基于物联网的电力巡检系统设计与应用

2022-08-08卞蓓蕾

机电信息 2022年15期

卞蓓蕾

（国网宁波供电公司，浙江宁波 315000）

0 引言

电网中供电和配电系统规模在不断扩大，设备也在不断更新换代，因此结构也更加复杂，需要管理的设备也越来越多。随之而来的问题就是配置跟不上电力技术的升级，以及无法承担过大的用电负荷，导致设备故障。鉴于该情况，应定期对电力系统进行巡检，若存在设备损坏和老化的情况，可以及时发现并对其进行检修，防止造成电路故障和经济损失，确保电力系统的稳定性。而传统巡检方式需要大量劳动力的支持，且耗费时间较长，存在明显的不足，例如设备数量庞大导致漏检、时效性差、效率低、智能化程度低，信息无法及时传输，各个部门之间无法做到全面的信息共享，不能及时掌握设备情况和控制设备运行[1]。

针对上述问题，近年来，各种智能技术被广泛应用，其中二维码巡检[2]、机器人巡检[3]等技术是主要的研究方向。二维码技术的应用使巡检智能化程度得到了提升，提高了对设备的控制能力，然而在实际应用过程中，扫描二维码需要靠近机器，对处于复杂地形的设备而言维护难度大，且二维码发生脱落或损毁等情况会增加检修人员的工作量。基于机器人的巡检方式进一步提升了巡检智能化水平，实际应用表明，巡检机器人系统可以显著提高电力设备的可靠性。然而，机器人的生产成本和运维成本均较高，且较难适用于复杂地形，所以无法普及应用至一般电力设备的日常巡检中。

综上所述，现有巡检方法存在依赖人工劳动、运维成本较高、可控性和及时性不强、设备维护难度大、工作持续性低等问题。为了解决以上问题，本文提出了一种基于物联网的电力巡检方法，基于RFID射频技术获取电力设备的信息，基于物联网GIS技术实现电力设备的精准定位，将现有的有源RFID射频技术与光伏微能量系统相结合，基于光伏微能量系统收集射频系统所需的能量，将电力设备的位置信息写入RFID系统，基于电子地图进行标注，构建了电力设备物联网，通过RFID阅读器和电力地图的基础功能实现电力设备的定位和跟踪。

1 电力巡检系统关键技术

1.1 基于光伏微能量的RFID技术

射频识别技术在使用过程中，将无线电信号转变为特定频率的电磁场，通过无线通信对数据进行更改、增加和删除等操作，并识别物体的状态。通过扫描放置在物体上的RFID标签，将标签内的信息导入RFID阅读器进行识别和转码，再发送给移动客户端或服务器。本文使用一种基于光伏微能量的新型标签系统，在传统的RFID技术基础上增加了光伏微能量技术，可以有效收集微能量，为射频系统提供能量。该系统结合了传统有源标签和无源标签的优点，既不需要近距离扫描，又满足了体积小、耐用性强的需求。电子标签以太阳能电池作为总的动力来源，太阳能电池板与能量转换器相接，再依次接入能量收集控制器和能量暂存器，太阳能电池板、能量收集控制器和能量暂存器与RFID控制单元连接。太阳能充足时，电子标签将收集到的太阳能转化为电能，提供给无源标签和能量存储控制器使用，在夜间无光源的情况下，启动自带的半导体激光光源对标签进行识别和信息管理。基于光伏微能量的RFID技术原理如图1所示。

图1 基于光伏微能量的RFID技术原理图

在设备定位过程中，巡检人员通过RFID阅读器或者

1.2 电力设备定位跟踪技术

在电力巡检系统中，对电力设备进行定位是实现准确故障定位和及时运维检修的重要前提。电力设备位置由经纬度坐标表示，需要一个完备的地理信息系统作为平台，将RFID技术与GIS技术相互融合即可实现基于物联网技术的设备定位跟踪技术。电力设备定位技术包括设备位置信息配置和设备定位过程，一方面，RFID标签粘贴在设备上，其中存储设备信息，通过设备配置过程，将设备信息与GIS信息结合，实现基于GIS设备定位；另一方面，在巡检过程中通过RFID阅读器阅读RFID标签信息，可以快速地在GIS地图上寻找到设备，实现基于物联网的设备定位和跟踪。在设备位置信息配置过程中，将电力设备的经纬度坐标存储在基于光伏微能量的新型RFID标签系统中，RFID标签粘贴或者固定在电力设备上，将商用电子地图的位置信息数据作为基础，在电子地图上标记对应设备的经纬度信息，从而实现设备位置信息的配置，如图2所示。具有RFID阅读功能的客户端读取电力设备上所固定的RFID标签，获取经纬度数据实现定位。若电力设备发生移动，则在RFID阅读器获取该设备上的RFID标签中存储的经纬度信息之后，在电子地图上标记出该设备原有的位置信息以及移动路径。该过程直接利用现有商用电子地图的定位和跟踪功能实现，流程如图3所示。

图2 基于RFID和GIS的电力设备定位跟踪技术示意图

图3 基于RFID和GIS技术的电力设备跟踪过程

2 电力巡检系统分析与设计

2.1 巡检系统需求分析

根据现场实际情况，电力巡检系统需求包括基础信息管理、业务信息管理、巡检计划管理、统计查询、系统管理、地图设备定位查询等。其中，基础信息管理对区域内所有设备信息进行记录，并提供管理员权限，根据巡检过程中的实际情况，更新设备信息，规划巡检线路；业务信息管理包括管理端下达的巡检任务管理、巡检员的巡检记录管理、巡检员上传的缺陷记录跟踪管理；巡检计划管理为有权限的用户新建巡检任务，指定巡检线路和规定巡检时间；统计查询包括巡检统计、缺陷统计，巡检统计对巡检次数、线路、时间等进行记录；系统管理包括用户、角色、权限、菜单和日志查看等；地图设备定位查询基于查询条件搜索查询用户设备及这一设备的全部详细信息，并在地图上显示。

2.2 系统总体结构与功能模块

电力巡检系统采用C/S（客户端/服务器端）的框架结构，客户端包括设备管理模块、巡检任务模块、缺陷管理模块、地图查询模块，服务器端包括基础信息模块、业务信息模块、统计查询模块、系统管理模块。服务器端采用通用SSH框架开发，包括Model、Dao、Service和Action四层。移动端采用Model View Controller（MVC）架构，包括model、view和controller。model是实际应用对象，属于整个应用程序的主体，包含业务逻辑和数据，若数据需要发生变化，由相应的model负责通知view；view是用户所看到并与之进行交互的图形界面，其中显示model提供的相关数据并能对数据进行输入，它不实际参与业务处理，不改变model；controller负责逻辑处理、控制数据在图形界面上的展示，向model发送数据的同时调用model来进行业务的处理。

基于物联网的电力巡检系统Android客户端系统根据上述架构主要划分为三大层：表现层、控制层和业务层，如图4所示。其中，表现层用于用户进行GUI交互和相关的数据编辑验证，表现层使用XML语言完成UI的设计布局，依据Android UI设计原则，将Java语言布局与XMI布局融合在一起完成图形界面的整体设计。控制层主要面向业务应用，即巡检相关业务，为表现层提供内部实际操作。业务层中则包含了设备管理、巡检任务、缺陷管理、地图查询等部分信息的读取和保存。

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图4 基于物联网的电力巡检客户端MVC模式图

2.3 服务器端功能模块详细设计

服务器端基础信息模块包括区域信息管理、设备管理、线路管理和传感规则等。在区域、设备和线路管理过程中，利用RFID技术和GIS技术实现设备和线路的地图定位，结合地图信息可以获得设备和线路所在的区域信息。

服务器端业务信息模块包括巡检计划、巡检任务、巡检记录、漏检设备等。巡检计划和巡检任务通过服务器端统一管理，在巡检记录过程中，巡检员每完成一次巡检任务，将通过RFID阅读器阅读一次设备的RFID标签，基于蓝牙技术实现RFID信息和服务器与客户端之间的信息交换，即记录巡检情况。

服务器端统计查询模块包括巡检统计、缺陷统计、地图找设备、传感数据分析、告警信息等。在地图找设备的过程中，通过读取RFID的设备位置信息和GIS地图实现设备的查找。

服务器端系统管理模块包括组织机构、部门管理和用户管理功能。组织机构实际是最高级别的单位或组织，属于整个系统的最高层，部门是在组织机构管理的次级组织，用户管理则对应到个人，每个用户应从属于某一部门，所有部门都从属于组织机构。系统管理模块中，三者关联起来进行共同管理，为管理员分配不同的权限，对这三者进行编辑和增删操作。同时对于用户个人的登录或者管理员对系统的修改行为进行记录以供查询。

2.4 客户端功能模块详细设计

客户端设备管理模块包括与设备相关的两大部分功能：移动端系统中进行新设备注册，查询设备的全部信息。新设备注册需要先确定设备的类型，系统再向服务器发送请求，获取该类型相应不可更改的基本信息和由用户确定的自定义信息，其中基本信息内容包含五个部分，即设备名称、编码、RFID、类别、位置信息，自定义信息能够上传该设备的图像资料，由管理员或相应的用户进行编辑与相关维护工作。

客户端巡检任务通过服务端发送，由客户端进行接收。客户端在收取到巡检任务推送后，选择并确认某一条巡检任务开始执行，按照该任务中规定的巡检路线进行巡检，并同步填写巡检记录，巡检记录内容包括三个部分：外观、有无破损、功能有无缺陷。

客户端缺陷管理模块在巡检过程中发现缺陷设备时，巡检员同步填写缺陷记录表，对发现的缺陷情况进行实时记录，系统会持续关注所记录的设备，无论移动端或是服务端都具有该功能。在下一次巡检时，巡检人员确认缺陷维修处理情况并在终端进行确认。

客户端地图查询模块用于确定巡检员所在位置的详细信息，可以在地图上查询周边的全部设备，可以分类查询并标注显示，在地图详细查询页面显示设备全部信息。

2.5 通信接口设计

表1 典型通信接口

用户在登录系统后，通过操作，点击区域信息图标时，移动端向服务端发出对该区域设备类别及各类别数目的查询请求。若服务器能成功查询到结果，则将对应的标识符设置为true，并向移动端返回所请求查询的结果；若无法成功查询到，则将对应标识符设置为false，不向移动端返回任何数值。

3 电力巡检系统实现与用例

3.1 系统开发工具及硬件设备

电力巡检客户端及其服务器端的开发选择IntelliJ IDEA、Java SDK、Android SDK、Java语言，开发环境配置为i7-4790CPU@3.0 GHz、Win10、64位操作系统。用到的硬件包括RFID阅读器和光伏微能量RFID标签，如图5所示。

图5 测试用新设备

3.2 客户端主要功能

客户端包括设备管理模块、巡检任务模块、缺陷管理模块、地图查询模块，受限于篇幅，本节重点介绍巡检任务模块和地图查询模块。

3.2 .1 巡检任务模块

巡检任务模块包括接收巡检任务和设备巡检两大功能。

工作人员接收巡检任务有通知栏任务推送和用户登录客户端查询两种方式。用户未查看应用界面的情况下，系统可以将信息发送到通知栏，提醒用户有待执行的任务，该方式具有及时、直观性强的特点。设计思路为：创建一个通知栏的Builder构造类，定义通知栏的Action并设置通知栏点击事件，为用户推送通知。用户登录移动客户端后，可以对待巡检的任务进行查询，读取用户的ID，并生成特定的查询格式，在HTTP协议的支持下，实现对巡检任务的查询，并向用户反馈查询结果。用户在查询任务时，可以根据特定条件进行筛选，例如巡检设备的类型、巡检开始或结束时间、任务编号以及巡检记录的结果等。任务编号模块中只包含文本，输入时使用EditText控件，将输入的文本传送到服务器端，系统会根据文本内容进行模糊查询；时间控件DatePickerDialog负责管理巡检开始时间和巡检结束时间的查询。巡检结果设置三个状态，分别是待分配、执行中、已完成；巡检类型可以根据实际情况进行调整更新，将按巡检类型查找的请求发送出去，服务器接收请求并反馈相应的值更新选项。按照巡检结果或巡检类型进行查找时，需要通过自定义Spinner控件实现。接收巡检任务界面如图6（a）所示。

巡检任务模块的设备巡检功能是在用户登录客户端后，可以点击待执行的任务，该项任务的ID储存在待办列表中，点击后，任务ID通过待办Activity传送并跳转到巡检页面，点击需要查看的任务记录，就可以查看连接在指定线路上的设备信息，如图6（b）所示。不同的巡检任务可能包含同一设备，用户对需要巡检的设备进行点击查看时，该设备在此次巡检任务中分配到的ID会传送到服务器端，从服务器返回的数值中包含了巡检设备的信息，该信息会显示在巡检页面上。为了集中管理设备信息，所有巡检项目的维护都由服务器端完成，用户要做的是点击记录向服务器发送巡检项目和类型请求。

图6 巡检任务界面

3.2 .2 地图查询模块

地图查询模块可以让管理人员随时掌握巡检员的位置，用户登录后，拥有查看区域所在位置、区域名称以及分布于区域内的所有设备信息（设备名称、设备数量等）的权限，实现了高度可视化管理，如图7所示。

图7 地图查询界面

点击区域可在地图上出现全部设备的位置信息，每种设备分配一个专属的颜色，并注明设备名称。地图引导工作人员进行设备巡检是系统的重要功能，工作人员巡检时携带移动端，并打开地图界面，通过蓝牙接收设备上的RFID标签发出的信号，地图会自动将该设备标示出来，并跳转到该设备的巡检页面。实现过程为：在配置文件AndroidManifest.xml中声明目标SDK版本，获取内置SD卡的读写权限，允许程序检测网络状态，允许程序访问Wi-Fi网络并收集信息，允许程序读写移动设备状态和用户个人信息等，并获取百度地图的开发秘钥。

将该系统用于某区域的设备管理，可以查看区域所在位置、区域名称以及分布于区域内的所有设备信息（设备名称、设备数量等）。自定义一个SendSearch，将用户所属部门的ID报告给服务器，服务器会返回数值，对返回值进行解码，得到设备的经度和纬度坐标，再使用MunityPoint方法在地图上标记出小区的位置，可以根据用户习惯自定义标记。其中小区图标的布局通过LinearLayout显示，在顶端显示区域名字，在区域设备种类名称旁边标注该种设备的数量，以TableLayout划分行列显示。点击区域图标，服务器即可收到区域ID，服务器通过SearchMunityInfo接口向数据库发送请求，得到许可后用户可以查看设备的数量、种类和属性。移动端收到返回数据时，经过处理实现XML动态读写操作。用户可以通过点击区域图标查看区域内全部设备的功能。打开系统的事件监听功能，用户点击区域图标，后台将之前显示的内容删除，通过aMap.moveCamera（CameraUpdateFactory.changeLatLng）将区域在地图的中心点处显示出来，接着调整缩放级别。从服务器调用SearchMunityDevice接口，获取该区域全部设备的ID、地理位置、名称等相关信息，通过解析返回值在地图上标记出设备，根据用户设置的图标，利用if语句进行判断分类，每种设备对应一种图标样式。

3.3 服务器端主要功能

服务器端包括基础信息模块、业务信息模块、统计查询模块、系统管理模块，本节重点介绍业务信息模块。

业务信息功能包含巡检的计划、任务、记录和漏检设备等方面的管理，如图8所示。

图8 业务信息界面

巡检计划是由管理部门根据实际目标预先制订，用户对巡检计划制订的参与，主要表现在对巡检任务的增减、启用与停止方面，用户需要新增巡检计划时，首先需要验证用户的登录状态是否正常，用户是否已经登录或者由于长时间未操作已经退出，若属于正常登录，系统会自动弹出设置表单，用户需要重新对巡检计划的物理信息如名称、线路和周期等进行重新设定后提交到数据库中。

巡检任务管理中，由人机交互界面对巡检任务进行构建，在系统的人机交互界面中，用户需要完成对系统生成新任务的信息填写，包含了任务的全新编号和该巡检任务的类型与周期等信息。巡检记录管理对系统的每一巡检操作进行记录保存，方便后台工作人员查看，同时，巡检日志也有助于系统的维护与正常运行。当系统开始巡检任务时，系统会自动生成并创建一个巡检文件，并保存在数据库中，当巡检任务执行完成后，数据库会自动保存。用户也可以通过管理系统对所有的巡检记录完成审核操作，可以进行通过或驳回操作。系统会对所有记录的状态进行记录，主要表现在当有未被审核的记录时，系统会将其储存状态暂时显示为0，如果用户在查询该记录后对其进行了初步审核，并选择了通过或驳回选项，则该项记录的储存状态将会改变为1。

漏检设备管理中判断是否存在漏检的方法是检查在创建该巡检任务时对应的巡检记录，当用户进行巡检任务后，系统会根据巡检结果与设定的巡检任务一一对应比较，如果存在漏检的情况，漏检设备的巡检结果将会被记录为Null，用户即可根据这项机制快速从冗杂的数据中找到漏检的设备及其ID，并将其记录在巡检记录表中。在数据库中用户也可以通过查询操作查询存在漏检情况的巡检任务的任务编号及其他基本信息，如巡检类型、线路等。

3.4 案例验证

将所开发的基于物联网的电力巡检系统应用于某小区，并通过模拟线路缺陷的方式来测试系统的实用性。根据客户端缺陷管理界面可知，在该小区附近的导线上出现异物，如图9（a）所示，发现之后系统自动生成巡检任务，预设巡检时间为2019-05-04T08：47：21，如图9（b）所示。巡检员在接收巡检界面中接收巡检任务，设置巡检开始时间为2019-05-04T09：18：23，之后巡检员进行巡检并处理异物，在2019-05-04T10：01：53完成缺陷的处理，并在系统中进行提交，如图9（c）所示。巡检员完成提交之后缺陷处理界面自动更新，如图9（d）所示。

图9 案例缺陷处理流程

上述巡检过程从发现缺陷的08：47至处理完缺陷的10：01，共耗时74 min，而传统的基于人工巡检、电话通知等方式的线路消缺在处理导线异物缺陷时平均耗时约为6 h。基于物联网的电力巡检系统将巡检效率提高了6倍左右，且整个缺陷发现和处理过程可以实时记录缺陷信息、处理情况、漏检信息等，并与中心服务器同步，从而实现巡检和检修全过程的记录和管理，这对于实现智能化设备巡检具有重要意义，可以有效支撑电力物联网的建设。