一种部署于电力企业内部即时通讯平台的变电站箱体态势感知辅助研究与应用

林谷琛，李文波

（广东电网有限责任公司汕头供电局，广东汕头，515041）

1 变电站内端子箱和机构箱智能监控的必要性

端子箱、汇控柜、机构箱等箱体是变电站的重要设备，起到动力、控制、测量和保护作用。在大风雨雪天气下，变电站端子箱和机构箱由于机械磨损、损坏、锁不可靠等各种原因进水，导致箱内二次回路绝缘水平降低，回路短路或开路，严重时甚至会引起保护误动作，引发变电站大面积停电事故，造成重大的经济损失以及社会不良影响。

常规变电站端子箱和机构箱内部均装设了离线的温湿度传感及加热、除湿装置；传统的设备故障处理方式为设备出现故障后，需要由工作人员进行故障位置判断和故障排查，检查加热器的一般方法是用手感知加热器的温度。

该方法存在以下缺点：一是检查“加热器”时间长且流程复杂；二是检查过程存在触电风险；三是检查过程存在烫伤风险[1]。因此，在人力成本高的情况下如何提升管理的信息化建设，成为现有技术中要解决的主要问题。

目前较为成熟的端子箱在线态势感知方案一般包括硬件和配套的云系统；硬件包括配套的温湿度传感及加热、除湿装置；云系统为阿里云、腾讯云或是第三方企业自建云；

现有的系统内各类端子箱、电缆沟态势感知存在如下问题：

（1）因电力企业网络安全的原因，基本处于停用状态；

（2）兼容性差，往往只兼容本厂家的硬件，若要兼容其他厂家的硬件，造价高；

本文针对上述情况提出一种部署于电力企业内部及时通讯平台的变电站内端子箱和机构箱的智能监控方法及装置，可以将测量到的温度、湿度等数据通过互联网上传至电力企业内部移动应用平台，以实现对变电站内端子箱和机构箱的实时监控，对存在的故障信息的及时上报，这样运行维护人员不必到现场检查，就可判断加热器是否正常工作，而且更加快速、准确、安全，进而提高故障处理效率，降低管理成本。微环境监测架构图如图1 所示。

图1 微环境监测架构图

2 变电站内端子箱和机构箱的智能监控方法及装置设计

■2.1 网络结构的设计

变电站内端子箱和机构箱的智能监控的网络结构设计采用一个中心多个监控节点的分层、分级管理模式，设置一个监控中心，该中心与各个受控点的数据信息采集处理器之间利用现有资源组建一个通信监控网络，实现由监控中心集中采集、监控、处理各个节点信息的功能。变电站作为一个独立监控的对象，安装信息采集处理器，负责接收和处理变电站内各类传感器的数据，使用户能够实时获取所需要的信息，网络结构如图2 所示。

图2 网络结构图

监控LoRa 节点对应变电站内设备绑定的温湿度传感器、气味传感器以及柜门开合传感器等，能实时上报所在环境温湿度、气味、柜门开合状态等数据，完成无线自组传感器网络与站内网络的互连，与站区内交换机进行数据交换。

LoRa 网关数据采集器对应站区内的网关、交换机等，作为数据的中转站，通过LoRa 无线通信技术将各个监控LoRa 节点的数据信息汇集在站端交换机上并与监控中心服务器进行交换，然后通过互联网上传至监控中心服务器上。

监控中心服务器对应该套系统的服务器平台，即实现终端设备数据的提取和查看的服务器或设备。

■2.2 传感器

本设计所使用的智能温度湿度采集器等传感器的核心采用高性能低功耗的嵌入式单片机，搭配LoRa 基带芯片构成，外围传感器根据现场环境和数据采集精度的要求搭配不同的温度湿度传感器。

嵌入式单片机主要负责驱动温度湿度等传感器采集数据，驱动LoRa 基带芯片，将采集到的数据通过无线通讯技术上传给LoRa 网关设备。数据通过网关设备后经由公网传送到服务器。服务器再通过云服务将数据消息推送给手机端的APP，实现远程监控。

此外，嵌入式单片机还预留出一定的通用接口，便于后续的其他传感器的加入。

■2.3 LoRa 微功率无线数据传输技术

本设计采用LoRa 微功率无线数据传输技术作为传感器数据采集和上传。

LoRa (Long Range Radio) 是低功耗广域网(LPWAN)中的一种技术，采用线性跳频脉冲系统(Chirp)，利用线性跳频脉冲调制信号，扩展通信信号频谱带宽，以实现扩频通信，并获得较好的抗干扰性能[2]。在物联网技术中低功耗、远距离无线传感网络起着至关重要的地位，与其它无线传感网络相比较，基于LoRa 的无线传感网络可以适应更远距离、低功耗的应用场合。

变电站物联网建设采用LoRa 微功率无线数据传输技术有以下优点：

（1）功耗低。传感器需要电池供电，而且变电站设备繁多，若功耗过高则需频繁且大量更换电池，加大了运维成本。除此之外，传感器单次传输数据量极小，且传输频次低，LoRa 微功率无线数据传输技术正好适用于这种情况。

（2）网络安全性高。电力系统作为国家能源支柱行业对内外网有严格的隔离要求，跟电力生产相关的数据不能走公网。通过LoRa 网络，变电站可以搭建自己的物联网私有网络。除此之外，LoRa 网络还具有双向认证、完整性校验和保密机制来保障安全性[3]。

（3）覆盖广。LoRa 微功率无线数据传输技术长距离通信和抗干扰性高的特点，使得LoRa 网关数据采集器完全能满足变电所内信号全覆盖。

■2.4 服务器平台及移动终端功能的实现

2.4.1 服务器平台功能的实现

服务器平台通过接收各个站端监控节点的数据信息，整理汇集后向各级终端发出信息推送并在各级终端显示。

各级终端上可实时显示端子箱和机构箱的运行信息，便于运维人员实时知悉设备的运行状态。采集的数据可运用于大数据分析，以发现设备故障及老化规律。终端还支持报警功能。可以在终端上对必要的数据设置一定的阀值，服务器将实时与实际运行信息以及阀值信息进行比对，超出阀值时将会生成报警信息，并将报警信息反馈至各级终端进行报警显示。此外，终端上还支持搜索功能，对具体站点、具体位置或者传感器编号进行搜索，以便于快速获取实时信息或者历史报警信息。

服务器平台的开发使用Python+djiango 框架。python 十分贴近自然语言，易学易用，十分方便开发和后期维护。Python 相关资源几乎完全免费开源，强大的技术生态为项目提供了有力保障，且成本低廉。python 内置的许多特性，也降低了开发人员的开发负担，比如自动内存管理，完全屏蔽了C++的手动内存管理的缺陷，使得开发人员只需专注于业务的开发实现。Djiango 作为python 领域最好用的框架，同样具备简单易用的特点。比如其内置contrib，不用写一行代码就可以搭建完整的后台管理界面。另外Djiango 具备完备的错误提示设计，支持插拔，解耦做到了极致，大为提高了系统的健壮性和可维护性。

数据库则选用MySQL。MySQL 体积小、速度快、成本低、支持多线程、支持多种开发语言、开放源代码、跨平台特性优越。

服务器端消息推送依赖消息队列服务，选用apscheduler模块实现。apscheduler 最大的优势是插件化思想和抽象出接口，策略与不同实现机制分离，十分契合服务器平台开发中的技术选型思想，有利于持续迭代和后期维护。

2.4.2 移动终端功能的实现

各级终端还包括移动终端。本设计提供了一种基于电力企业内部即时通讯平台的移动应用，使得这套智能监控装置能够接入现有的移动应用平台，实时向手机端推送数据，可以方便的调取监控数据。移动终端智能监控系统主界面如图3 所示。

图3 移动终端智能监控系统

在移动终端上同样具备阀值设置和报警功能。在日常工作中，即使人员不在电脑前，也能通过手机登录移动终端智能监控系统实时查看变电站内所有箱体的温度和湿度等箱体运行情况，随时可根据设备运维需要对设备相关的阀值设置进行修改（如图4 所示），同时也能及时接收到报警推送消息，方便运维人员进行相应的紧急处置。如图5 所示，智能监控系统还支持报警处理记录功能，运维人员可对每次报警的处理结果进行实时记录和图片上传，为后续对历史故障情况的统计与分析提供支撑。

图4 报警阀值设置界面

图5 报警处理界面

由于传感器上嵌入式单片机预留的通用接口以及LoRaWan 标准协议的通用性，变电站内端子箱和机构箱智能监控装置还支持进一步扩展功能。

移动终端的开发通过前端框架BUI、前端开发语言JavaScript、HTML5 和层叠样式表CSS3 技术实现。BUI是可用来快速构建交互界面的前端框架。使用该框架开发者只需要进行业务的开发，无需关心功能代码编写、样式调整和跨平台兼容等问题，可同时支持微信公众号,微信小程序webview,聆客,钉钉,淘宝,支付宝等嵌入场景。还可以配合其他类库（比如,Cordova,APICloud,Appcan 等)进行混合开发以兼顾性能和开发成本。JavaScript、HTML5 和CSS3 主要用于补充BUI 所不能满足的业务场景。

3 结论

本文将物联网技术与变电运维技术相结合，设计了一种变电站内端子箱和机构箱的智能监控方法和装置，通过构建变电站短距离无线自主网，以LoRaWan 网络穿透式传输至变电站监测服务器，实现全站非敏感数据稳定传输，从而掌握设备实时的温度、湿度、水位等微环境情况。此外，还开发了一款基于电力企业内部即时通讯平台的移动运维APP，实时推送报警信息，实现变电站运维人员移动式运维作业，以此来解决变电站设备环境辅助监测盲点的问题，从而实现端子箱、电缆沟运行状态实时监测及预警的智能化远程运维。