多传感器融合的智能电力系统设计与应用

0 引 言

电力系统开关站智能无人值守系统是用于变电所、配电房、环网柜等需要对运行环境和用电信息进行实时监控的高科技采集调控装置。调控系统的建立可有效降低变电站故障概率，提高变电站运行的可靠性、稳定性，并可实时排出变电站内有毒、有害气体与窒息性气体，保障进入的工作人员的安全[1⁃2]，同时，针对现场环境实时监测情况，智能调控装置亦能通过相应的智能联网平台及时有效通知相关人员，实现远端调控。本文设计的监控系统能够实现全天无人智能监测，以及各参数信息的采集，并在监控终端进行实时显示[3]。当站内出现异常情况时，本系统智能控制排风窗、水泵等相关处理设备，将异常情况解决在萌芽状态，并将报警信息通过短信形式发送出去，在工控屏和远端监控中心实时显示，把异常情况第一时间告知相关负责人，做到精准检修[4⁃7]。

1 系统总体设计

智能电力无人值守系统总体设计框图如图1所示，主要由智能监控终端模块、工控屏显示模块、Web/手机访问模块、环境监测与处理模块、安防监控与处理模块、智能联动与处理模块以及预留扩展口等模块组成。监控终端主控制器STM32F407通过RS 485通信方式与各采集模块进行通信，将采集的数据根据通信协议计算相应的值，通过4G网络与服务器建立TCP连接将数据传输至上位机[8]，并将传输的数据根据协议进行解码，在监控中心实时显示各采集模块的测量数据，同时通过短信形式将报警信息以功能代码发送至相关人员手机中。

图1 系统总体设计框图

2 系统功能设计与实现

2.1 系统功能介绍

该系统能够对开关站一些环境参数以及设备运行情况和紧急情况处理进行实时监测、反馈、管理和紧急情况自动控制。系统功能主要由环境监测、设备运行、安防监测、智能联动以及数据平台五部分构成，其功能框图如图2所示。

图2 系统功能框图

2.2 系统监测与处理方法

2.2.1 环境监测与处理方法

高敏烟雾监测子系统采用高敏烟雾传感器监测开关站，其内采用pH2.5检测芯片，通过对空气中pH2.5含量变化的捕捉，反映站内烟雾情况。当烟雾异常，系统将立刻联动视频捕捉和告警功能，并及时对相关工作人员手机以及上位机监控中心推送告警信息。因其灵敏度远胜传统烟雾传感器，提前预警效果显著。

室内温湿度监测子系统实时监测站内温湿度信息，当温湿度过高时，系统将启动动力设备（风机、除湿机），直到温湿度处于正常水平；当温湿度异常时间过长，将启动告警流程，推送至相关工作人员。

SF6气体监测子系统中在电缆沟、开关柜SF6易泄露点安装SF6传感器，实时监测开关站SF6含量，一旦该传感器检测到SF6含量超标信号，系统将启动风机设备，开启安全排气通道，同时启动告警信息推送。

室内水浸监测子系统针对开关站室内防水，当有漏水、渗水情况，导致地面积水，水浸传感器对易积水处进行监测，若采集到水浸信号，系统将启动预警流程。

电缆沟水位监测子系统采用电缆沟水位传感器实时监测开关站电缆沟水位情况，当检测到预警水位信号，系统自动启动抽水泵工作，同时将启动水位预警信息推送。

2.2.2 设备运行监测与处理方法

在柜内母线、电缆温度实时监测过程中，当温度过高时，传感器将采集的数据通过无线方式推送给智能监测终端，系统将接收到的温度数据分析后，启动告警流程，并推送至相关工作人员。

开关站室内设备运行负载状态可基于设备电压电流表获取数据，运行负载可实时显示，并对数据进行存储，运行负载异常情况下，启动告警流程。

2.2.3 安防监测与处理方法

门禁监测子系统对站门进行实时监测，当门被打开时，系统接收开门信号，自动启动风机15 min，并同时启动视频录像功能，对站门状态及进入人员进行视频图像信息存储，该信息可进行回放、查看等。该远程摄像系统由一个或多个网络摄像头组成，用于对站内情况进行实时监控，供远程的终端使用。

视频监控子系统可针对室内有运动物体进行跟踪侦测、记录保存，同时对重点监视区域实现边缘化数据分析，回传差异视频或图片。

3 电力监控系统设计与应用

3.1 系统软件设计

3.1.1 数据传输方法设计

监控总端启动后，主控制器对部分I/O口以及LAN8720和LWIP进行初始化操作，并启用IP协议栈，同时判断DHCP是否运行，若运行则获取动态IP地址，否则获取静态地址。然后对TCP_client以及一些函数进行初始化操作，并创建TCP，同时尝试和目标服务器建立相应的连接，若成功连接后测试发送标志位是否有效，若有效将实验所采集的各参数信息通过4G传输至目标服务器IP[9⁃10]，其4G流程图如图3所示。

图3 4G数据传输流程图

3.1.2 上位机软件设计

上位机监控终端在开启以后，首先定义显示界面相关变量，并对各参数进行初始化，然后判断4G是否连接正常。若连接正常，则上位机监控终端发送获取参数命令，下位机根据相应的功能码将数据返回至上位机，上位机先判断该数据帧的字节长度及功能码，然后根据相应的协议进行解码，最终将参数信息存储至上位机并进行实时显示[11⁃12]。数据传输流程如图4所示。

图4 上位机数据传输流程图

3.2 界面设计与应用

3.2.1 主界面设计

采集终端通过4G发送的数据传输至数据库中，根据相应的协议计算出各传感器实测数据，并将数据在相应的界面进行显示，图5是该系统应用在某开关站监测情况，从图中能够直接看出开关站的实际温湿度、SF6含量以及烟雾等测量情况。

图5 系统主界面设计图

3.2.2 系统设置

点击右上角系统设置按钮，跳出输入密码界面，密码由用户自行设置或通过短信方式验证。输入密码之后，按Enter键，跳转至系统设置界面，如图6所示，用户可以根据各环境参数设定阈值大小，超过阈值上下限自动启动报警装置；可以设定动态密码和报警手机号，便于短信接收；设置整个系统通信状态时间，当检修人员到达现场并解除危险时，可通过修改暂停报警信息发送的时间，停止报警信息发送。

图6 系统设置界面

3.2.3 无线测温

通过无线测温装置能够远程检测开关站三相电的电缆温度[13]，当线缆温度过高时会将报警信息发送至监控终端，能够起到实时监控和预防作用，其测试界面见图7。

图7 无线测温界面

4 实验结果与分析

为了提高设备的可靠性以及设备安装便捷性，到某小区开关站实际勘测现场环境，并绘制设备布局示意图，如图8所示。图9为远程监控终端室，在实际应用中该系统运行稳定，能够实时监测开关站里面的状况，并对报警信息进行查看，及时做出相应的措施。

图8 现场环境及设备布局示意图

图9 远程监控终端

远程监控终端所测量的实验数据如表1所示。

表1 开关站内各参数测量值

表1中测量值皆是选择某品牌测量仪同时测量的相关数据，室内温湿度误差在2%以内，室内SF6误差在3.5%以内，其测量精度能够较好地满足参数要求。

5 结 语

本系统高度集成，扩展性强，其多种接口通信模式方便今后其他数据接入与上传。并且该系统能够实现24 h全天候实时监测，并全方位采集检测数据[14⁃16]。当站内出现异常情况时，能够智能联动相关处理设备，将异常情况解决在萌芽状态。同时，智能联动设备无法处理的异常情况，将通过告警流程，把异常情况第一时间告知相关负责人，做到精准检修，从而能够实现更加可靠及安全的远程管理和操控。