基于物联网的配网户外箱柜预警远程智能监控系统∗

尉 镔，李震宇，王海鹏，王中杰，胡 多

(国网山西省电力公司，山西 太原 030021)

配网户外箱柜是保障配网电力供应的重要环节，配网户外箱柜的安全稳定运行是确保配网安全可靠运行的关键，因此有必要及时准确地掌握配网户外箱柜的实时运行状态和参数[1－2]。然而随着我国智能配电网建设的不断发展，配网户外箱柜数量以及需要采集的信息量越来越多，且配网户外箱柜不同监测点的数据特征存在差异，海量的多源异构数据给配网户外箱柜监测终端带来了压力，给现场检测人员以及箱柜预警带来了较大挑战。因此研究配网户外箱柜运行状态的远程在线监测和故障预警具有重大实际工程应用需求[3－4]，能够帮助配网调控人员减轻工作量，提高配网户外箱柜的运行效率和优化当前配网运行效率。

当前大部分配网户外箱柜采用基于人工现场运维的预警监测模式，主要是通过现场运维人员手动携带检测终端对配网户外箱柜进行检测。由于配网户外箱柜所需要监测的点多面广，增加了人工现场检测方式的工作量和难度，同时人工现场的预警方式大都依赖于人工经验分析，容易受工作人员主观因素影响，从而降低了配网户外箱柜预警的可靠性和效率。

针对上述配网户外箱柜预警所面临的问题和挑战，目前被广泛应用的方法之一是远程在线监测的智能预警方式[5－6]。近年来，物联网技术的快速发展推进了智能配电网的建设进程，基于物联网的远程监测和预警技术在电网企业以及科研院所等得到了广泛关注和应用，该技术在目前电力设备远程监测、故障预警中的应用也日益成熟[7－10]。国家电网公司将物联网的概念引入到电力系统中来，提出了泛在电力物联网基本概念，并针对电力物联网在电力系统运行与控制中的应用说明了泛在电力物联网对提升电网业务发展的重大价值和意义[11－12]。

因此，本文提出一种基于物联网的配网户外箱柜预警远程智能监控系统，整合物联网平台的配网户外箱柜运行状态的信息资源融合共享优势，采用分布式计算资源以及存储资源功能，提高配网户外箱柜远程监控分析的速度、效率和可靠性。从而能够全面提高配网户外箱柜的预警管理水平，保证配网户外箱柜的安全稳定运行。

1 配网户外箱柜预警物联网系统

1.1 需求分析

物联网的基本含义是不同事物之间以及事物与人员之间，通过多种类型的信息传感设备，结合已有的大数据、云平台和移动通讯技术[13－15]，构建一个巨大的万物互联网络。该物联网络的主要功能包括:(1)对不同设备元件的运行状态进行感知；(2)对物联网不同网络节点的电气信息量进行监测；(3)对系统不同类设备的健康状态进行预警；(4)实时监测不同设备的运行状态；(5)管理系统设备的基本信息。物联网可实现系统的万物互联和网络互动，能够对采集的多源信息数据有效整合，从而提高应用对象的可靠性以及可用性，从而优化设备的运行和管理。

因此，配网户外箱柜预警物联网系统建设能够支撑户外箱柜预智能化、数字化和信息化管理水平，为构建配电网户外箱柜在线远程预警提供技术支撑。采用物联网的配网户外箱柜预警远程智能监控系统以实用性、先进性、可靠性、灵活性以及扩展与集成性等为基本原则和目标。配网户外箱柜预警远程监控系统以基于物联网的支撑平台为基础，其核心包括终端感知采集系统、云服务平台管理系统和移动客户端系统，全面感知、采集和获取配网户外箱柜运行信息，并通过智能数据处理算法实现配网户外箱柜预警的远程智能监控。

1.2 总体架构

将物联网技术应用于配网户外箱柜预警远程智能监控系统的总体框图如图1 所示。配网户外箱柜预警远程智能监控系统的基本组成主要包括采集层、平台层、网络层和应用层，其中采集层以终端感知采集系统作为载体，主要是对监控任务进行接收并优化监控策略，且实现对监控业务数据的查询以及对被监控配网户外箱柜的基本信息的采集和处理，最后将所采集到的配网户外箱柜基本信息数据传送到应用层；网络层是以新一代通信技术来建立系统网络信息交互通道，依据通信网络安全和数据类型可分为内网和互联外网，网络层具有串行通信、电话网络通信、Wifi 无线通信、Lora 通信以及以太网通信等多样化的通信方式，进而根据不同业务应用场景的需求来选取合适的通信方式；平台层主要是存储和管理配网户外箱柜预警远程智能监控业务的海量数据，实现多源数据信息的互通和共享，平台层不仅对网络层所传输的多源数据进行收集，而且为配网户外箱柜预警远程智能监控业务的应用提供数据共享服务；应用层是基于海量的远程智能监控数据，结合配网户外箱柜运行特点，采用智能算法建立配网户外箱柜状态评估、故障预警模型。

图1 配网户外箱柜预警物联网系统总体架构

2 远程智能监控系统方案

基于物联网的配网户外箱柜预警远程智能监控系统主要是实现配网户外箱柜运行状态的管理工作，通过对配网户外箱柜运行状态的信息采集、数据分析处理以及逻辑判断来对配网户外箱柜基本运行参数的在线监测。基于物联网的配网户外箱柜预警远程智能监控系统基本功能包括数据采集平台、云平台存储单元、新一代互联网应用技术、接口模块和后台用户管理等，主要由终端感知采集系统、云服务平台管理系统和移动客户端系统等功能子模块来实现，能够完成配网户外箱柜的数据采集、存储、处理和分析，进而实现配网户外箱柜的预警。远程智能监控系统以物联网平台为基础，其终端感知采集系统主要功能是对各个配网户外箱柜监测点的数据信号采集、读取和存储，主要包含主控单元和多传感器系统组成。通过终端感知采集系统得到各类数据之后，对采集的配网户外箱柜数据进行在线分析，能够为其预警过程提供有效、可靠的依据。

基于物联网的配网户外箱柜预警远程智能监控系统的功能总体架构如图2 所示，主要组成部分包括数据采集平台、后台服务层和前台应用层，其中数据采集平台依托于物联网平台的感知层，其主要功能是通过采集到的配网户外箱柜运行状态信息来记录箱柜的异常特征，并构建配网户外箱柜异常事件列表，根据异常知识库专家规则将历史知识库存放在物联网平台的数据存储系统中；后台服务层依托于物联网平台的平台层，其主要功能是分类统计、计算所采集到的各类运行数据，实现配网户外箱柜预警分析、处理的流程化和智能化；前台应用层依托于物联网平台的应用层，其主要功能是实现箱柜预警、评价和查询等基础业务的应用。

图2 配网户外箱柜预警远程智能监控系统综合架构

2.1 终端感知采集系统

远程智能监控系统的终端感知采集系统主要由传感网络组成，其基本功能是对各个配网户外箱柜监测点的数据信号采集、读取和存储，主要包含主控单元、多类型传感器、智能网关以及通信网络所组成。传感网络主控单元以ARM 作为核心处理器，其设计模式为2 层结构方式，以光纤通信和无线通信相结合的灵活通信组网方式，具有分布式计算和预警功能。远程智能监控系统的终端感知采集系统基本结构如图3 所示，基本功能模块包括多类型传感器、监测智能电子设备和电源模块。

图3 终端感知采集系统结构示意图

传感器模块采用具有一定智能化功能的智能传感器，基本结构包括信号采集单元、智能处理单元、通信单元、存储单元以及电源模块等，其基本功能包括:(1)智能传感器具备双向数据通信的功能，能够利用数据传输或者指令接收来完成各项功能；(2)智能传感器能够对采集的数据进行初步的处理分析和诊断；(3)具有可靠的内部电源模块，且能够对电源进行管理；(4)满足传感电路集成化以及小型化的要求。

监测智能电子设备主要功能是对采集到的数据信息进行接收和发送，并对配网户外箱柜状态信息进行综合分析和处理，其基本功能要求包括:(1)能够为各类传感器接入提供通信接口，从而确保不同类型传感器能够自适应地接入到监测智能电子设备；(2)具有支持不同传感器之间数据通信交互能力；(3)能够对采集到的数据进行分析和处理，支撑传感器网络的分布式数据计算和协同。

电源模块采用电池取能的供电方式，且具有电源管理功能，其基本功能要求包括:(1)具备对取能模块输出电压进行电能变换的电压转换功能，能够提供稳定的输出电压；(2)能够实现电源优化管理功能，确保电源的安全、可靠利用，为终端感知采集系统提供稳定的电能供应。

2.2 云服务平台管理系统

云服务平台管理系统是配网户外箱柜预警物联网系统平台层的核心模块，其具备分布式计算和故障预警等功能，能够实现监测系统传感网络对配网户外箱柜状态信息的智能化处理，云服务平台管理系统基本架构如图4 所示。

图4 云服务平台管理系统基本架构

配网户外箱柜预警远程智能监控系统的基本功能是以数据信息整理存储以及箱柜故障预警为主，其基本组成部分包括基础设施云、数据管理云、存储和计算分配云以及故障预警云。

(1)基础设施云

基础设施云包括平台层的硬件部分和软件部分，硬件组成部分主要包括存储系统和通信系统的硬件实施；而软件部分则包括基本的操作系统、虚拟化管控软件、分布式文件系统、分布式数据库、分布式管理软件、监测任务处理、箱柜故障初步预警以及云服务模型开发等。

(2)数据管理云

数据管理云主要是对智能监控系统传感网络中的数据进行管理，该类数据主要包括两部分:配网户外箱柜的实测数据和故障预警方法。由于配网户外箱柜的实测数据和故障预警方法之间的关联信息是分布式存储在监控系统传感网络中，因此数据管理云的主要任务是需要准确获取配网户外箱柜多传感器所采集信息数据之间的关联关系。

(3)存储和计算分配云

当智能传感器所采集到的数据传输到监测智能电子设备时，由于所采集到数据量而需要较大的存储量，需将智能传感器采集到的箱柜多源信息数据存储在整个传感网络当中，因此采用基于云服务平台的分布式存储技术。而基于该数据对配网户外箱柜进行故障预警时，采用基于云平台的分布式计算方法对大量数据和预警算法进行分析和处理，以实现计算任务的合理有效分配。

(4)故障预警云

基于物联网的配网户外箱柜预警远程智能监控系统需要传感网络中对配网户外箱柜的运行状态进行初步的诊断和预警，该项任务在云服务平台管理系统的故障预警云中实现。故障预警云在数据管理云的基础上，采用分布式计算方法来实现箱柜运行状态的故障预警，其主要完成的任务包括:针对配网户外箱柜某一故障类型来选取合适的故障预警、诊断算法，对该方法所需要的数据进行选择和调配，实现计算任务的分配，给出故障预警结果。

2.3 移动客户端系统

移动客户端系统处于配网户外箱柜预警物联网系统的应用层，主要包括配网户外箱柜预警信息处理模块、统计模块以及箱柜检测维护模块等。其中报警信息处理模块主要功能是实现箱柜故障提醒以及误报复位等功能；统计模块是实现配网户外箱柜的故障预警统计和查询；箱柜检测维护模块包括配网户外箱柜故障信息、异常报告、检测报告和维修报告等。移动客户端应用模块如图5 所示。

图5 移动客户端应用模块

3 关键技术

鉴于基于物联网的配网户外箱柜预警远程智能监控系统的技术特点，远程智能监控系统方案需要解决以下几个关键问题。

(1)多源数据标准化

配网户外箱柜物联网由于监测的设备种类和参数较多，布置了大量的传感器，因此终端感知采集系统获取海量的不同类型数据。因此，对多源海量数据制定统一的数据格式标准，使其在传感网络中能灵活地存储和调用。文中采用数据源的方式来制定统一数据标准，一个数据源的基本组成包括数据来源、数据类型、数据大小以及数据内部关系等，且采用分布式存储技术将数据源进行存储。

(2)数据存储及调用

为有效管理配网户外箱柜预警远程智能监控系统的数据，避免多源数据的冗余和丢失，文中采用分布式数据库和数据优化策略来实现数据的有效管控。为实现数据的分布式存储，提出一种基于数据相关性的多副本一致性哈希数据存储算法，对数据采集时间、数据采集位置和自定义相关性等3 个副本进行定义，分别采用一致哈希方法将第1 个副本数据的位置、第2 个副本数据的采集时间以及第3个副本依据自定义相关系数进行哈希映射，且算法运行中需要建立哈希环，分布式存储算法配置基本原理如图6 所示。

图6 分布式存储算法示意图

在数据分布式存储基础上，在故障预警发生之前，提前将分布式数据库中的有效数据读取出来，因此能够有效减少数据传输命令后的数据读取时间和任务执行的等待时间，有效提升了数据计算处理的效率。同时采用数据管理云来完成数据的调用。

(3)分布式计算技术

传感网络在对配网户外箱柜进行故障预警时，存在较大的工作量，为了提升数据计算效率，传感网络采用预处理和动态处理相结合的方式。在分配任务前，预先了解各个监测智能电子设备的内存、计算模块占用量等工作状态，采用动态调配方式来实现任务的分配。在此基础上，采用容错机制以及任务再分配技术来实现多源数据的分布式计算功能。分布式计算示意图如图7 所示，当一个或多个主智能电子设备失效时，可将当前任务转移到其他主智能电子设备上继续执行，进而实现分布式计算功能。

图7 分布式计算算法示意图

(4)箱柜异常知识库

配网户外箱柜异常事件知识库不仅具备存储户外箱柜异常事件功能之外，还具有查询、删除以及修改的功能。配网户外箱柜异常知识库除了对监测和预警的异常结果进行录入之外，还需记录和存储大量的历史异常事件，并进行定期的修改和完善更新，为故障预警结果提供一个更精确的参考。为进一步对配网户外箱柜异常事件库进行验证，通过故障仿真平台模拟输出异常事件，对配网户外箱柜进行试验，验证其对异常事件判别、记录、汇报等功能。

(5)故障预警技术

配网户外箱柜故障通常是因为异常信息所导致，对箱柜异常信息的分析和判断即可完成配网户外箱柜的故障预警。通过终端感知采集系统获取大量的配网户外箱柜运行状态和参数数据，从时间维度和空间维度建立异常特征计算和分析模型。同时，在云服务管理平台基础上，引入智能算法对采集到的户外箱柜数据进行统计和分析，实现配网户外箱柜的故障预警功能。同时能够通过数据管理云实现信息多维度查询、预警结果显示以及报表、展示等预警结果的可视化。

4 实际应用

为了验证本文基于物联网的配网户外箱柜预警远程智能监控系统的实际效果，以某省供电公司的配网户外箱柜运行数据为例，对配网户外箱柜运行情况进行了监测和预警分析，并与传统的预警远程监控系统进行了对比和分析。

选取配网10 个户外箱柜作为监测对象，以监测的温度结果为例，如表1 所示，由监测结果可知，本文设计的配网户外箱柜预警远程智能监控系统监测的温度结果与实际温度之间的误差更小，因而具有更高的监测精度。

表1 温度监测结果对比

另一方面，配网某一户外箱柜处存在6 处故障，对故障预警的效率和精度分别进行了对比和分析。配网户外箱柜预警效率测试结果如图8 所示，由结果可知，随着故障预警分析时间的不断增加，配网户外箱柜故障预警的数量也随之增加，而本文所设计远程智能监控系统的故障预警方法在第11 min 即可将6 处故障全部检测出来，而传统方法在第18 min 的时候只能检测出3 处故障。因此本文方法相较于传统方法而言，具有更加精确、快速的故障预警分析结果。

图8 故障预警分析效率对比

5 结论

针对我国配网户外箱柜预警远程监控的实用化需求，提出了基于物联网的配网户外箱柜预警远程智能监控系统，给出了物联网技术在预警远程智能监控中的应用需求和联网系统总体架构。从终端感知采集系统、云服务平台管理系统和移动客户端系统等功能子模块详细阐述了配网户外箱柜预警远程智能监控系统方案的总体实现方法，并分析了远程智能监控系统中的多源数据标准化、数据存储及调用、分布式计算技术、箱柜异常知识库和故障预警技术等关键技术。实际应用结果表明:设计的系统能够有效监控配网户外箱柜的运行状态和提高故障预警分析精度，为户外箱柜的安全管理提供了可靠有效的技术支撑。