基于物联网技术的电力环网柜环境监控系统设计与应用

程伟华

本文针对传统电力环网柜运行状态在安全、效率等方面存在的不足，将物联网关键技术在环网柜智能化监控总系统中充分应用，并分别从环网柜内部环境信息采集、局放信息检测、门禁管理三个子模块进行阐述，构建了一个智能化、信息化水平较高的现代环网柜环境监控系统，该系统的运用将有助于提高整个城市供电系统的安全性、可靠性、高效性。

【关键词】物联网 电力环网柜 环境监控

电力环网柜数量众多，分布范围广泛，是城市6～10KV 供电网络的重要组成部分和控制接点，环网柜的运行状态直接关系到城市供电系统的可靠性。环网柜内空间相对狭小，设备长时间带负荷运行，环境温度和电气接点温度容易偏高，如果不及时处理可能 导致着火或爆炸事故，为保证安全运行，目前电力检修人员需要定期对环网柜进行温度检测，工作量大，准确度低。为了确保城市供电系统的稳定可靠，提高环网柜的智能化、信息化管理水平，满足配网状态检修的需求，降低检修人员的劳动强度，需要结合物联网技术实现环网柜内部的信息数据的采集，本文基于物联网及其关键技术对环网柜环境监控系统进行研究。

1 物联网

1999年，麻省理工学院（MIT）的教授提出了物联网（The Internet of Things）的概念，不同学者对物联网的定义进行了阐述和拓展，目前对物联网的基本含义阐述较为全面、传播较为广泛、获得普遍接受的内涵产生于国际电信联盟（ITU）发布的报告，该报告提出“物联网是通过无线射频识别技术（RFID）、传感网技术、全球卫星定位系统（GPS）、激光扫描器等信息传感设备， 通过约定的协议， 基于互联网平台进行信息采集与传输，从而达到智能化管理的一种网络技术”。

2 物联网关键技术

2.1 无线射频识别（RFID）技术

RFID技术是通过射频方式进行非接触双向通信的自动识别技术，系统由读写器、应用接口、传输网络、应答器、阅读器和应用软件系统组成，由阅读器发射特定频率的无线电波能量，送给应用软件系统进行相应数据处理，具有读取方便快捷、安全度高、抗干扰强、使用使命长、数据容量大等许多优点。目前无线射频识别技术在跟踪识别、记录存储、传感网通信、门禁系统等具有广泛应用，但因商品流通领域的高昂成本、技术标准不统一、信息安全存在隐患等制约了技术的传播与发展。

2.2 传感网技术

国际权威期刊定义传感器网是大量随机分布的传感器节点、数据处理单元及通信模块单元，通过自组织的方式构成的无线网络。传感器节点是传感器网络的基本功能单元，由传感器和处理数据及执行元件组成的设备，主要功能是感知、识别、采集和监测各种环境或对象的信息，并将收集到的信息进行监督控制、信息共享和存储管理。传感器通常由敏感元件和转换元件组成，能够感知被测量件物理条件或化学成分并且转换与被观察的特性可用的电信号的器件或装置。

3 物联网技术在环网柜环境监控系统中应用

3.1 环网柜环境监控总系统

整个环网柜环境监控总系统主要包含以下三个监控子系统：环境信息监测子系统、局放系统检测子系统、门禁管理子系统。系统的设备架构如图1所示，整个系统中由一台中央控制主机构成，中央控制主机通过网络交换机的网络通信方式与各个监控子系统相连，各种传感器如温湿度传感器、烟雾传感器、红外传感器组成传感网络，各个监控子系统通过以太网络通信与各个传感器相互联系，利用传感网络平台对信息的搜集与处理，通过中央控制中心将任务传递到各个子系统中。另外除了上述几个功能子模块外，系统还包括视频监控模块以及其他的功能模块。比如本系统中的，视频监控系统主要用于监控打开环网柜的人员信息等。

信息采集主要分为环网柜内部环境信息采集、门禁系统数据、以及局放信息三个部分，三个部分的具体流程如下所示：

（1）环网柜内部环境信息采集：环网柜中具体的采集信息包括：温湿度信息、SF6浓度、O3浓度、水位、烟雾共五项环境信息参数，传感采集器每隔一分钟的时间读取各个传感器的检测数值，并将读取到的数值进行处理后通过无线或者有线的方式发送出去。

（2）局放信息检测：局放检测设备实时的获取设备的局放信息，并将放电参数、位置信息等通过路由上传至远端服务系统。

（3）门禁系统检测：门禁系统主要用于环网柜、箱变的出入人员信息的管理。电力监管人员通过扫描自身携带的RFID卡进入环网柜、箱变内部，当门禁系统检测到人员进入系统时，将RFID中的人员信息发送至路由器设备。

3.2 环网柜环境监控子系统

3.2.1 环境信息采集子系统

环网柜内部环境信息采集部分的系统框图如图2所示。与配电站房相同，环网柜内部的信息采集参数包括：SF6、O3、烟雾、水位、温湿度这五项。数据采集完成后由综合信息采集器统一处理，并打包上传。环网柜内部安装一台工业空调，用于环网柜内部环境信息的调节。

（1）系统运行流程。环境信息监控子系统运行流程的主要过程为传感器、传感采集器、继电器控制器、综合网关以及应用平台的数据流向过程。综合网关设备主要负责各种数据信息的传输。多接口数据网关具有多种通信接口，可以将各种通信信息的数据信息转化成统一的数据形式上传至远端信息服务系统。多接口数据网关设备通过中断的方式接收传感采集器以及环境控制器发送过来的数据信息，并将这些数据通过（GSM、GPRS、Ethernet）其中一种方式发送到远端的服务系统。继电器控制器主要用于对环网柜内部的空调进行控制，继电器控制器通过485通信口接收综合信息采集发送的控制信息。当继电器控制器接收到调节指令后，立即打开或者关闭空调并返回控制指令。应用平台主要用于实现监控数据的可视化以及报警的功能，系统每个5S读取一次数据库的信息，并实时更新检测到的数据值。信息监控软件平台主要接收综合网关传输过来的信息值并对数据进行分析，最终实现环境信息远程监控的功能。

（2）设备具体布局。由于环网柜的空间相对来说比较小，工作环境比较复杂。每个环网柜中分别放置一组传感信息采集器、环境控制器以及多接口数据网关。下面对环境检测系统中的各个设备的具体布局做详细的说明。①传感器布局：传感器的具体安装在环网柜的内部，具体的安装方式通过直插、悬挂、附贴的方式完成，整个传感器以网络的形式分布在环网柜中。②传感信息采集器：通常每个环网柜中对应一个传感信息采集器，传感信息采集器以挂壁的方式安装于环网柜的内部。③环境控制器：对应于信息采集器，一个传感信息采集配合一个环境控制器工作，环境控制器的安装方式也以挂壁的方式安装。④多接口数据网关：网关设备的布局安装同样以挂壁的方式安装于环网柜中。⑤其他说明：设备的安装布局必须满足电气安装规范，以整体简洁、美观、方便为主要安装需求。

3.2.2 环网柜局放检测子系统

在电力设备实际运行过程中，当电力设备的绝缘内部存在气隙或生产过程中造成一些缺陷，设备可能发生局部放电的现象。如果电气设备绝缘在运行电压下出现局部放电，这些微弱的放电会使绝缘材料受到电晕腐蚀、局部过热、紫外线辐射和氧化作用，产生的累积效应会使绝缘的介电性能逐渐劣化并使局部缺陷扩大，最后导致整个绝缘击穿，设备损坏。大型电力设备的局放可能造成巨大的损失，甚至出现由于故障的突发性会出现人员伤亡的问题。

（1） UHF系统检测原理。UHF法是目前局部放电检测的一种新方法，该方法通过天线传感器接收局部放电过程辐射的UHF电磁波，实现局部放电的检测。在80年代末，UHF法测量局部放电首先应用在GIS设备中。在UHF法中传感器并非起耦合的作用，而是接收UHF信号的天线，所有UHF法的原理与脉冲电流法是不同的。天线除了能有效地辐射或接收无线电波外，还能完成高频电流或导波（能量）到同频率无线电波（能量）的转换，或者完成无线电波（能量）到同频率的高频电流或导波（能量）的转换。所以，天线还是一个能量转换器。一副好的天线，就是一个好的能量转换器。任何利用无线电波传递信息的系统，都包括“发射端-无线电波传播-接收端”三个环节。为此就必须有能够辐射和接收电磁波的设备，这个设备就是线。所以说，天线的重要作用就是辐射或接收电磁波。图3是进行无线电广播线路的简图。局部放电传感器的设计主要是接收天线的设计，表征天线性能的参数主要有：方向图、方向性、增益、极化特性、天线效率、带宽以及输入阻抗等。

（2）UHF检测系统组成。本系统由局放检测探头、宽带放大器、机械附件、工控机（局放分析仪）组成。UHF检测系统由特高频天线（标准增益喇叭天线、圆柱/锥螺旋天线、等角螺旋天线）、50Q射频同轴电缆、数字式示波器、计算机及其分析软件等组成。该系统具有及时发现设备内部的局部放电隐患，保障系统安全，为设备状态检修提供依据，实现局部放电故障定位点，实现对被检测设备局部放电历史趋势的观察。从结构上如图4所示，UHF传感器分为内置式和外置式两种，UHF传感器主要用来采集电气设备内部发生局放时产生的高频信号，此传感器直接固定在绝缘盆子上，盘子上除了放置传感器的地方外其他的地方用屏蔽袋屏蔽，这样的好处是保证高频传感器采集的高频信号是从设备内部出来的第一手信号，有效防止了外界干扰信号从盆子处进入高频传感器，保证了高频传感器采集高频信号的纯净度和可信对。

3.2.3 门禁管理子系统

门禁管理系统可以控制人员的出入，还可以控制人员在楼内及敏感区域的行为并准确记录和统计管理数据的数字化出入控制系统。门禁管理系统可有效管理环网柜门的开启与关闭，保证授权人员自由出入，限制未授权人员进入。

（1）系统拓补图。公配所的门禁系统采用卡奥博公司的（S01）智能门禁系统，用户可以通过刷自身携带额RFID无线射频卡或者输入密码的方式，进入配电所内部。智能门禁系统主要用于公配所的人员进出管理以及信息记录，其主要特点如下：①三种开锁方式：刷卡、密码、刷卡加密码的方式解锁。②便捷设置：无线连接电脑，即可脱机进行所有功能的设置。③断电保护：设备具有断电保护的功能，断电数据永不丢失。④稳定性好：设备采用全铜线圈门禁电源控制器，功率大，寿命长。⑤低功耗：电插锁采用最新防断磁设计以及进口元器件，低功耗。

（2）系统工作流程。网络门禁管理系统由读卡器、网络门禁控制器、电锁、门磁、出门按钮、门禁管理主机、打印机和门禁管理软件等组成。门禁管理主机上安装门禁管理软件，负责对整个门禁系统的维护管理。系统也可另设一台门禁系统数据库服务器，也可用门禁管理主机兼做数据库服务器。系统参数设置、人员进出记录、报警事件以及所有员工的基本资料、权限记录等都被保存在数据库服务器中，可实现对整个门禁系统的集中管理、参数设置、系统维护，资料查询、所有门点人员进出统计信息、报警事件记录等。门禁管理主机、数据库服务器、各分支机构门禁管理分机、门禁控制器之间均由TCP/IP网络连接。门禁管理的具体工作流程如图6所示，首先电网工作人员需要申请一个RFID门卡，在制卡处将个人信息与数据库系统进行绑定。当对应的工作人员要打开环网柜时，需要在刷卡处刷卡，系统读取卡内信息后进行判断，确认个人信息是否被允许。如果刷卡人员信息允许进入时，系统打开电磁锁并记录人员信息，允许人员进入。否则，系统响铃报警，并记录异常信息。

4 结束语

物联网的产生作为信息领域的一次重大突破引起了国内外学者的广泛关注，不同领域的学者从不同角度对物联网的内涵与外延进行阐述，推动了物联网技术在智能家居、健康医疗、现代物流等各个领域的发展。本文对电力环网柜环境监控系统的研究融入了物联网及其关键技术的应用，将有助于提高电力环网柜系统向着智能化、信息化、网络化的方向发展。

参考文献

[1]International Telecommunication Union UIT.ITU InternetReports 2005： The Internet of Things[R].2005.

[2]王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报，2009，23（12）：1-7.

[3]胡向东.物联网研究与发展综述[J].数字通信，2010，4：17-21.

[4]陈新河.无线射频识别（RFID）技术发展综述[J].集成电路，2005，7：21-24.

[5]ITU-T.Recommendation Y.2221，requirements for support of ubiquitous sensor network （USN） applications and services in NGN environment[S].Geneva：ITU，2010.

[6]孙其博，刘杰等.物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报，2010，33（3）：1-9.

作者单位

江苏电力信息技术有限公司 江苏省南京市 210000