基于NB-IoT的电力变压器远程监测系统的研发

苏盼 刘文烽 吴建支 胡紫东

【摘 要】文章提出了一种基于窄带物联网（NB-IoT）技术的变压器远程监测系统，该系统能够将传感器实时采集的变压器运行中的各项参数进行数据处理后，通过蜂窝窄带物联网将数据由透传云平台送给数据监测平台。通过数据监测平台，实现数据实时分析，当数据异常时发送警告，实现远程实时监测功能。系统可查询历史数据，显示分析数据图表并支持打印。

【关键词】窄带物联网;透传云;数据处理;远程监测

【中图分类号】TM41 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）05-0041-04

0 引言

智能电网是电网技术发展的必然趋势，电力设备的智能化是智能电网的重要基础。变压器作为电力系统中的重要设备[1]，其技术性能直接影响电网的智能化程度。变压器在长期运行过程中难免出现故障和老化，需要进行定期维护和故障维护。故障存在突发性，无法预测，非故障期间的定期维护又消耗了不必要的人力、物力，为避免这类问题，在国家加快电网智能化发展的背景下，电网设备和系统智能化经过几年时间的研究发展已成功实现，目前国内变压器在线监测系统已能够实现对变压器油中气体含量、局部放电、油的温度、湿度及变压器损耗的监测评估。设备监控系统是物联网与大数据技术在“中国制造2025”中的典型应用，主要实现设备GPS、运行状态全面感知、故障诊断与远程控制等数据智能上传并记录，方便用户查看与管理，实现设备信息可追溯和帮助用户实现设备全生命周期一站式管理。

智能化变压器能够在线监测其工作状态和诊断故障，且随着网络技术的快速发展，可实现远程监测变压器实时运行情况，由不同类型的传感器采集相应的变压器运行参数，通过无线网络技术将实时采集的数据传送至软件平台实现远程实时监控。目前，人们广泛采用传感器结合Zigbee[3]、GSM、GPRS[1，4]、LoRa等物聯网构成的传感器网络[5]来传送数据，这与传统的由人工巡检读表相比提高了设备和系统的智能化程度，是顺应技术创新发展和市场需求的体现。物联网通信技术种类繁多，按传输距离可分为短距离通信技术和低功耗广域网（LPWAN），短距离通信技术适用于智能家居，低功耗广域网适用于远距离且长久使用的场合，如智能抄表系统。而LPWAN技术可按工作频段分为两类：一类工作在非授权频段[6]，无统一标准，靠自定义实现，例如LoRa、SigFox等;另一类工作在授权频段下，由3GPP支持的2G/3G/4G蜂窝通信技术，例如全球移动通信系统（GPRS）、长期演进（LTE）、窄带物联网（NB-IoT）。根据实际情况的不同选择不同的通信技术，电力变压器远程监测系统根据其远距离传输和低功耗的需求采用低功率、覆盖范围广的低功耗广域网（LPWAN）技术传输数据。

目前，低功耗广域网技术在抄表、路灯、消防等民生相关领域的应用验证了在物联网技术的选择上NB-IoT的优势：一方面，它是由国际通信标准化组织3GPP标准定义的窄带物联网通信技术。自2016年底标准冻结以来，在全球运营商、通信巨头和众多物联网实践者的共同推动下，细分场景下的标准化工作不断完善，使得NB-IoT在满足功耗和容量的同时，更兼顾了可靠性。另一方面，它部署在授权频段[6]之上，由全球运营商提供网络，稳定性高、数据传输安全有保障。包括国内三大运营商在内，全球运营商积极投入NB-IoT的建设布局，到2018年，全球已有28家运营商宣布NB-IoT网络商用。这对于企业而言，避免了网络部署难、运维重等成本问题。

基于以上方面，本文提出了基于NB-IoT的电力变压器远程监测系统，并对系统的设计进行分析和阐述。

1 系统设计方案

系统需实现对变压器进行数据采集、数据分析、数据传输、远程监测等功能，根据以上功能需求采用如下方案。

1.1 系统基本结构

电力变压器远程监测系统由数据采集模块、数据传送终端和透传云平台及数据监测平台等部分构成，可概括为感知层、传输层和运用层。系统设计的目标是能够完成变压器数据的采集，通过窄带物联网将数据送至监测平台进行数据管理，生成可供查询的记录和报表，并支持数据表打印，当数据出现异常时立刻发送警告。系统整体结构如图1所示。

1.2 系统工作原理

在整个系统中，数据采集模块负责采集变压器的电压、电流、温度等相关运行参数和模数转换，并按照通信协议将数据封装后发送至数据收发终端，随后云平台的数据接收中心通过透传云接收数据再送至监测平台的数据库，而数据库中存储的数据又可通过无线网络发送至移动终端或显示终端。系统工作示意图如图2所示。

2 硬件设计方案

系统的硬件部分包括数据采集模块和数据收发终端两个部分。其中，数据采集模块用于对变压器需要监测的电压、电流、温度、功率等运行参数的数据采集，并将经过模数转换后的数据按通信协议封装，通过RS485总线传送给数据传送终端。

根据功能需求，数据采集模块由不同类型的传感器和嵌入式系统构成，以32位嵌入式微处理器为核心，外围搭载时钟和电源电路、传感器模块、信号处理模块、A/D转换模块、独立存储模块、显示模块、按键模块和RS485通信模块，通信协议采用MODBUS。具体结构如图3所示。

在进行数据采集时，受变压器工作环境影响，采集的参量存在谐波和干扰，因此通常采用带有滤波功能的采集算法，由于算法种类多样，根据不同的需求运用在不同场合。傅里叶算法在信号处理中有着广泛的应用，离散化的傅里叶算法可利用计算机快速算出，又称为快速傅里叶变换（FFT），其衍生算法有全波傅里叶算法、半波傅里叶算法和递推傅里叶算法等。全波傅里叶算法滤波能力强，但计算量大且对于衰减直流分量存在滤波缺陷，故在此基础上衍生了半波傅里叶算法，能够在半个周期内计算出奇次谐波分量，但存在不能滤除偶次谐波分量导致的误差。递推傅里叶算法在全波傅里叶基础上递推出各次谐波的实部和虚部的表达式，减少了计算量的同时继承了全波傅里叶算法的优点，但在递推过程中仍存在误差累积，可采用一种改进递推傅里叶算法[6]。

采集参量的电信号离散化数学模型可表示如下：

式（8）中，Y'a为k-1个Ak的累加和，是一个中间量，Y'b同理。当经过一个基波周期，该式左端即等于式（3）右端。在计算时，可通过该式在每次执行采样中断时每隔一个基波周期就更新一次Ya（k-1）和Yb（k-1）来计算Ya（k）和Yb（k）。具体流程如图4所示。

数据传送终端采用NB-IoT DTU，这是一种使用NB-IoT网络进行无线长距离数据透传的外置式终端，能够通过配置内部脚本向数据采集模块发送相关指令，可远程配置内部参数，其内置32位微处理器、无线模块、看门狗等模块和支持多种协议的通信芯片，以嵌入式实时操作系统为软件支撑，具有多种接口且体积较小，支持串口与NB-IoT网络双向透明传输。NB-IoT采用简化的协议，大幅度提升了终端的待机时间，满足偏远地区对监测设备低功耗的要求的同时，其强大的覆盖能力能够满足厂区、地下车库和井盖等场合对深度覆盖的需求，而这些条件无线局域网（WLAN）无法满足。此外，与LoRa相比，NB-IoT的射频和天线在现有基础上复用，不需新建网络，低速率、低功耗、低带宽使得终端模块成本较低，且采集的数据无需通过网关，可直接上传到云端，简化了现场部署。综合以上因素，NB-IoT DTU具有长期的经济适用性。

3 软件设计方案

系统的软件设计包含云透传平台和数据监测平台。其中，云透传平台与NB-IoT DTU设备配套使用，可在此基础上对云平台进行二次开发。数据监测平台通过建立数据库对接收到的数据进行管理。

3.1 透传云平台

云透传是使数据在DTU和云端之间进行透明传输，不改变任何结构和数据，终端设备作为通道承载数据送至云端接收数据中心，整个过程对外透明。透传云平台通过建立虚拟串口与DTU和NB-IoT DTU建立通信，同时具备相关管理和配置功能，平台可登录多台DTU。打开虚拟串口这条通道即可接收从数据采集模块传来的数据。

对云平台进行二次开发可利用SDK和API完成。API（Application Programming Interface）即应用程序编程接口，是用于构建应用程序软件的一组子程序定义、协议和工具，是一套明确定义的各种软件组件之间的通信方法。SDK（Software Development Kit）即软件开发工具包，SDK编程通过直接调用API函数进行编程。对透传云平台进行二次开发时，通过RXTXcomm开发组件编写程序读取云端虚拟串口收到的信息再保存到数据库的方法，利用Java开发平台编程。软件流程图如图5所示。

通过滤波获得的谐波信息可用于计算分析变压器的附加损耗，对延长变压器的使用寿命有很大作用。谐波的测量可结合优缺点互异的算法进行互补，以减小误差。

3.2 数据监测平台

数据监测平台的设计可采用浏览器/服务器（B/S）多层架构，示意图如图6所示。可支持用户异地浏览和信息采集，支持历史数据查询、图表分析和发送警告等功能。数据监测平台由数据库、Web服务器和网页查询系统构成。其中，数据库用于存放和更新各类数据，Web服务器用于管理網页组件和回应浏览器请求的程序，网页查询系统用于查看数据和图表。

3.2.1 Web数据库

数据库可通过Microsoft SQL Server建立，它是由Microsoft开发和推广的关系数据管理系统，支持Web技术，用户能够将数据库中的数据发布到Web页面上，具有管理方便、编程接口丰富、多线程体系结构、并发控制能力强等优点。

数据库是表的集合，结构化的数据就存储在各种表中。表由表示记录的行和表示字段或属性的列构成。数据库内容包括系统菜单和各参数数据表、用户信息、服务器串口表和系统串口管理表等。系统菜单结构包括菜单ID、菜单名、上级菜单ID、上级菜单名、点击菜单跳转页面地址。采集的参数数据表中内容包括变压器电压、电流、油温、绕组热点温度、油压、铁芯接地电流等，每个参数需要显示数据和当前运行状态。用户信息包括用户名、用户登录账户、登录密码、用户身份、管理权限、账号状态等内容。

数据库通过SQL（Structured Query Language），即结构式查询语言对数据进行组织、管理和检索，可对数据库内容进行查询、添加、删除数据行、修改数据等操作。

3.2.2 Web服务器

Web服务器是可以向请求方提供服务的程序。作为网站用户和数据库之间的桥梁，它和前端页面、APP直接通信，接收请求并返回结果，和前端组成用户逻辑。服务器使用超文本传输协议（HTTP）进行信息交流，其工作流程可概括为4个步骤：①建立连接。请求方通过TCP/IP协议建立到服务器的传输层协议连接。②发送请求。请求方向服务器发送HTTP协议请求包，请求服务器里的资源文档。③应答请求。服务器向请求方发送应答包，如果请求的资源包含有动态语言的解释引擎负责处理动态内容，并将处理得到的数据返回给请求方，由请求方解释HTML文档，在屏幕上渲染图形效果。④断开连接。请求方与服务器断开。

服务器可采用Tomcat，它是一个免费的开放源代码的Web应用软件容器，能够运行Servlet和JSP Web应用软件，普遍应用于中小型系统和访问用户不是很多的场合，具有处理HTML页面的功能，且运行时占用的系统资源小，扩展性好，能够满足系统的功能要求。用户在访问网页时，首先浏览器会先请求DNS服务器，获得请求站点的IP地址，然后生成一个HTTP请求发送给Web服务器，服务器收到请求后会根据请求需要进行处理，并将网页以HTML文件格式返回给浏览器，由浏览器显示到界面供用户查看。服务器工作流程如图7所示。

3.2.3 网页查询系统

网页查询系统通过用户登录后进行相关查询操作，用户通过浏览器端的操作界面以交互的方式经由Web服务器访问数据库，用户向数据库提交的信息和数据库返回给用户的信息均以网页形式显示。

查询系统页面的制作通过网页编辑器来完成，常用的软件有Dreamweaver、Fireworks等，网页页面的设计通过软件将构思的蓝图变为现实。JSP网页程序由软件编辑完成后，经过JKD编译后在Tomcat服务器下运行。采用JavaScript编程语言可与HTML超文本标记语言、Java脚本语言搭配使用，实现一个Web页面中连接多个对象，与Web客户交互作用。

4 总结

该系统的设计方案通过物联网将现场数据采集和远程数据监测平台连接在一起，能够实时监测变压器运行状况，用户只需会使用浏览器即可轻松操作，且系统支持列表查询、报表生成、图形绘制等功能。以一台额定输出220 V电压的小型变压器为实验对象，每隔10 min进行一次数据采集，与仪表实测数据对比见表1，生成的电压电流折线图如图8所示。实验结果说明该系统能提高办公效率，极大方便变压器维护人员对现场情况的及时了解。

参 考 文 献

[1]Rahman S，Dey S K，Bhawmick B K，et al.Design and implementation of real time transformer health monitoring system using GSM technology[C].International Conference on Electrical IEEE，2017.

[2]王祯璋，王奇平.基于无线远程通信技术的变压器状态在线监测系统设计[J].电力与能源，2017（12）.

[3]刘新辉，林东敏.基于无线传感器网络的智能变压器监测系统终端设计[J].工业仪表与自动化装置，2013（6）.

[4]耿永刚.远程变压器监测系统的设计及实现[J].现代电子技术，2012（10）.

[5]周超.基于物聯网的变压器远程监测系统开发[J].现代机械，2018（2）.

[6]飞白.NB-IoT战LoRa一场胜负已定的斗争[J].通信世界，2018（26）.

[7]刘益青，高伟聪，孙天德.适用于数字化保护的改进递推傅里叶算法[J].电网技术，2016（5）.

[责任编辑：钟声贤]