基于物联网的故宫电力监测系统的设计与实现

徐勇

（故宫博物院）

基于物联网的故宫电力监测系统的设计与实现

徐勇

（故宫博物院）

电力系统作为故宫博物院基础设施的重要组成部分，它的正常与否直接关系到故宫文物建筑、馆藏文物与人员的安全。论文介绍了如何应用物联网技术构建科学完善的电力监测系统，在讨论了故宫电力监测系统的整体架构设计、拓扑结构设计的基础上，详细阐述了故宫电力监测系统信息采集模块、信息传输模块以及系统软件功能的实现。

故宫；电力监测系统；物联网

1 引言

故宫博物院作为我国第一批被列入《世界文化遗产名录》的珍贵遗产，是我国也是世界上现存规模最大、保存最完整的古代宫殿建筑群。电力系统作为故宫博物院不可或缺的基础设施，它的正常与否不仅直接关系到全故宫的正常运营，甚至可能威胁到文物本身的安全。

由于古建筑配电系统普遍存在不同年代配电线路和设备混杂在一起的情况，不同年代线路其承载率、老化程度等存在较大差异，要保障对各用电单位的持续供电，避免电气火灾，仅依靠人工巡视发现故障、手动上报故障等传统方式无法满足其安全性要求。如何及时发现 各回路用电异常，提前预警；当已经发生故障报警时，能够准确地发出报警信息，以便管理 人员快速处理，缩短故障维修时间。这是故宫配电管理部门的迫切需求。

因此，故宫目前结合电力系统安全运营、管理、维护、改造的实际需要，建设了一套以地理信息技术为基础，以物联网技术为核心的电力监测系统。监测系统以故宫60km室外电力线路和698个配电箱为中心，综合应用了各种先进智能传感器、采集器，运用了无线通信技术和计算机技术，为优化调整电力线路的管理和运行、快速掌握电力系统的运行状态、及时发下不合理用电和违章提供了一套科学的监测平台。

2 电力监测系统的设计

2.1系统整体架构设计

物联网需要一个开放的、分层的、可扩展的网络架构，为实现电力数据采集、信息传递及实时监控这三大功能需求，基于物联网的电力监测系统由感知层、网络层和应用层构成，如图1所示。

1）感知层

感知层起着“末梢神经”的作用，是实现物理空间与信息空间感知互动的基础，主要分为感知控制层子层和通信延伸子层。本系统的感知控制子层包括电流互感器、通断电模块、智能电表等智能传感器和智能采集设备组成，实现电力参数、开关通断状态等的实时数据采集；通信延伸子层则通过通信终端模块及其延伸网络将采集的数据传递到网络层。

2）网络层

网络层作为感知层与应用层之间的“桥梁”，主要作用是通过公共网络或专用网络的基础设施，将感知层收集的各类信息高效、可靠、安全地传输给应用层。本着避免重复建设和保证数据安全的宗旨，本系统的网络层采用故宫现有内部骨干网络资源，以光纤网为主，无线宽带网为辅，实现电力监测信息的传递、汇聚和控制，对于故宫内网无法覆盖的监测点，则考虑采用网络设备箱对其进行网络补充。

3）应用层

应用层犹如“神经中枢”，负责对采集来的数据进行接收、分析、综合和最终处理结果的外传。应用层主要包括服务支撑层和应用子集层。服务支撑层的主要功能是根据底层采集的数据，形成与业务需求相适应、实时更新的动态资源库，包括提供2D地图服务和影像支撑环境的地理信息平台、提供数据管理服务的数据库等；应用子集层包含各类子系统，它提供电力系统可视化监测与管理功能。

图1　基于物联网的电力监测系统体系架构

图2　电力监测系统拓扑结构图

2.2系统拓扑结构设计

故宫电力监测系统采用纯粹的浏览器/服务器（B/S）网络架构，系统拓扑结构如图2所示。

系统的数据库服务器在数据库系统支撑下用于数据存储的数据服务。作为Web应用服务器，并且，由于考虑到本系统为实时监测应用系统，不仅需要实现高效率的动态数据处理，还要充分考虑监测数据的海量快速增长，确保当数据量增大时，系统的数据处理性能不受明显影响。因此，本系统将实时数据处理的数据库与其他功能性应用的数据区分开，使用单独的软硬件平台。地图服务器则提供二维地图服务，B/S浏览端则面向管理部门，用户不需要安装系统软件，仅通过浏览器就能实现对故宫电力系统的实时监控。

3 电力监测系统的实现

3.1信息采集模块的实现

本系统的信息采集模块主要实现对各回路用电参数（回路开闭状态、回路电流、回路电压、回路有功功率、回路功率因数、回路有功电能、回路三相不平衡率、回路负载率）进行实时监测、采集及上传。信息采集模块由分布在现场监测箱内电参数测量模块、数据采集器及其辅助设备等组成，监测箱原理如图3所示。

图3中监测箱内主要组成部分功能如下：

1）数据采集器：实现对电表的数据采集、计算、数据远传、及历史数据存储，支持点数2000点。强大的 Lua 脚本编辑功能，可实现数据处理、过程控制及定制通信协议开发。

2）多回路多功能电表测量模块：同时接入8组三相或24组单相的电力回路进行监测。本系统采用台科电的三相8回路多功能电表，型号为 SMB350-8，可监测的电参数包括电压、电流、有功功率、功率因数、有功电能等。

3）ADDI 模组：对回路开闭状态进行监测，并传输给数据采集器。

4）电流互感器： 为了提高精度，本系统采用台科电多功能电参数模块配套的闭口式电流互感器，能够将一次侧大电流按比例变换成二次侧的小电流，对回路电流进行监测。

3.2信息传输模块的实现

图3　监测箱原理图

根据故宫的网络情况，针对各监测点现场网络情况和信号强度的不同，本系统采用以下3种方式实现监测点组网来实现采集数据的有效传输。

1）有线组网：数据采集器直接通过网线传输到故宫内网，适宜于故宫有线网络能覆盖的监测点。 因此，对于现有交换机存在空余口，并且从监测箱到交换机，对拉线方便、距离适中的监测点采用了该种组网方式。

2）无线Wi-Fi组网：数据采集器通过串口与串口转Wi-Fi模块进行通信，将数据转换成Wi-Fi信号，接入故宫无线网络，适宜于在故宫无线网络能覆盖到的监测点。Wi-Fi组网可免去现场通信线路的敷设，提高施工效率。但需注意Wi-Fi信息穿墙能力较弱，室外配电箱一般通讯较好，室内配电箱部分监测点信号可能被屏蔽。

3）无线Zigbee组网：数据采集器与串口转Zigbee模块将数据通过Zigbee协议与Zigbee转net模块进行透明传输，网络中继设备箱放置在可接入故宫内网的附近。Zigbee组网具有通信距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性，可实现一点对多点及多点对多点之间的设备间数据的透明传输，可组成星型和MESH型的网状网络结构。因此，对于故宫有线网络、无线网络均无法覆盖到的监测点采用了该种组网方式。

图4　电力监测系统功能结构图

3.3系统软件功能的实现

本系统的软件部分采用关系型数据库Oracle，实现基础地理信息数据、电力管线专题数据、电力实时监测数据及其他管理数据的高效存储和管理；采用ArcGIS平台作为空间分析与展现的开发平台；采用.Net平台提供通信和数据共享服务。

电力监测系统以分区分级方式按全院、配电室、区域、线路和设备进行实时电力监测信息可视化，系统按功能和业务可以分为实时监测、监测管理、事件应急、电力拓扑、管线管理、运维管理、系统维护7大子系统，如图4所示，实现了各种业务和管理功能，并提供基于图形化操作模式的浏览器用户界面，满足日常管理要求。

图5　各线路实时用电情况

图6　用电情况统计

图7　事件应急响应

1）实时监测子系统：将实时监测电力信息与电子地图结合，空间化表达全院任意区域、线路、设备的实时监测信息，并对用电情况进行全局性、总体性实时统计，图5展示了全院各线路的实时用电情况。

2）监测管理子系统：根据监测信息，提供用电计划、专业分析、空间分析等功能，如图6所示，分别统计了各线路空调、照明、取暖的用电量。

3）事件应急子系统：提供应急资源管理、应急预案管理、应急响应、模拟演练等功能，如图7所示，显示了某条线路的异常报警事件。

4）电力拓扑子系统：完整的电力拓扑与相关综合信息如图8所示，展现了某配电室的电力拓扑结构图。

5）管网管理子系统：提供设施管理、信息查询、信息统计、老化分析、空间分析、常用工具、地图工具等功能，如图9所示，可以查询全院线路的老化程度，并用不同的颜色代表不同的敷设年代。

6）运维管理子系统：提供运维管理、资料管理、运维日志等功能。

7）系统维护子系统：提供管线数据维护、监测数据维护、监测设备维护、用户数据维护等功能。

4 结束语

当今，对世界文化遗产的保护已经从以抢救为主的被动式保护，转向以预防为主的主动保护，如何利用高速发展的信息技术建设科学完善的监测体系是今后遗产保护工作者责无旁贷的任务。本文介绍了故宫电力监测系统的体系架构及功能实现情况，作为故宫“世遗监测”的一部分和实现“平安故宫”工程的重要组成部分，该系统不仅实现了对故宫电力运行长期不间断实时监测，能够及时发现不合理用电和违章，做到事前有效预防、事中快速处置、事后便于总结，还能为采取节电措施、科学规划电力线路提供可靠依据。

图8　配电室拓扑图

图9　线路老化分析

［1］江海燕，路庆凯.物联网技术及其在智能电网建设中的应用［C］//Proceedings of 2010 The 3rd International Conference on Power Electronics and Intelligent Transportation System（Volume 6）.Intelligent Information Technology Application Research Association （IITA Association），Hong Kong、Shenzhen University，China，2010：4.

［2］郑维刚，朴在林，谭东明.基于物联网配电网设备可视化管理［C］//第二届东北亚物流工程与现代服务业发展专题学术研讨会论文集.沈阳航空航天大学、韩国崇实大学、韩国大胜航运公司，2011：4.

［3］金路.将信息技术应用于世界文化遗产管理的思考——以故宫博物院为例［C］//科学与艺术·数字时代的科学与文化传播——2012科学与艺术研讨会论文集.北京市科学技术协会、中国科学院科学传播领导小组办公室、国家新媒体产业基地，2012：8.

［4］周国哲.关于文化遗产监测管理的几点思考［J］.中国民族博览，2015，12：235-237.

［5］姬志国.智能电力监测系统的设计与实现［D］.西安：西安电子科技大学，2009.

［6］故宫世界文化遗产监测中心.故宫博物院世界文化遗产监测工作报告，2012年.

Design and Implementation of the Palace Museum Power Monitoring System Based on the Internet of Things

XU Yong

（The Palace Museum）

Power system as an important part of the infrastructure of The Palace Museum， it's normal or not directly related to the security of ancient architecture， cultural relics and person. This article describes how to use the internet of things to build scientifically power monitoring system， in the above discussion of the overall architecture and topology design basis， it elaborated the implementation of The Palace Museum power monitoring system's information collection module， transmission module and software functions.

the palace museum； power monitoring system； internet of things