基于物联网技术的低压配电箱空开状态监测与远程控制系统设计

廖永利 蒙存智 周俊飞 吴晓锋 罗予均

（广西电网有限责任公司南宁宾阳供电局）

0 引言

随着社会的不断发展和科技的迅猛进步，电力系统作为基础设施之一，在现代社会中扮演着至关重要的角色［1］。为了保障电力系统的正常运行和提高其管理效率，对低压配电箱的状态监测与远程控制需求日益迫切。在这一背景下，本研究旨在借助物联网技术，设计一种先进的低压配电箱空开状态监测与远程控制系统，以满足电力系统管理的现代化需求。

低压配电箱作为电力系统中的关键节点，其状态的实时监测对于及时发现潜在问题、减少电力系统故障具有重要意义。本系统旨在通过物联网技术，将配电箱与云端连接，实现对电能参数的实时监测。同时，为了提高电力系统的灵活性和可操作性，系统还设计了远程控制功能，使用户能够远程操控配电箱的空开状态。这不仅有助于提高电力系统的安全性，还为电力管理人员提供了更为便捷的监测手段。

本文将首先对低压配电系统的发展现状和面临的挑战进行概述，随后详细介绍所设计系统的整体架构和各个模块的功能。通过对系统的实际应用和测试结果进行分析，我们将评估系统的性能和可用性。最后，结合实验结果，我们将提出未来优化和拓展系统的方向。这一设计旨在为电力系统的监测与管理提供一种先进、高效的解决方案，以适应现代社会对电力系统安全与可靠性的不断提升的需求。

1 低压配电箱空开状态监测与远程控制

低压配电远程监测系统的整体架构可划分为三个主要组成部分，包括配电监测终端、物联网平台传输模块以及用户终端监测模块［2］。

配电监测终端：配电监测终端是系统的数据采集前沿，其主要职责是实时收集和监测配电系统中的各项信息，包括电流、电压、功率等参数［3］。这个部分通过高度敏感的传感器和设备，以及先进的数据采集技术，确保对电力系统运行状态的准确捕捉。通过4G通信技术，监测终端能够快速、可靠地将采集到的数据传送至物联网平台。

物联网平台传输模块：物联网平台传输模块是系统的数据传递枢纽，承担着将来自监测终端的数据传输至云端的关键任务。通过4G通信通道，这一模块实现了高效的数据传输，将配电监测终端采集到的信息迅速传送至阿里云物联网平台［4］。其稳定、快速的数据传输能力确保了实时性要求的满足，使得配电系统的运行状况得以及时监测和响应。

用户终端监测模块：用户终端监测模块作为系统的数据展示和管理端，提供了用户与配电系统互动的接口［5］。用户可以通过该模块方便地管理和查看配电系统的运行数据，实现对电力系统状态的实时监测和历史数据的回顾。通过与云端数据库的交互，用户能够获取关键的电力信息，做出相应的决策和调整，以确保配电系统的稳定运行。这一部分的功能设计旨在为用户提供直观、全面的配电系统监测体验，使得他们能够更好地了解和管理电力资源。低压配电远程监测系统总体结构如图1所示。

图1 低压配电远程监测系统总体结构

2 低压配电箱空开状态监测与远程控制系统设计

系统软件设计分为两个主要部分：数据通信网关主程序（主机）和电参数采集主程序（从机）。它们之间使用RS485标准的Modbus-RTU协议进行数据通信。电参数采集主程序包括电能芯片初始化配置、电能参数计算、谐波计算等子程序，而数据通信网关主程序包括4G模组注网、温湿度采集、GPS数据采集等子程序。这两个主程序集成在一起形成配电监测终端。

为满足配电监测终端的多功能要求，其内部结构相对复杂。通过将大模块划分为多个小模块，系统内部结构变得更加简单，提高了软件调试的灵活性和舒适性，增强了适用性。每个子模块的功能程序从底层的驱动函数开始编写，以基本满足各模块需求，并能够随意修改。后续将介绍终端与阿里云物联网平台的远程连接、阿里云物联网ⅠoT Studio界面软件设计以及相关通信协议程序设计。配电监测终端总体软件架构如图2所示。

图2 配电监测终端总体软件架构

2.1 电参数采集程序设计

电参数采集程序通过配电箱中的电能芯片进行初始化配置，旨在建立与电能芯片的有效通信，并确保采集系统与电能芯片之间的正常连接。通过初始化配置，系统能够正确识别和访问电能芯片，为后续的数据采集操作奠定基础。电参数采集程序涵盖了电能参数的计算子程序。在这个阶段，程序通过与电能芯片的通信获取实时的电流、电压等参数数据。通过运用相应的计算算法，系统能够准确地计算得出各种电能参数，包括功率、电量等。这些参数的精确计算为配电箱的状态监测提供了准确的数据支持。

此外，电参数采集程序还包括谐波计算子程序。在这一步骤中，系统能够识别并计算电能中存在的谐波成分。谐波计算的过程涉及对电流和电压信号进行频谱分析，以确定谐波的类型和强度。通过这一步骤，系统可以全面了解电能的质量，从而更有效地进行状态监测和故障诊断。

2.2 数据通信网关程序设计

数据通信网关主程序采用了4G模组注网子程序。通过这一子程序，系统能够在配电箱中集成4G通信模块，实现对移动通信网络的接入。为系统提供了高速、稳定的数据传输通道，使得配电箱能够通过物联网技术与远程云平台建立可靠的连接。

数据通信网关设计了温湿度采集子程序。这个子程序负责采集环境温度和湿度数据，以提供有关配电箱周围环境的实时信息。此外，GPS数据采集子程序是数据通信网关程序的另一个关键组成部分。通过这一子程序，系统可以获取配电箱的实时位置信息。这对于远程监测系统的定位和管理提供了重要的支持，尤其是在需要准确定位配电箱位置的紧急情况下。

2.3 物联网平台设备连接的实现

首先，系统采用了远程连接机制，通过物联网协议建立配电箱与阿里云物联网平台之间的通信链路。这一连接机制提供了高效且安全的数据传输通道，确保了设备与云端之间的实时通信。其次，物联网平台设计了ⅠoT Studio界面软件，用于对配电箱的远程监测和控制。通过该界面软件，用户可以实时查看配电箱的状态信息、电能参数以及环境数据。同时，用户还能够通过界面进行远程控制操作，例如远程开关配电箱的空开状态。

在设备连接中，还包含了相关的通信协议程序设计。系统需设计相应的通信协议，确保设备与物联网平台之间的数据格式一致性和可解析性。这样的设计保障了设备上传的数据能够被云端准确解析和处理。

3 测试与结果分析

系统测试旨在验证低压配电远程监测系统在实际运行中的性能和功能。本文主要的测试目标是测试目标：确认配电监测终端准确采集电能参数；评估物联网平台传输模块的稳定性和实时性；验证用户终端监测模块的用户友好性和数据展示效果。以下是测试的具体结果：

从表1可以看出，就传输延迟而言，平均传输延迟在每个时间戳都在秒级别，整体上看起来是可接受的范围内。例如，08：15的传输延迟最低，为0.5s，而08：30的传输延迟最高，为0.8s。这表明系统在将数据从配电监测终端传输至物联网平台时具有较低的延迟。

表1 物联网平台传输模块测试结果

对于传输成功率：传输成功率保持在较高水平，整体上在97%到99%之间。这意味着系统在传输数据时具有很高的可靠性，仅有很少的传输失败。高传输成功率对于确保实时性和数据完整性至关重要，尤其是在配电监测系统中，用户可能需要及时准确地了解电能参数。表1这组数据反映了系统在物联网平台传输方面的稳定性。较低的传输延迟和高的传输成功率表明系统能够快速、可靠地将数据从配电监测终端传送至云端。这对于实时监测和响应电能参数的变化至关重要。

从表2可以看出，用户成功查看实时数据，表明监测系统能够即时传输并呈现当前的电能参数。用户对这一功能的评分为5/5，说明用户对查看实时数据的体验非常满意。针对用户成功查询历史记录，这表示监测系统能够有效地存储并提供过去一段时间内的电能参数历史数据。用户对这一功能的评分为4/5，可能表示在某些方面有一些改进的空间，例如查询速度或数据呈现方式。此外，用户成功进行了远程控制操作，这说明监测系统具有远程控制配电系统的能力。用户对这一功能的评分为5/5，表明用户对远程控制的体验非常满意。总体而言，用户体验评分总体较高，说明用户对低压配电远程监测系统的用户界面和功能操作感到满意。成功执行各项操作表明系统在用户交互方面表现良好，能够满足用户对实时数据、历史记录和远程控制的需求。

表2 用户终端监测模块测试结果

4 结束语

通过本研究设计的基于物联网技术的低压配电箱空开状态监测与远程控制系统的实际应用与测试，得出如下结论：系统展现了良好的可行性，硬件和软件部分协同工作，确保了电能参数的准确采集、高效传输和直观展示。实验结果显示系统具有较低的传输延迟和高的传输成功率，保证了电能参数的实时性和准确性。用户终端监测模块提供了用户友好的界面，用户能够方便地查看实时数据、查询历史记录，并成功进行远程控制操作。用户对系统的积极评价表明其满足了用户对配电监测的需求。系统的远程控制功能得以有效实现，用户可以通过物联网平台远程操控配电箱的空开状态，增强了系统的灵活性和可操作性。