摘要：本文通过研究前端无线感知系统、三维地理信息系统引擎、配网运行监测及分析系统等，研发了一套包括无线监控终端、服务器集群、客户端软件在内的完整的基于物联网技术的智能配电系统的解决方案，填补了配网日常运行管理中不足，提高了配网管理效率，突破了无线通信技术、无线监控终端设计、基于三维的地理信息系统（GIS）引擎等关键技术方案，解决了客户端断线重连、服务器端断线检查、多任务连接中断处理、配电房监控参数实时采集控制、地图分层切片、多线程并行下载、人机交互、移动端展现、开关柜开关合闸状态实时检测报警等问题。此外该系统不仅可以达到快速故障响应、提高供电质量的效果，同时还能形成多个行业的应用，获取很好的经济效益，条件成熟时，可以形成一个良好的产业前景。
关键词：物联网；服务器集群；地理信息系统；智能配电
0引言
随着移动通信技术特别是第四代移动通信技术（4G）的快速发展，对配电网自动化[1-4]提出了更高的要求，配电网自动化也是电力系统现代化发展的必然趋势。近年来，智能电网与物联网[5-7]的概念不断升温，许多与智能电网相融合的新技术也不断被提出，其中包括面向智能电网的物联网技术的问世等。智能电网与物联网的融合作为一种具有极高战略意义的新型产业技术，被世界各国高度重视，我国也将物联网、智能电网列为国家战略，并全面部署了众多重大科技项目、示范工程的建设。
智能配电网是物联网在电力系统行业的应用典范。应用物联网技术，智能配电网将会形成一个以配电网为依托，覆盖城乡各用户及用电设备的、庞大的物联网络。智能配电网与物联网的相互渗透、深度融合和广泛应用，将能有效整合通信基础设施资源和电力系统基础设施资源，进一步实现节能减排，提升配电网的信息化、自动化、互动化水平，提高配电网运行能力和服务质量。智能配电网和物联网的发展，不仅能促进电力工业的结构转型和产业升级，更能够创造一大批原创的、具有国际领先水平的科研成果，打造更大的产业规模。
本系统利用物联网技术，结合城市地理信息系统[8-9]，对配电网络、配电房、供电质量等进行实时监控，实现在最短的时间内响应线路/设备故障，达到人力资源的充分合理地调度与使用，此外系统能在电子地图和卫星影像图之间自由切换，便于在使用过程中进行人员/电房/设备的定位和灵活指挥调度。
本系统中的基于无线及地理信息技术的配网运行数据监测及分析子系统可对配电房内每个低压出线电流进行实时监控，计算出变压器负载是否均衡，并计算出电流不平衡率，若出线电流不平衡现象，可及时进行调整，使配电变压器运行更加经济，此外系统具有低压失电自动报警功能，低压出线失电时，可在客户端软件报警，同时在地理信息系统中显示出报警电房的地理位置，通知相干人员及时前往现场处理。
本系统中的局部放电在线监测子系统可以在线监测系统适用于10KV及以上电压等级开关柜及其内部高压设备的局部放电在线及离线监测，能实时显示各个监测点局部放电幅值、频次、确定放电点相对位置，必要时给出报警，并能存储谱图、放电趋势，从而及时发现开关柜的绝缘缺陷，并为评估其绝缘水平及老化程度提供判据，为开关柜的检修工作提供依据。
1相关工作
配电网处于电力网的末端，它一头连着电力系统的输电网，一头连着电能用户，直接与城乡企、事业单位以及千家万户的用电设备和电器相连接，这就决定了配电网是电力系统中分布面积最广、电力设备数量最多和线路最长的一部分。
配电变压器是电力供电的最基本单元，配电变压器的监控对配电自动化管理、线损分析、负荷预测、电力需求侧的管理具有重大意义，配电变压器具有分散、地理环境情况变化多端、覆盖面广、用户众多，容易受用户增容和城市建设影响等特点。
现有的计量自动化系统基本上只是监控总的出线电流，无法对低压出线电流进行监控，因此无法有效地了解变压器负荷的分布情况及三相不平衡情况，常常出现总出线并没有超负荷，而某个低压出线超负荷的情况。
本系统可对配电房内每个低压出线电流进行实时监控，计算出变压器负载是否均衡，并计算出电流不平衡率，若出线电流不平衡现象，可及时进行调整，使配电变压器运行更加经济。此外本系统具有低压失电自动报警功能，低压出线失电时，可在客户端软件报警，同时在地理信息系统中显示出报警电房的地理位置，通知相干人员及时前往现场处理。
2基于物联网技术的智能配电系统
基于物联网技术的智能配电系统采用三层分布式架构，大致分为三个子系统：服务器群、无线监控终端、客户端软件。其整体框架图如下图1所示。
图1本系统整体框架
2.1通信平台的架构
通信平台实现各模块之间的信息通信与交互，其中主要有无线监控终端与通信平台之间的通信、客户端软件与通信平台之间的通信。其结构如图2所示。
图2通信系统框图
通信平台要实现各子系统和终端之间的有效通信，在本系统中，主要通信模式有如下几种：
（1）RS-485通信：RS-485通信主要应用配电房内，用于无线监控终端与传感设备之间的数据通信。
（2）无线通信：无线监控终端通过GPRS拨号接入无线网络，通过APN接入专网，与通信服务器建立TCP连接。
（3）局域网网内通信：在服务器群系统中，服务器都在局域网网内，服务器之间通过局域网进行通信，通过防火墙与外网进行有效的隔离。
（4）客户端软件通过公网与服务器通信：服务器群通过防火墙与外网进行有效的隔离，只开放几个指定的端口，并且通过有效的身份认证才允许客户端软件接入。
2.2服务器群
服务器群由主服务器、GIS服务器、通信服务器、负载均衡服务器、数据库服务器组成。
通信服务器是一个TCPServer，监听指定端口，接受无线监控终端的连接，并在主服务器与无线监控终端之间进行数据转发，为了应对大规模的无线监控终端，通信服务器根据系统规模可有一台或多台。
由于无线监控终端面广量大，本系统采用了负载均衡服务器对通信服务器的负载进行均衡，当无线监控终端上线并发起一个连接请求时，负载均衡服务器为监控终端分配一个空闲的通信服务器。
主服务器通过通信服务器与无线监控终端进行实时通信，维护无线监控终端的在线状态、进行定时/实时数据采集、处理、分析。GIS服务器采用HTTP协议为客户端提供0..19共20级的电子地图与卫星影像数据。
数据库服务器MicrosoftSQLServer2008数据库系统，储存全部配电变压器的实时数据，配电房的温度、湿度、门磁报警记录等，为客户端软件提供准确有效的数据。服务器均采用WindowsServer2012操作系统。
为了实现高效的下载和浏览地图，本文在客户端引擎实现了多线程并行下载技术，浏览效率高于GoogleMaps3-4倍。
在GoogleMapsAPI切片数据的基础上，建立自有的地图引擎，实现针对电力信息化的地理信息系统引擎，为将来统一平台，融合其他应用数据提供了基础平台。
在上述此基础上，本文采用计算机图形学的技术，为GIS引擎丰富了许多显示功能和人机交互功能。如图3所示为配电房低压供电线路显示，图4为卫星影像显示模式。
图3 配电房及低压供电线路显示
图4 卫星影像显示模式
2.3客户端软件
客户端软件运行于Windows（x32/x64）操作系统，通过系统主服务器与无线监控终端实时通信、实现对无线监控终端的实时采集、控制；从数据库中读取历史数据实现配电变压器参数、配电房环境参数的数据分析、报表设计等功能。其具体功能如下：
（1）配电房资料管理。以线路结构、电子地图、卫星影像图为基础，对配电房进行管理，建立所管辖的配电房（地理位置、经纬度）、配电变压器名称、配变所属线路、配变地理位置、配变型号、参数等档案资料。系统用户管理：防止未授权用户非法进入系统，设置管理用户帐号、密码和操作权限等。
图5 实时数据查询示意图
图6 数据查询功能示意图
图7 10KV配变实时数据汇总表
（2）数据采集功能。采用定时巡检、实时采集的方式采集配电变压器、配电房环境参数的实时数据和历史数据，并可对系统定时巡检时间间隔进行配置。如图5所示为实时数据查询示意图。
（3）数据库查询功能。可以查询任意时段配电变压器的历史数据、事件记录、告警记录；配电房温湿度等。提供方便的数据维护接口，在权限范围内提供数据接口，为负荷预测、线损分析和DSM系统提供准确的数据源。如图6所示为数据库查询功能示意图。
系统能对配电房实时/历史数据进行分析，根据需求(如：月、年最大负荷、负载率满足一定条件)筛选满足条件的电房数据。如图7与图8分别为10KV与0.4KV的配变实时数据汇总表。同时，如图9所示，电子地图会以红色高亮形式显示超载线路。
图8 0.4KV出现实时数据汇总表
图9 地图红色高亮显示超载线路
（4）统计分析功能。系统提供数据统计、分析功能，为用户提供准确实用的统计数据，为配变科学管理提供关键的数据。
（5）报表和曲线处理功能。系统可以针对某一台区、配变线路或某配变自动生成日报表、月报表、年度报表等汇总报表及。日报表统计一天24小时定时存储的运行参数，累计停电时间、过压、过流报警，无功补偿投切控制等情况；报表可直接进行预览、打印。自动生成趋势曲线，直观的反映出各配变的运行趋势。
（6）实时视频监控功能。选择需要监控的配电房，即可实时观看配电房内的视频，并可通过操作云台、电子变焦等方式对摄像头进行控制。
（7）分屏显示功能。为支持电子地图、卫星影像图、电房数据、无线视频同步显示/操作。经过预试验，本文采用具有两个以上PCI-Express插槽的Intel主板+PCI-E显卡×2，再利用2个DVI-VGA转接头实现了一台主机分四屏显示。并通过编程实现了多显示器编程。可使客户端软件支持自动识别数量及编号，并合理安排显示窗口位置。
2.4无线监控终端
2.4.1设计前端传感器及传感网
本文通过开发传感器对配电房的监控参数进行实时采集。（变压器工作环境参数包括：门禁、水浸、变压器温度、室内温度、室内湿度；变压器工作状态参数包括：频率，A相电压，B相电压，C相电压，A相电流，B相电流，C相电流，AB相电压，BC相电压，CA相电压，平均相电压，平均线电压，平均相电流，零序电流，A相有功功率，B相有功功率，C相有功功率，总有功功率，A相无功功率，B相无功功率，C相无功功率，总无功功率，A相视在功率，B相视在功率，C相视在功率，总视在功率，A相功率因数，B相功率因数，C相功率因数，总功率因数，有功电能，无功电能）,利用嵌入式技术，对传感器进行组网，建立前端传感网,覆盖全部配电站。
2.4.2无线监控终端硬件设备及相应的嵌入式软件
无线监控终端安装在配电房内，由数据采集模块和无线数据传输模块组成。无线数据传输模块通过无线（2/3/4G）APN专网或公网连接到指定的通信服务器上，数据采集模块对配电变压器的运行参数、配电房环境参数进行实时采集，根据配电房内的温度、湿度对通风设备进行实时控制，并通过无线数传模块和通信服务器进行实时TCP通信。
无线监控终端产品的壳体采用导轨安装模式；电源接入为DC12V，配有端口输入输出；主板采用STM32系列MCU，有配置用串口、RS485通讯接口、附有GPRS－DTU通讯模块、SHT10温湿度采集、K型热电偶设备温度采集、RTC时间、短距离无线遥控报警解除。
无线监控终端采用嵌入式系统，设计其系统框图、原理图、电路图、编制嵌入式软件，实现终端的以下功能：
（1）通过无线数传模块接入无线网络（2/3/4G）APN专网或公网，连接到指定的通信服务器上。
（2）通过传感器对配变进行实时监控，实时采集配电变压器正常运行状态下的电压、电流、有功、无功、视在功率、功率因数、有功电度、无功电度、频率以及零序电流等反应系统不平衡程度的电气量，可以及时掌握配变的运行情况，防止配变负荷严重超载导致设备的烧毁、三相负载严重不平衡导致配变的加速损坏，配变长期轻负荷运行导致的不经济运行状态和大量感性负载运行导致的功率因数过低、高线损等；监控终端可对配电房的温/湿度，变压器温度，进行实时监测，并根据温/湿度状况对通风设备进行控制；通过门禁传感器对配电房安全进行实时监控，有效地防止无关人员非法进入；通过地水、烟雾传感器对配电房环境安全进行实时监控。
（3）终端提供4个开关量输入，用于接入门磁开关信号、地水检测、红外检测信号等，采用光电隔离，5－12V信号输入；4个开关量输出，主要用于控制外部用电设备的开断（如风机等），采用继电器输出。IO口的输入与输出状态由不同颜色指示灯显示。监控终端可以根据采集到的配电房温度、湿度，变压器温度，依据设定的规则对配电房内的通风设备进行控制。
（4）外部温湿度采集采用K型热电偶传感器，可用延长线延长至变压器，对变压器温度进行测量。采用环境温湿度传感器对电房温湿度进行测量。
（5）遥控开关采用短距离无线编码遥控开关，用于解除门磁报警。
前端设备结构图如图10所示：
图10监控终端及采集装置结构图
3结束语
本文提出的基于物联网技术的智能配电系统使得监控配电房不再需要工作人员到达现场记录线路负荷等情况，大力节省了人才成本；同时对三相不平衡问题进行预控，及时调节三相供电的负荷率，达到降低线损的目的，节约了用电费用，提高能源利用率，达到节约资源，降低污染，绿色环保目的；利用先进的自动化和信息手段，实现供电设备的实时监控，能够及时掌握设备的运行状态，及时发现隐患和问题，防患于未然，减少因设备故障导致的停电，最大限度地保障供电可靠性，为社会经济发展，居民生活提供高质量的电能供应；通过实时运行数据和地理信息系统的直观展示，实现故障的快速定位，对抢修资源的快速调度，降低故障的抢修时间，实现快速故障复电，保障正常的电力供应。
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论文作者:邓锦培
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/9/2
标签：配电房论文; 终端论文; 服务器论文; 通信论文; 实时论文; 变压器论文; 电网论文; 《基层建设》2019年第11期论文;