新型预装式变电站环境监测系统
2017第十二届中国电工装备创新与发展论坛
会议由中国电工技术学会主办，定于2017年8月19-21日在北京铁道大厦召开，本届大会主题为“电网技术创新与电能新业态”。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
南瑞集团公司（国网电力科学研究院）、上海置信电气股份有限公司的研究人员汪昀、丁永生、李自清，在2017年第5期《电气技术》杂志上撰文，针对预装式变电站内部环境监测的困难，将物联网与云计算相结合，设计了预装式变电站环境监测系统。
系统由物联网终端、云计算服务器和客户端构成。其中物联网终端由感知器和网关组成。感知器通过传感器进行环境数据采集，并通过ZigBee协议与网关连接。网关将感知器的数据进行整合处理，再通过第三代移动通信网络发送到服务器。服务器基于云计算平台，对数据进行存储和分析，并检测异常状况。用户可以通过客户端软件查看变电站环境数据、接收异常推送和管理设备。
该系统能够实现预装式变电站内部环境的快速监测，及时通知巡检人员，具有很强的扩展能力。
预装式变电站具有安装周期短、占地面积小、建造成本低、便于维护等特点，在电网建设改造工程中得到广泛应用。预装式变电站由于结构紧凑封闭，存在着温升、凝露等造成故障的问题。而且点多面广，常规的巡检很难及时发现故障，因此，实时的箱体内部环境监测非常重要。
现有的预装式变电站环境监测装置，或者通过有线进行传输，远方监控不方便；或者采用通用分组无线业务（General PacketRadio Service，GPRS）进行无线数据传输，通信速度较慢[1-2]。文献[3]设计了一种基于无线传感器网络（Wireless SensorNetwork, WSN）的监测系统，但只能将数据发送到监控主机，并不能第一时间将现场信息反馈巡检人员。
物联网集成了多种感知、通信与计算技术，不仅使人与人之的交流变得更加便捷，而且使人与物、物与物之间的交流变成可能，最终将使人类社会、信息空间和物理世界融为一体[4-5]。以功能角度抽象建立的物联网体系结构分为“后端集中式”与“前端分布式”两种类型。
“前端分布式”体系结构是指物联网中的大部分信息处理任务和用户服务请求是由前端感知设备或网关设备完成，对前端设备的性能要求较高；“后端集中式”体系结构是指物联网中的大部分信息处理任务和用户服务请求是由后端信息服务器或服务支撑平台完成的，要求服务器具有海量信息的计算与处理能力。
云计算是分布式计算、互联网技术、大规模资源管理等技术的融合与发展，是能够提供动态资源池、海量数据存储和处理、高可用性的下一代计算平台 [6-9]。云计算非常适合作为“后端集中式”物联网架构的服务支撑平台。
为了实现预装式变电站内部环境的实时监测，本文设计了将物联网与云计算相结合的预装式变电站环境监测系统，能够实现环境参数及时准确测量、云端分析计算和客户端管理及可视化查看。该系统易于部署，并具有很强的可扩展性。
1 总体架构
预装式变电站环境监测系统总体架构如图1所示。在预装式变电站内放置感知器，感知器将传感器采集到的数据进行预处理后通过ZigBee网络发送到网关，网关再将数据整合后通过3G移动通信网络发送到云计算服务器。云计算服务器对数据进行存储和分析，并通过移动客户端进行管理和实时的信息展示。
图1 预装式变电站环境监测系统示意图
2 物联网终端设计
物联网终端包含网关和感知器，网关与感知器之间采用ZigBee星形连接，网关通过3G通信网络发送监测数据到服务器。ZigBee是由ZigBee联盟所主导的一种短距离、低功耗、低速率、低成本的无线技术标准，定义了网络层、安全层、应用层等，物理层和MAC层则采用IEEE 802.15.4标准，可以在工业科学医疗（IndustrialScientific Medical, ISM）频带工作，支持高级加密标准算法（Advanced EncryptionStandard，AES），安全性好[10]。
3G即第三代移动通信系统，是基于宽带CDMA技术，覆盖范围广，传输速度快。相对于第二代移动通信，能够更好的支持无线因特网接入和无线多媒体业务。
2.1 感知器设计
感知器为ZigBee规范中的终端设备，主要由传感器、处理器和无线收发器等模块组成，如图2所示[11]。为实现长时间持续运行，尽量采用低功耗器件。传感器选择SHTC1温湿度传感器和NIS-09C离子型烟雾传感器，精度高而且功耗非常低，适用于电池供电的条件。
处理器选择超低功耗的MSP430F2618，内置了ADC、I2C、硬件乘法器、通用串行通信等丰富的接口。无线收发采用TI的CC2520，CC2520是用于2.4G ISM频段的ZigBee/ IEEE802.15.4无线收发器，具有帧处理、数据缓存、数据加密等功能。
感知器的电源采用低自放镍氢电池，性价比高、寿命长。SHTC1与处理器通过I2C 接口连接，而NIS-09C数据则由AD采样得到。处理器与无线收发器之间需要连接SPI、GPIO等引脚。
2.2 网关设计
网关为ZigBee规范中的协调器，主要由ZigBee片上系统和3G模块等组成，如图3所示。ZigBee片上系统采用CC2538，CC2538是一款针对高性能 ZigBee 应用的理想片上系统。该器件包含基于ARM Cortex-M3的强大的MCU系统，具有高达 32KB 的片上 RAM、高达 512KB 的片上闪存、可靠的 IEEE 802.15.4 射频功能以及AES-128/256等硬件加密引擎，并具有USB、SPI、UART等接口。
3G模块采用中兴MC8630模块，具有语音、短信、数据业务和GPS等功能，可以为用户提供经济型高速互联网接入和无线数据等业务。网关电源可由交流低压侧降压整流得到。
图2 感知器结构示意图
图3 网关结构示意图
2.3 物联网终端工作流程
物联网终端ZigBee软件采用TI开源的Z-Stack，经过ZigBee联盟认证，并支持多种平台，包括高性能的CC2538以及MSP430+CC2520。
终端工作流程如图4所示。网关上电后进行设备初始化，然后作为协调器建立ZigBee网络等待设备接入。感知器上电后进行设备初始化，然后作为终端设备搜寻网络并加入。网关和感知器建立连接后进行同步以保证定时唤醒的准确性。
感知器由定时器进行唤醒并采集数据，网关监视到设备唤醒后向设备请求数据，再将监测数据打包发送到服务器。网关通过安全超文本传输协议（Secure HypertextTransfer Protocol，HTTPS）将数据发送到服务器，且进行数字签名校验，保证了传输的安全性。
图4 物联网终端工作流程
3 云计算服务器设计
根据美国国家标准与技术研究院的定义，云计算主要分为三种服务模式：基础架构即服务（Infrastructureas a Service，IaaS），提供硬件基础设施部署服务，为用户按需提供实体或虚拟的计算、存储和网络等资源；平台即服务（Platform as aService，PaaS），是云计算应用程序运行环境，提供应用程序部署与管理服务，应用程序开发者只需上传程序代码和数据即可使用服务；软件即服务（Software as aService，SaaS），是在云计算基础平台上运行的应用程序，应用可以通过多种客户端进行访问，可实现应用程序的泛在访问[12]。
本文采用PaaS云计算服务器作为物联网后端，不需要维护任何服务器，直接编写代码，就可以调用各种服务接口。相较于IaaS，PaaS开发环境更加完善，可以自动弹性调整资源，管理和使用更加方便。
对于预装式变电站环境监测来说，主要调用PaaS的以下服务接口：关系型数据库服务（RelationalDatabase Service，RDS），用于存储变电站信息、监测节点信息、监测数据日志、用户信息等；简单缓存服务（Simple CacheService，SCS），用于缓解后端存储服务的压力，对数据进行缓存；消息推送服务（Simple Notification Service，SNS），用于及时向用户推送通知。
云计算服务器结构示意图如图5所示。云端应用程序，通过Web服务接口接收物联网终端监测的环境数据，并对监测节点、监测数据进行管理和分析；通过Web服务接口与客户端交互，进行用户信息管理，向用户发送数据，并及时推送温湿度越限、烟雾浓度越限等监测数据异常情况；通过PaaS平台的接口，使用数据库、缓存和推送等服务。
图5 云计算服务器结构示意图
考虑到环境监测的变化和测量频率较低，云端越限告警判断采用无死区、有延时的模型，如图6所示。分为下下限、下限、正常、上限、上上限五个区，如果当前测量值处于越限范围之内且满足延时条件，则生成越限报警；当测量值由异常状态重新进入到正常状态时，则越限恢复。
图6 越限告警模型
4 客户端软件设计
4.1 软件模块设计
为便于运维人员对预装变电站环境参数进行监测，设计了客户端软件，实现信息管理和通知接收。软件结构如图7所示，主要包括以下模块：账户管理，实现用户账户的注册，登陆，权限管理等等；变电站/监测设备信息管理，实现预装式变电站和监测节点信息管理、越限定值配置等；监测状态显示，实现变电站环境监测数据的实时查看；监测日志查询，实现监测历史数据查询；通知监听处理，实现服务器推送通知的接收和处理。