一种基于物联网信息集成的开关柜在线监测系统研究

金旭 黄锟 柴仁勇

摘要：本文设计了基于物联网信息集成的开关柜多类型运行参数在线综合监测系统，提高了开关柜运行可靠性。该系统能够实现开关柜多类型参数分布式实时在线监控，设备运行状态实时感知、信息互联。现场应用结果表明，该系统在开关柜监测方面实时性强，有效提高开关柜运行维护水平，提高了设备运行的可靠性。

关键词：物联网信息集成;开关柜;分布式;在线监测;综合评估

1 系统整体设计方案

基于物联网信息集成的高压开关柜运行状态在线综合监测系统整体设计方案如图1所示。系统包括感知层、网络层、平台层和应用层。感知层以开闭所为结构单元，一个开闭所内每台开关柜包含一套信息采集装置，每套信息采集装置由多种传感器组成。通过传感器可采集母线室、电缆室、继电器室环境温湿度、三相电流、电压信息、SF6压力、臭氧浓度和故障指示信息等。

网络层连接平台层和感知层。针对多类型的参数采集传感器，信息采集装置采用RS485、无线射频通信技术获得传感器采集的数据。并通过4G无线通信技术将每个开闭所采集的信息传送到平台层。

网络层连接平台层和感知层。针对多类型的参数采集传感器，信息采集装置采用RS485、无线射频通信技术获得传感器采集的数据。并通过4G无线通信技术将每个开闭所采集的信息传送到平台层。

平台层提供云服务。服务器集群将区域内所有开关柜信息整合，通过数据库管理技术解决数据存储、检索、使用、挖掘和安全隐私保护等问题。通过平台层构建横向集成、纵向贯通的数据库体系结构，实现数据一次采集、多次使用，最大化数据价值。

作为物联网信息集成的顶层，应用层为开关柜在线监测提供人机交互接口。应用层与平台层交互，通过各类信息进行决策，可控制感知层的设备终端。文中在应用层基于手持终端设计了开关柜运行状态在线综合监测系统，软件部分可根据设备历史运行数据以及当前运行数据可进行故障报警以及运行状态预警等功能。可通过移动终端扫描设备二维码激活设备巡检任务界面，与安装在电力设备上的采集终端通信，获取采集终端的运行参数。该系统软件具体可实现设备定位识别、运行数据采集、巡检数据录入、巡检记录上传、巡检记录查询、设备管理、数据查询、数据分析等功能。

2 感知层的设计与实现

2.1 感知层硬件结构

感知层数据采集硬件总体结构，湿度传感器、气体传感器、电压电流互感器采集的模拟信号，经过信号调理后通过A/D转换，数据采集器的微处理单元对各种数据进行采集和管理。

其中，為了全面监测高压开关柜带电部位全局的问题，设计了一种在现实红外成像的开关柜温度场采集模块。提高温度监测的有效性，避免温度场监测不全导致的开关柜安全隐患。

为提高开关柜测温的精度，扩大开关柜温度监测的区域，文中设计了红外温度传感器模块，结构框图如图3所示。选用STM32F103RCT6作为红外温度传感器和激光电路核心处理单元，STM32核心为Cortex-M3，系统时钟晶振频率为8MHz。采用MLX90640红外传感器对区域进行红外温度采集，测温精度为0.1℃。采集区域大小划分为32×24个区域点，激光电路用于指定测温区域的范围。采集到的温度信息经微控制器处理后以图像形式送入平台层服务器。

红外测温传感器输出的每帧数据包含1544个以16进制表示的字节，其中字节4-1539表示目标物体768个点的温度，给定一帧数据<5A5A-0206-6E0E-690E- 5A0E-XXXX-050E-8D0E-D540>，字节4表示温度数据的低8位，字节5表示温度数据的高8位，以一行一列点域的温度数据说明实际温度换算过程如式（1）：

2.2 边缘计算

边缘计算是一种新的计算模式，其核心在于强调计算应该更靠近数据的源头，边缘计算技术在电网信息系统中应用广泛。通过引入边缘计算，可缓解网络带宽和数据中心服务器的计算压力，提升服务的响应能力。

在电网基础设施中，开关柜数量众多，传感器短时间内可产生大量原始数据，但数据总体质量低下。为缓解大量数据对平台层服务器的计算压力，文中设计的开关柜在线综合监测系统通过应用边缘计算引入传感器异常感知算法，采用相关分析确定异常数据，并对异常数据进行标注，为平台层提供优质数据来源。

3 平台层数据库结构设计

3.1 数据库管理体系

开关柜综合监测系统数据量大，如不能设计合理的数据管理模式将导致系统硬件性能不足从而引起系统故障。数据库的设计开发应当满足高压开关柜横向综合信息采集以及纵向数据贯通的要求，应具备实时性、大容量、高效率、安全性等特点。

文中设计的数据库管理体系，包含应用层、接口层、管理层和基础层4部分。基础层为硬件和操作系统，为数据库的运行提供支持。基础层之上为数据库的管理层，包括存储的数据信息、实时库、历史库、数据搜索算法以及故障建模技术等。

采用面向服务架构实现数据集成和对外共享，在面向服务架构基础上实现管理层的封装。数据库提供3类访问接口，分别是数据库本地访问接口、数据库网络访问接口、数据库远程访问接口。在数据库管理技术中，包含数据远程访问技术、数据安全访问技术、实时数据库的定位技术、历史数据管理技术以及快速访问技术等。

3.2 故障诊断建模

故障诊断建模的目的主要是对开关柜母线室、电缆室和断路器的状态量进行监测，监测量如表1所示，主要对开关柜的柜内电弧故障、机械故障和绝缘损坏三种故障进行判别。传统的开关柜故障诊断多采用时域信号处理方法，如小波变换、经验模态分解、信息熵等[16-18]。因文中设计的开关柜监测系统监测信息维度高，传统信号处理方法难以处理，故可将开关柜高维特征矩阵映射至黎曼空间中，并在黎曼空间中使用黎曼距离判定故障类别。

4 应用层

高压开关柜在线综合监测系统以手持式终端为主要载体，分为系统设置、实时监测、历史数据和报警数据4部分，。系统设置包含登陆服务、用户增删、密码修改、服务器选择、数据库选择、参数报警阈值设定功能。实时监测部分展示开关柜电气参数、电能参数、温湿度曲线和气体压力。历史数据提供数据存储、下载、查询服务。报警数据来源于阈值报警和故障诊断报警两部分，报警信息包含时间、级别、类型和确认与4部分。数据分析部分将统计分析方法、故障诊断方法引入边缘计算、大数据分析中，加快数据处理流程，提升系统响应速度。

5 结论

（1）构建基于泛在电力物联网的高压开关柜运行状态在线综合监测系统，能够通过各种感知元件获得开关柜运行参数信息，实现对分布式的开关柜实时在线监测。

（2）采用多种传感器监测开关柜内参数信息，数据采集模式多样化。

（3）红外监测模块可对柜内大全局的温度信息进行采集，提高了开关柜温度监测与故障预警性能。

（4）数据分析系统可充分可利用数据信息对电力设备故障进行识别和预警，具有较高的实用价值。

参考文献

[1]李祥， 崔昊杨， 皮凯云， 等. 基于STM32的变电站巡检机器人系统设计[J]. 现代电子技术， 2017（17）：158-161+165.