基于物联网技术设计变电站远程监控系统研究

梁静，杨华勋

（柳州铁道职业技术学院，广西柳州，545007）

0 引言

本文设计了一种基于物联网技术的变电站远程监控系统。该系统主要组成有电源、芯片、DS20BB数字温度传感器、USB接口等，核心传感器采用的是DS20BB型号数字温度传感器，变电站远程监控系统的软件功能框架由动力监控模块、环境监控模块、运行监测模块组成。基于物联网技术的远程监控系统也需要在网络安全方面进行加固，以提升变电站的安全性和稳定性，避免铁路通信系统遭受网络攻击。

1 物联网在铁路通信中的应用现状

1.1 电源与动力环境监控系统

物联网技术在铁路通信专业中的应用较早，目前已经运用成熟。电源与动力环境监控系统的构建能够对机房进行智能化管控，及时获取设备运行信息、采集环境参数，并进行可视化呈现，以确保电源与动力系统的安全、正常运行。此系统主要由前端传感器、传输链路、信息采集器、中心处理设以及客户端等组成[1]。如图1所示，为某铁路电源与动力环境监控系统网络结构示意图。

图1 电源与动力环境监控系统网络结构

由图1可知，此系统网络结构由监控中心、区域监控中心、监控通道以及多个监控站组成。通信中心与通信站之间的监测数据传输与命令传达在监控通道中完成。监控站的传感器与探测器众多，例如，温湿度传感、红外、蜂鸣器等。利用铁路通信网，可组建拥有多级监控中心的网络结构。通常通信机房的主要动力设备有蓄电池变压器、工控机、计算机以及发电机组等。

1.2 综合视频系统

铁路领域的图像与语言监控系统可以说是早期的综合视频监控系统。以往的图像语言监控系统没有夜视功能，获取的图像模糊，且能够储存的时间较短。随着互联网技术与通信技术的不断发展，如今的图像监控系统有着高码率、大带宽、夜视功能完善且存储时间长等多种优势，能够良好满足行业的使用需求。综合视频系统由一套完备的技术体系支撑，其重要组成部分有图像采集器、传感器、中心处理设备、车站存储设备以及智能客户端。此系统能够对外部环境进行实时监控，辅助决策的制定，当有突发事件时，能够协助对相关信息的调查与取证。

1.3 异物侵限及防灾系统

物联网技术在铁路通信领域相对较新的运用为异物侵限及防灾系统。自然环境是影响铁路系统正常运行的重要因素，异物侵限及防灾系统能够实时感知外部环境和自然灾害，其提供的科学、准确数据能够有效辅助行车指挥部门及时作出相关调整，制定科学合理的行车计划，保障铁路的安全稳定运行，避免造成经济损失。异物侵限及防灾系统的组成部分包括现场采集单元、客户端、车站信息处理设备、中心处理设备等[2]。

2 基于物联网技术变电站远程监控系统硬件设计

物联网技术的应用显著提升了变电站的智能管控能力。大型变电站远程监控系统往往对硬件的配置要求较高。本文设计了一种基于物联网技术的变电站远程监控系统，该系统主要硬件设施包括电源、DS20BB数字温度传感器、DF芯片、继电器、USB接口等。如图2所示，即为变电站远程监控系统的硬件区域结构。

图2 变电站远程监控系统硬件区域结构

2.1 传感器设计

温度传感器的型号不同会导致系统的整体运行效果有所差异。此远程监控系统采用的为DS20BB型号的数字温度传感器，此传感器对变电站运行信息的采集以双向通信方式完成，使用方便，不需要增添其他设备便可独立实现通信功能。相比于单向通信方式，双向通信的效率更高，信息传输安全性更高，能够有效避免变电站信息传输错误。DS20BB数字温度传感器有3个引脚，其中一个引脚接地，一个引脚作为电能输送通道，最后一个引脚进行通信。另外，DS20BB温度传感器对温度数据十分敏感，不容易造成信息的疏漏，能够提高系统对温度的检测精准性[3]。

2.2 芯片设计

变电站远程监控系统采用的DF芯片具有强大的监控能力，可对变电站的运行情况进行监督。DF芯片带有复位零件、抗信号干扰能力较强，能够为硬件区域提供25r/s的运转速度，只需很小的电流就能够对一个周期的数据进行识别。在变电站远程监控系统中，芯片负责对变电站运动中相关性能的数据大小进行识别，以此判断出变电站的运行状态是否正常。DF芯片具有3个引脚，其中一个引脚实现与硬件区域的信号传输，一个引脚作为硬件区域与软件系统的数据传输通道，最后一个引脚实现变电站硬件区域的不同信号传输。

2.3 USB接口设计

变电站远程监控系统硬件区域设计中，USB特殊接口实现与节点控制器和网关微处理器的连接。此USB接口在3V电压条件下工作，接口传输效率可达1436GB/s，如此快速的传输速度缩短了远程监控信息的传递时长，为变电站应对突发事件作出及时处理提供了有效时间。USB有两个接口，其中一个为替补接口，正常情况下，使用一个接口传输信息，当发生故障或者遇到特殊情况时，使用替补接口完成信息传输。变电站远程监控系统正常运转情况下，USB接口的引脚和系统芯片的引脚相连，当硬件区域的电压值过高时，USB接口引脚会改变连接，与接地引脚相连，此时软件区域和硬件区域无法建立信息传输通道，导致系统硬件设备停止工作。硬件区域采用MAX176型号电源提供电力，能够较好承载起变电站远程监控系统的运行。

3 变电站远程监控系统软件设计

系统软件的工作目的在于协助变电站系统进行环境、动力、运行方面的远程监控，时刻保证变电站的正常运行。变电站远程监控系统的软件方面由环境监控模块、动力监控模块以及运行监测模块组成。软件区域功能框架设计如图3所示。

图3 远程监控系统软件区域功能框架

3.1 环境监控模块

环境监控模块的主要构成为环境入侵报警器、内部温度感知器以及突发自然灾害监测器。此模块能够实现对远程环境的实时监测，可为铁路通信提供安全、稳定的运行环境。基于物联网技术，环境入侵报警器能够对变电站工作区域或者施工现场进行安全监测，当监测到有非工作人员或不明物体入侵变电站安全区域时，系统会立即发出报警信号，防止变电站发生意外情况。突发自然灾害报警器能够对降雨、雷电以及地质灾害等情况进行检测，当检测变电站监控区域内有自然灾害发生时，提前进行自然灾害预警，帮助变电站运行系统调整运行决策。

3.2 动力监控模块

动力监控模块由发电电源和运行数据采集器组成，可对远程变电站的电力提供状态进行监控。发电电源为变电站系统运转与现场施工等工作提供动力源，动力监控模块会实时监测并判断变电站发电动力的能力是否正常。在系统软件工作过程中，运行数据采集器通过对变电站运行数据的采集，对比变电站发电电源的电压电流和侧电压电流的比值，如果比值没有超出正常范围，则远程变电站工作与施工等过程安全稳定[4]。

3.3 运行监测模块

运行监测模块由智能机器人和信号反馈系统组成。作为变电站运行的辅助模块，可监督变电站设备运行是否稳定、安全。基于物联网技术的智能机器人能够在变电站工作现场进行全天候巡逻与检查，采集相关设备运行信号。工作人员需要提前向智能机器人录入变电站相关设备正常运行状态下应有的信号源，以此为基准进行信号检测，当智能机器人察觉到变电站运行设备发出的信号源存在异常时，则立即向系统反馈信号问题，工作人员可调用远程监控系统反馈设备最近一段时间的运行数据，排查故障情况和位置等，完成远程监控操作[5]。

4 变电站远程监控系统网络安全防护策略

铁路牵引变电站远程监控系统存在一定的安全隐患，一旦遭遇网络攻击，将会严重影响铁路交通的正常运输，甚至会给人们生命安全和国家经济造成巨大损害。铁路牵引变电站系统需要提升网络设备、主机设备以及安全防护设备等安全等级，部署就地监视与告警功能，防范外部网络对变电站监控系统的网络攻击。

4.1 网络专用与安全加密

铁路牵引变电站与铁路部门和电力部门等存在通信连接，传输遥测、遥信数据时，变电站内应分别部署远动通信管理装置，避免共用，减小因串网而遭受病毒、蠕虫攻击的概率。在变电站与其他系统建立联系的纵向通信线路上增加安全措施，例如，报文加密、认证、白名单访问控制等，避免外部对铁路牵引变电站系统的监听和篡改。在铁路供电调度系统与变电站系统的通信链路上可部署防火墙，并设置目的端口、源IP地址、目的IP的安全配置。另外，可对变电站网络设备、主机设备、安全防护设备等进行安全加固，提升系统抗攻击能力和安全性。通过安全加固，在变电站系统的网络层、主机层以及应用层等层面，建立坚固且符合业务需求的安全防线。

4.2 运行监视与告警

变电站系统的站控层设备主要指监控主站、工程师站、信息子站等，可在铁路牵引变电站的站控层部署运行监视与预警装置，将网络设备安全事件、主机操作系统安全事件以及安全防护设备的安全事件均纳入监控系统的监视范围。这些设备的安全事件至少需要具备正常操作日志、运行状态信息以及违规告警事件。其中设备运行状态信息从CPU利用率、内存利用率、主机温度等几方面显示，并对设备运行状态设置安全阈值，一旦有一项状态信息超出安全阈值，则进行告警。安全操作日志需要体现设备接入、用户登录与退出等相关信息，为之后事件调查、操作审计提供可靠、全面数据。针对一切不符合安全策略的主机访问、设备接入、端口开启等事件进行违规告警，便于系统及时发现并阻止违规操作。

5 结语

物联网技术已经在铁路通信领域得到广泛应用，是铁路行业实现智能化、信息化的主要技术手段。本文设计了一种基于物联网技术的变电站远程监控系统，分别对其硬件区域和软件功能架构进行设计，此系统能够实现对远程工作环境、电力、运行等方面的数据传输和实时监测，具有一定现实意义。近年来，对变电站系统的网络攻击事件频发，铁路牵引变电站监控系统在网络安全方面也需加强防护，以保证变电站的安全、稳定运行。