基于物联网技术的智能电力监控系统实施

摘 要：智能电力监控系统（物联网技术）的构成部分比较多，其中之一即为智能电力设施辅助监控系统。从智能电力监控系统（基于物联网技术）现实需要入手，进行了智能电力设施辅助监控系统（基于物联网技术）构建，将物联网技术引进并应用于该系统中，基于物联网构建的感知终端设备（数量庞大）完成各种各样的数据采集，再利用网络向上层应用发送，智能化管理、分析及电力设施智能化水平提升目标就此逐一实现。

关键词：电力系统;物联网;机器视觉;智能监控

物联网实质上属于互联网与通信网的延伸、拓展，其主要通过智能设备与感知技术识别物理世界，以网络传输互联为基础展开知识挖掘与处理、计算，就此达成物与物、物与人之间的无缝链接与信息交流的目标，以此在科学决策基础上精确管理、实时控制物理世界[1]。清洁能源需求增大、高效安全的电力供应增长持续凸显了可持续发展方面存在的问题，进一步加剧了能源短缺现象，从世界电力发展趋势来看，智能电网的核心地位已成事实。中国国家电网公司业已明确了智能电网建设目标，即互动化、自动化、信息化，意在一体化电力领域内的业务流、信息流、电力流[2]。

信息技术迅猛发展提下的自动化电力系统主要是指基于电网运行信息收集、处理目标实现的系统。基于技术应用的研究结果证实，只有全面展开自动化电力系统研发，从技术角度支持电力发展，才能将通信技术与电脑网络技术协同工作目标顺利实施[3]。从现实需求分析，只有基于能源节约视角优化、强化资源配置，才能有效契合现代中国经济社会发展的需要。而只有自源头节约、利用电能，从而将传统电力系统工作模式全面颠覆，才能实现这一目标，促进国内电力系统竞争力提升，强化其行业发展的可持性。

系统保护也极为关键，而高压运行系统即为系统保护的主要目标，有效保护电力系统发电、输电过程，将现代物联网技术加以全面利用，能进一步满足现代公众的生产与生活需要，创造出更多便利性，这是因为一旦将物联网技术全面引进应用于电力系统，智能电网中的诸多现实制约即会迎刃而解，显著提升其运行可靠性与安全性，持续加快国内电力系统发展的效率、质量与速度。

一、智能电力监控系统

1.1智能电力监控系统架构

以向前推动，从而使气体钻井速度大大提高，以内部技术框架为标准可以将物联网技术划分为三种不同的层次：感知层、网络层和应用层。感知层通过一系列终端设备以及基站等基础设施来实现相关数据的收集工作，感知层在整体结构上处于物联网体系的最下层，是帮助物联网展开全面感知必不可少的重要组成部分;网络层是基于互联网以及相关局域网等多项网络系统对收集的相关数据进行实时准确的传输，它的存在使物联网的可靠性在原有基础之上大大提升;应用层的作用在于采用科学智能的方式方法处理相关数据，根据客户的实际需求进而设计出与之对应的个性化服务。

感知层的主要构成有获取实时温度的智能传感器以及搭建在基站上的物联网系统、烟雾传感器等多项采集设施。网络层充分借助工业以太网的强大功能进而将采集到的重要数据及时传输给上一层并加以应用。应用层将下层传输来的数据加以整理并归入数据库中，同时对其展开智能分析，此外应用层还可以实具有查询早期的原始数据以及对相关漏洞进行检修的功能。

智能电力监控系统以先进科学且应用较为广泛的物联网技术为研究基础，同时经过充分考量进而选择以安防监控以及智能检修模块为切入点展開深入细致的调研。由于感知层上所搭载的多项采集设备在接入方式上差异不大，因此将设备的实时热点温度监控放在研究的重要位置上。

在电力设施中，过度承载以及无法及时散热等多种因素都可能导致电缆接头、闸刀触点等较为重要的结点连接处发生损坏，进而造成设备无法正常运转。因此，将科学合理的物联网技术巧妙地融入智能检修系统中可以大大提升监控和预警功能的实际效果，及时发现潜在的故障并对其进行检修处理。因为电力设备中的很多重要点位处于电压较高并且电磁干扰持续不断的危险环境中，以往所运用的温度监控手段已经无法满足当下的实际需要。同时热点的数量较多且价格需要控制在合理的范围内。因此，在挑选最为合适的温度监控方式时需要综合考量电压以及设备的具体价格等多种因素。目前，国际上对于电力设备的一些重要点位的实时温度监控研究大多集中于现实中的温度测量手段。

1.2智能电力监控系统架构

本系统涉及监控端节点较多，在端节点中的传感器节点的具体组成主要有前期的数据采集单元、对采集数据加以传输的单元以及终端的数据处理单元和电源。采集单元的作用在于广泛采集自身所需的相关数据，处理单元实际上充当的是数据储存站的角色，传输单元则是运用无线传输模式在多个节点之间传输相关数据，电源负责整个系统中的电量供应。

本文设计中，无线温度传感器节点处于整个传感器网络体系的底端，其主要作用在于采集重要的数据信息并及时将其发送出去，由温度传感器和汇聚节点共同组成。温度传感器则充分发挥采集实时温度数据的重要功能，汇聚节点则起到实际控制温度传感器运行以及无线收发来自相关节点的数据的作用。温度传感器、单片机和无线收发模块是端节点的基本组成单元。

首先中转节点接收端节点图片发送请求，如果端节点发送过来的数据是真正有效图片数据而不是干扰信号，那么中转节点收到端节点发送过来的信息时会自动将图片存入中转节点的存储介质中，并且在中转节点硬件平台上对图片进行压缩，所采用的算法是小波变换压缩算法，然后管理系统服务器成功建立套接字Socket通信并把处理后的图片经4G无线网传至管理系统服务器端，与此同时，通知指定用户获取图片。

管理系统服务器端在接收到图片后，将其保存，然后自发解压文件以得到正常格式的图片，只要监控人员想要在页面中间显示图片，他们直接点击获取图片按钮，就可浏览图片。而且管理系统服务器端还可以进行“远程拍照”，在接收到套字之后，就可以点击按钮，向端节点发出拍照的要求，然后再重复节点拍照的流程即可。管理系统服务器端若想撤销套接字链接的监听，至只需要通过按“终止监听按钮”，端节点就会自己关闭监控系统。

二、智能电力监控系统设计

2.1功能需求

该电力设施智能系统的设计与构思，目的在于确保电力监控系统正常运转的同时不断降低经济成本支出，并使其安全性在原有基础之上显著提升。在设计目的基本确立后展开需求分析。硬件、后台监控及预警平台功能主要包括五个部分：实时数据采集：采用串口通讯模式来广泛收集传感节点的实时温度信息;实时数据显示：可对设备中一切传感节点的实时温度信息进行准确的显示;数据统计分析：查询早期的温度传感节点的历史温度数据并对其展开分析;平台资源管理：对传感节点中反映出的信息以及传输到基站中信息加以管理;预测预警信息：无线温度传感节点短期温度预测值及预警信息的显示。

2.2性能需求

以硬件、软件的具体性能为切入点展开分析，系统投入使用的时间越长，其内部所包含的信息和用户量也会在原有基础之上不断增加，这时我们一定要保证系统在接收到用户发出的请求后能够及时准确的做出反应。

2.3扩展需求

以扩展性角度为切入点展开深入分析，由于智能电力监控系统仍处于初步构建以及不断补充完善的阶段，因此在系统设计阶段必须充分考量多变因素，确保系统在信息变化的情况下仍可以稳定运行，当业务扩充时，系统在进行扩展的过程中也不能改变原有的基本架构，同时与上层应用进行及时准确的衔接。

2.4运行需求

以运行角度为切入点展开分析，良好的跨平台性也是系统不可或缺的独特优所在，在不改变代码的情况下将其转移到相关系统平台。

2.5安全需求

以安全需求为切入点展开充分的考量，该系统借助互联网的支持可以保证用户实时浏览和访问，因此系统安全性的提升不容忽视。可以通过设置相关权限同时完善信息加密传输来提升系统安全性。

三、智能电力监控系统硬件设计

3.1无线传感网络监控节点硬件设计

通过对无线传感网络监控的分析，对其终端数据采集节点的重要组成模块进行分解，分别是：（1）射频模块;（2）继电器模块;（3）主控模块 CC2530;（4）DS18B20温度及电流传感器模块。在分析电气故障过程中，通常表现为设备气流增大和温度升高两种现象。因此，在检测环节应针对故障的具体表现进行检测，具体检测流程包括：信号采集（温度和电流传感器模块）——数据传递（ZigBee 组网）——数据包处理及上传（主控模块 CC2530）。当节点控制器获得指令时，继电器模块的工作是负责整个设备高压真空开关的操作，而射频模块作为自带模块，设备需要通过此模块完成 ZigBee组网，最后是电源模块。

为了确保断电环境下数据的自动保存，在 DS18B20 传感器系统 EEPROM 的帮助下保证数据安全，同时也能及时供应智能电网监控系统对于信号采集的需求，是采集温度的重要手段，这也是该传感器最主要的优势。

3.2 4G与ZigBee网关节点硬件设计

无线网络传递技术在我国应用十分广泛，目前大部分公司都会选择 4G和ZigBee组网两种模式，这两种模式在个个方面都有着突出的优点。首先ZigBee网络速度特别快，在短短几秒内就可以传输出大批数据，并且实现大范围组网。其次，4G的优点在于可以实现远距传输数据，并且数据质量不会随距离的增加而发生变化，这项技术对于偏远地区人民有着划时代的作用。

首先要克服的难题是：如何将采集回来的数据包进行分析和重塑。对数据进行包封装、解析、重新包封装是实现数据传输的必要流程。只有经过三重历练的数据才是有效的，才可以被传输到各家各户。在这种模型下我们需要用到的技术有以下几种：第一ME3760网络传输芯片，第二S3C2240A微处理器，第三CC2530芯片。

3.3 4G与ZigBee网关节点微处理器模块

目前两种技术在性能上存在较大差异。首先4G网络与ZigBee网络的数据结构帧不同。针对这种现象，处理办法是：将两大系统处理器进行转化，转化后的数据可以使用。第二两种技术成本不同，为了扩大技术的覆盖面积，下面将采用S3C2240A微处理器作为网关处理器。

S3C2240A基本符合这一特征，它拥有强大的16/32位RISC微处理器，核心技术为ARM9芯片。这种芯片目前在国内很流行，其先进性表现在以下几个方面：第一缓冲速度顶尖;第二核心技术为Harvard、MMU、AMBA;第三主板设备齐全。S3C2240A以两个分开的16KB集合进行数据分析。

3.4 4G模块硬件电路设计

4G模块在进行选择时应用ME3760模块，这与其入网速度快、网络稳定、可以实现LTE数据的高性能傳输和双模多频、对数据和IP协议栈、分集天线接口和高速USB2.0接口数据的传输的支持等优良性能有着直接关系。此次的接口设计依旧采用USB接口，为了实现数据的高速交换可以使ME3760无线传输模块和S3C2240A芯片相连。

ME3760模块在系统中启动时存在以下几种信号：电源复位信号、USB信号、SIMCard信号和唤醒信号是ME3760模块系统在启动时的主要信号，另外在该模块中有的也可以不使用引脚，例如模块复位控制、模块唤醒以及模块开关机信号等，因为它们在频率较低的时候也可以发挥作用。该模块的电源组信号线由VDD3.3V电源进行供电，其地信号组直接接地即可。

3.5 USB接口模块硬件电路设计

USB接口是连接网关微处理器和ME3760的中间桥梁，其中在微处理器中有两个控制器，一个是USB主机控制器，另一个是一路期间控制器。在一个主机上进行USB接口的拓展，可以解决在接下来添加新的模块功能以及预防USB接口不够用，在完成这一步之后再选择一个USB接口用于连接4G模块和S3C2440A芯片。系统使用的USB集线器控制器芯片是AU6256，它能够将接口进行转换，最多可以转换成四个。该芯片的供电电源为3.3V，任何扩展脚都能实现微处理器和ME3760模块的连接，网关芯片的USB设备的引脚PDNO与AU6256芯片中的USB-DM相连，PDPO与USB-DP相连。GPC5控制着S3C2440A中USB接口的D+，在设备的电频过高时，它就会利用电阻上拉，与+5V电压相连，启动设备;相反，如果电平较低时就会将电阻下拉，与GDN相连，设备停止运作。

四、智能电力监控系统软件设计

本研究为监控界面设计了用户登录环节，合理分配了完整性和使用权利，并且需要预先设定用户名和密码。程序从主函数入口进去，开始初始化，使 1、2、3、5 这几个按钮都不可用，然后再将 login 类实例化，实例化后就开始创建登录框架，并且将其居中显示，接下来就是等待按键按下，一共有三种按下情况，登录、关闭和取消按钮，如果登录键按下，那么就需要确认登录名和密码是否匹配，如果匹配，就开始运行开始工作的程序;如果不匹配，回到上一层，继续重复工作，直到用户名和密码匹配为止，当工作主程序开始启动后，紧接着开始创建主框架，并且也要居中显示，然后判断开始监听按钮是否按下，如果按下，继续工作;如果没按下，返回上一层循环工作，直到确定按钮按下为止，按下后就接着执行新的程序，此时按钮全部可用，然后程序结束。再回到判断关闭按钮是否按下，如果按下，整个程序就结束终止工作;如果没有，那么就前往取消按钮再进行判断，如果取消按键没被按下，则返回判断按钮是否按下的工作层继续工作，如果按钮按下，则结束程序。

五、结语

研究机器视觉的发展及现状，针对电力监控系统的特殊要求，对物体检测的方法技术进行了梳理和总结。阐述将智能电力监控系统与物联网技术相结合的设计模式，并具体从硬件、软件方面做了详细介绍。

参考文献

[1] 吕国，孙皓月，司亚超.基于物联网中间件的变配电系统监控方案研究[J].电源技术，2014，38（2）：371-372.

[2] 邹杰新.通信电源设备智能远程监控系统的研究[J].通信电源技术，2019，36（4）：202-203.

[3] 蒋强，何都益.基于物联网技术的水产养殖系统集成思路[J].科技信息，2013，（10）：14.

作者简介：程军强（1978-），男，汉族，河南信阳人，工程师，硕士，研究方向：系统集成与电子智能化。