、数据存储功能、数据分析功能、实时状态显示功能、状态报警与控制功能等。同时，为了远程监控，还要具备数据通信功能。系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

在总体结构中，处于核心地位的是数据采集和数据通信层的构建。根据功能的分析和研究，利用基于物联网的中间件技术是解决这一环节的最优方法。

2 利用物联网中间件技术构建智能变配电站数据采集通信层分析

物联网是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1]。从此定义可以看出，将物联网的相应技术和产品广泛地应用于电力系统的发、输、变、配、用环节，不仅可以有效地对电力系统的基础设施资源进行整合，全方位提高电力系统的通信水平，还能很好地改善当前电力系统基础设施的利用率。

物联网技术体系可分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层是对所监测的事物进行全面的感知，即完成的是数据采集的功能，主要利用了传感器节点、RFID读写器等设备，完成变配电站设备的温度、环境的温度、设备的震动、设备的倾斜度、环境的湿度、设备的电流、电压等参数的采集。同时在感知层还设置了固定IOT Device Agent，功能是将采集的数据进行初步处理和融合；网络层是将信息利用多种有线或无线通信网络进行可靠的传送。在物联网中，可利用的通信方式有很多种。其中，基于Zigbee技术的无线通讯方式是目前发展态势最好的一种。它具有近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的基本特性，是一种非常适合于工业监控的双向无线通讯技术，可以在各种电子设备之间进行数据传输。一个Zigbee网络由一个汇聚节点和若干个分节点组成。将传感器节点及RFID读写器采集的数据通过固定IOT Device Agent融合在一起，再在汇聚节点设置IOT Server服务器。IOT Server服务器将采集的传感信息进行分析处理后生成透明的业务数据，进而支撑整个变配电监控系统。应用层的主要功能是对在IOT Server服务器端形成的数据流进行智能化的处理，为用户提供丰富多样的功能和服务。由于应用层的服务面向不同的应用和用户，需求多样而且灵活多变，对数据的处理和应用程序的开发形成了一定的负担，因此在这一部分与底层之间，应用中间件技术来解决这一难题。

物联网中间件是实现底层硬件设备与应用系统之间数据传输、过滤、数据格式转换的一种中间程序，其处于物联网的集成服务器端和感知层、网络层的嵌入式设备中。

针对于智能变配电站所使用的底层信息采集硬件——RFID读卡器、传感器节点，以及网络层的Zigbee汇聚节点，物联网的中间件需要实现系统中硬件设备与上层提供的WEB应用服务之间的数据传输、过滤以及数据格式转换。因此中间件需要两类核心功能：其一，将不同结构的感知层所传送来的数据流进行格式的统一及集成；其二，将应用层不同的服务转化为不同底层可以执行的命令，以驱动控制设备的运行过程。具体系统结构如图2所示。由图可知，基于Zigbee和RFID/传感器节点的物联网中间件应该具有数据流协议转换功能和底层硬件状态参数信息的设定功能。

图2 中间件系统结构

对于数据流协议转换，采用XML技术来实现。XML是一种自描述、半结构化和可扩展的标记语言。它将数据和对数据的描述结合起来，不仅能够表示结构化数据，还能表示半结构化数据。XML具有内容独立性，所存储数据不受一种统一的数据模型限制，屏蔽了数据源中应用环境和数据结构的异构性。XML把文档如数据、结构、以及显示方式这三个基本要素独立开来，分别进行处理，这使得其他应用系统能够忽略不相关部分而直接对自描述的XML文件中的数据进行操作，从而实现异构数据源中数据的互操作[2]。

对于底层硬件状态参数信息设定功能，采用中间件获得Zigbee和RFID/传感器节点的接口位置信息，并利用VC++等开发工具对其接口操作进行编程，从而实现对设备的操控。当需要调用某一具体技术对应的类的时候，可以利用第三方工具包dom4j中的方法解析配置文件，通过XML文件配置的映射关系对处理命令进行一定程序的解析，最后再利用开发工具进行实现。

3 总结

随着物联网技术的不断发展，物联网应用于智能变配电站中将成为推动变配电站控制技术发展的重要手段，有助于解决电网各个环节重要运行参数的在线检测和实时信息掌控。基于物联网中间件的信息聚合方案，采用传感器、RFID与Zigbee技术相结合的方式，构建了基于智能变配电站的信息感知层、网络层和应用层，形成了较强的数据处理能力和完善的通信能力，能够为智能配变电监控系统提供良好的技术支撑和弹性可扩展的软件架构。

[1]李正明，吴波．基于物联网的智能家居控制系统研究[J]．现代科学仪器，2012(4)：68-69.

[2]王凡．基于Zigbee和RFID的物联网中间件的设计与实现[D]．北京：北京邮电大学，2011：13-16.

Research on distribution system monitoring scheme based on internet of thing middleware

LV Guo1,SUN Hao-yue2,SI Ya-chao2

Intenlligent variable power distribution monitoring system not only was the essential means to ensure reliable operation of distribution system,but also was a modern enterprise implementation of electric power operation management the effective way.The distribution function of the monitoring system was fully studies.The concept of the Internet of middle price monitoring scheme was introduced to design the intelligent power distribution system. Zigbee and RFID were adopted to realize the upper application and coupling connection for two underlying data acquisition technology.And on this basis,the Internet of things middleware intelligent for the design and implementation scheme of power distribution monitoring system was put forward,and the key technologies was described in detail.

IOT;middleware;substation;monitoring

TM 63

A

1002-087 X(2014)02-0371-02

2013-09-30

张家口市2013年科学技术研究与发展计划自筹经费项目(1321006B)

吕国(1978—)，男，河北省人，讲师，硕士，主要研究方向为计算机网络与物联网技术。