基于物联网技术的变电站远程监控系统设计

赵冬义，陆 爽，金羽乔，董宇馨

（1.嘉兴恒创电力设计研究院有限公司，浙江嘉兴 314000；2.国网嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000）

随着物联网技术不断扩宽应用领域，物联网技术不仅可以提升信息领域的操作程度，还广泛应用到变电站电力基建施工现场的远程监控领域中[1]。传统变电站远程监控系统长时间运转后，会出现不同程度的问题，存在监控自动忽略基建施工过程的危险因素，造成严重后果[2-3]。

目前，物联网技术最超前的功能是通过数据信息传感模块，将基建施工现场与变电站运行网络连接，实现运行数据信息的实时交换，完成远程基建施工现场的智能化定位、跟踪，实现实时准确的监测。因此，文中提出基于物联网技术的变电站远程监控系统的设计。该系统硬件区域由DS20BB 数字温度传感器、芯片、USB 接口、节点控制器、电源组成，选择DS20BB 数字温度传感器作为核心传感器，同时提供电能输送通道、通信通道，传感器的3 个引脚。通过环境监控模块、动力监控模块以及运行监测模块实现软件的设计。实验结果表明：该文系统可有效提升变电站监控效果，具有现实重要意义。

1 变电站远程监控系统硬件设计

变电站远程监控系统硬件是系统的核心部分，只有硬件区域的配置足够高，才能承担起大型变电站远程监控的运行，为远程监控系统的正常运行提供保障[4]。该文设计的基于物联网技术的变电站远程监控系统硬件区域由DS20BB 数字温度传感器、芯片、USB 接口、节点控制器、电源组成。硬件区域结构如图1 所示。

图1 变电站远程监控系统硬件区域结构

不同型号的温度传感器在系统运行中会产生不一样的运行结果，该文选择DS20BB 数字温度传感器，此传感器通过双向通信完成变电站运行信息的收集，并且不需要借助其他设备可单独完成通信。双向通信方式是目前通信领域提出的新通信方式，是一种可提升信息运输安全性的方式，避免变电站错误信息干扰所有信息[5-6]。另外，DS20BB温度传感器与其他硬件设备的接口连接简单，但此传感器对变电站的信息数据十分敏感，不易产生错漏数据。DS20BB 温度传感器具有自带的保护壳，如果检测到变电站运行环境内部温度超过正常限定标准，则立即对数据进行独立保存，保证变电站的安全[7-8]。

该文设计的传感器包括3 个引脚，分别为接地、提供电能输送通道、通信通道，其代表变电站运行的3 个区域，引脚数量越少，则传感器接收信号越稳定[9]。传感器采集数据时电路原理如图2 所示。

图2 传感器模拟电路示意图

该文使用的芯片可以监测变电站数据的整体运行情况，被广泛地应用于各大硬件区域。该文应用的DF芯片在很小的电流下可完成一个周期的数据识别。DF芯片的复位零件在芯片的右下角25 μs 区域附近，此芯片提供硬件区域运转速度为25 r/s，另外还具有较高的抗信号干扰能力，在变电站远程监控系统运行过程中，芯片只识别相关性能的数据大小，判断变电站的运行状态。DF芯片具有3 个引脚，分别连同硬件区域信号的输送、软件与硬件区域的数据传输以及变电站硬件区域不同信号通道[10]。

硬件区域设计的USB 特殊接口连接的是网关微处理器和节点控制器，两个区域是基于大数据技术的变电站远程监控系统硬件区域的主要设备[11]。USB 存在两个接口，其中一个接口完成以上信息的传输，另一个接口作为替补接口，如遇特殊情况时使用。此USB 接口的运行电压为3 V，接口传输效率高达1 436 GB/s，提高了变电站远程监控信息的传递，为突发事件的处理提供了有效时间。接口的引脚与PD芯片的引脚相连接，如果硬件区域的电压值过高，会导致接口引脚与接地的引脚相连接，那么硬件区域与软件区域的信息无法对接，导致设备停止工作，电路原理如图3 所示。

图3 硬件区域接口与芯片连接电路原理图

硬件区域的电源型号为MAX176，该电源的规格为220 V 和380 V，可以轻松承载起变电站对基建施工现场的远程监控系统的运行。为保证电源能输出稳定的电压，该文采用TY41 材质内核，其电源输出通过下列公式计算，即：

其中，Vout为输出电压，R1为电源电路串联阻值。

根据不同远程基建施工内容，通过式（1）计算出R1的数值。R0的阻值固定为330 Ω，根据式（2）计算电源输送过程中的电阻值，根据式（3）验证该次电源输出的电流是否满足基建施工的电流要求，如果不满足条件，需进一步改善电源的电流[12-13]。

2 变电站远程监控系统软件设计

基于物联网技术的变电站远程监控系统软件的工作是完成变电站协助基建施工现场的远程监控，防止意外发生，基建施工现场主要包括矿井、公路、农田水利、桥梁的施工过程。

远程监控系统软件区域设计了3 个模块，分别为环境监控模块、动力监控模块以及运行监测模块[14]。软件功能框架如图4 所示。

图4 远程监控系统软件区域功能框架

环境监控模块的工作是监测基建远程施工建筑情况，保证其施工环境的安全，为基建施工现场提供稳定运行的基础。环境监控模块由内部温度感知器、环境入侵报警器和突发自然灾害监测器构成。

环境入侵报警器通过物联网技术，实时分析远程基建施工现场的环境，查找是否存在除施工机器、器具以外的不明物体进入远程监控覆盖的环境区域，一旦发现不明物体，立即发出报警信号，防止意外发生。突发自然报警器通过网络的天气预判，对监控环境进行不同等级的自然灾害预警监测[15-16]

变电站远程监测系统软件区域的动力监控模块提供基建施工设备的工作动力源，监控远程变电站的运行状态，实时监测其是否具有正常发电动力的能力。在动力监测模块的监测运行过程，通过实时采集基建设备的运行数据，对比远程变电站发电电源的电压电流和侧电压电流的比值，如果比值在正常运转范围内，则远程变电站的基建施工设备运行安全稳定。

变电站运行辅助模块是监督基建施工设备稳定运行的关键，主要通过智能机器人实时现场巡逻、检查，基于物联网技术的智能机器人监测通过采集相关信号实现。在此过程中，工作人员提前向机器人录入正常运行设备特有信号源，一旦机器人察觉到运行设备发出的信号源不正常，则立即向系统反馈，工作人员会调用远程监控系统反馈设备近阶段运行数据，进行故障排查，完成远程监控操作。

3 实验分析

在上述监控系统设计后，集中收集系统监控数据，以设计的系统为实验对象进行系统功能检验，设置检验参数指标为：1）监控图像清晰度；2）信号接收完整度。

实验以变电站为中心，选用物联网通信协议对监控系统进行情景分层，分析不同情景下协议签订内容。对变电站内部高低压开关进行控制，确保实验过程中不会出现因电压电流过大而导致的实验中断问题。

按照变电站输入的电流与电压信息加大对变电站周围电流的处理力度，及时控制电流的走向。在稳定电流走向后，输入监控参数，从显示板中获取监控图像信息，并根据控制后的信号数据，获取监控图像清晰度对比结果，如图5 所示。

图5 监控图像清晰度对比

分析图5 可以看出，该文基于物联网技术的变电站远程监控系统设计的监控图像清晰度高于其他两种传统系统。这是由于该文监控系统在设计过程中针对系统硬件区域调整传感器，时刻输送需进行监控的数据影像，确保系统的稳定运行。根据不同的传感角度分配传感场景，同时加强场景分层处理，控制场景内部信息，标记与变电站传输型号相似的监控数据，提升整体监控系统监控水平。当变电站产生异常信号时，预警系统将自动启动，并将异常数据排除于监控系统外，根据所需调节的系统信息，处理内部监控操作，并及时掌握异常信息的变动状况，追踪变动方向。连续采集异常信息，发送相同信息数据，并进行标记，避免后续系统产生相似异常数据。由此，获取较为精准的变电站内部系统数据，提升整体监控图像的清晰程度。

为进一步验证该文系统的可行性，检验监控系统的信号接收完整度，将变电站的电能输送机制调整至正常状态，并运行实验审核程序，当程序缓慢运行时，检验监控系统的信号接收状况，获取其信号接收完整度，实验结果如图6 所示。

图6 信号接收完整度对比图

根据图6 可知，该文基于物联网技术的变电站远程监控系统的信号接收完整度均高于其他传统监控系统。这是因为该文监控系统按照系统的基础构造进行软件程序连接，在控制变电站的发电信号的同时管理与发电信号相似程度较高的电流数据。按照变电站的发电法对电流数据进行基础性调节。在软件程序中输入初始过滤程序，保证软件能够在安全稳定的环境下运行。避免系统传感器因负载功率过大而导致的系统监控失误。并将变压器的中心调控设备安装至变电站远程监控系统的数据流检测空间中，强化调控设备的监管力度，加大对被监控对象的互联网连接力度，及时控制物联网信号输入与输出速率，时刻检验信号速率是否符合系统监控标准。当产生不合格信号时，系统将清除该信号，直至监控系统内部无不良信号的产生，仅剩余变电站发射的正常信号。据此增强监控系统的整体信号接收完整度，获取良好的监控结果数据。

综上所述，该文设计的基于物联网技术的变电站远程监控系统监控性能良好，能够在不同的变电站环境下掌握电流变化情况，及时缓解变电站电力输送压力，实现对监控系统的强化。

4 结束语

文中基于物联网技术的变电站远程监控系统硬件区域和软件区域的设计，以基建施工现场的情况作为研究变量，准确分析各个软件区域模块的运行过程，对变电站辅助工作远程基建施工项目进行实时监控。实验结果表明，文中设计的变电站监控系统可对施工现场进行有效监控，具有一定意义。