基于NB-IoT的電力變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)

蘇盼 劉文烽 吳建支 胡紫東

【摘 要】文章提出了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)的變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)鞲衅鲗?shí)時(shí)采集的變壓器運(yùn)行中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過蜂窩窄帶物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)由透傳云平臺送給數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺。通過數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)發(fā)送警告，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測功能。系統(tǒng)可查詢歷史數(shù)據(jù)，顯示分析數(shù)據(jù)圖表并支持打印。

【關(guān)鍵詞】窄帶物聯(lián)網(wǎng);透傳云;數(shù)據(jù)處理;遠(yuǎn)程監(jiān)測

【中圖分類號】TM41 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）05-0041-04

0 引言

智能電網(wǎng)是電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，電力設(shè)備的智能化是智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)。變壓器作為電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備[1]，其技術(shù)性能直接影響電網(wǎng)的智能化程度。變壓器在長期運(yùn)行過程中難免出現(xiàn)故障和老化，需要進(jìn)行定期維護(hù)和故障維護(hù)。故障存在突發(fā)性，無法預(yù)測，非故障期間的定期維護(hù)又消耗了不必要的人力、物力，為避免這類問題，在國家加快電網(wǎng)智能化發(fā)展的背景下，電網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)智能化經(jīng)過幾年時(shí)間的研究發(fā)展已成功實(shí)現(xiàn)，目前國內(nèi)變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)已能夠?qū)崿F(xiàn)對變壓器油中氣體含量、局部放電、油的溫度、濕度及變壓器損耗的監(jiān)測評估。設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)在“中國制造2025”中的典型應(yīng)用，主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備GPS、運(yùn)行狀態(tài)全面感知、故障診斷與遠(yuǎn)程控制等數(shù)據(jù)智能上傳并記錄，方便用戶查看與管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息可追溯和幫助用戶實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期一站式管理。

智能化變壓器能夠在線監(jiān)測其工作狀態(tài)和診斷故障，且隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測變壓器實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，由不同類型的傳感器采集相應(yīng)的變壓器運(yùn)行參數(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)傳送至軟件平臺實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。目前，人們廣泛采用傳感器結(jié)合Zigbee[3]、GSM、GPRS[1，4]、LoRa等物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)[5]來傳送數(shù)據(jù)，這與傳統(tǒng)的由人工巡檢讀表相比提高了設(shè)備和系統(tǒng)的智能化程度，是順應(yīng)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展和市場需求的體現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)種類繁多，按傳輸距離可分為短距離通信技術(shù)和低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN），短距離通信技術(shù)適用于智能家居，低功耗廣域網(wǎng)適用于遠(yuǎn)距離且長久使用的場合，如智能抄表系統(tǒng)。而LPWAN技術(shù)可按工作頻段分為兩類：一類工作在非授權(quán)頻段[6]，無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，靠自定義實(shí)現(xiàn)，例如LoRa、SigFox等;另一類工作在授權(quán)頻段下，由3GPP支持的2G/3G/4G蜂窩通信技術(shù)，例如全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GPRS）、長期演進(jìn)（LTE）、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）。根據(jù)實(shí)際情況的不同選擇不同的通信技術(shù)，電力變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)其遠(yuǎn)距離傳輸和低功耗的需求采用低功率、覆蓋范圍廣的低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)。

目前，低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)在抄表、路燈、消防等民生相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用驗(yàn)證了在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的選擇上NB-IoT的優(yōu)勢：一方面，它是由國際通信標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。自2016年底標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)以來，在全球運(yùn)營商、通信巨頭和眾多物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐者的共同推動(dòng)下，細(xì)分場景下的標(biāo)準(zhǔn)化工作不斷完善，使得NB-IoT在滿足功耗和容量的同時(shí)，更兼顧了可靠性。另一方面，它部署在授權(quán)頻段[6]之上，由全球運(yùn)營商提供網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)定性高、數(shù)據(jù)傳輸安全有保障。包括國內(nèi)三大運(yùn)營商在內(nèi)，全球運(yùn)營商積極投入NB-IoT的建設(shè)布局，到2018年，全球已有28家運(yùn)營商宣布NB-IoT網(wǎng)絡(luò)商用。這對于企業(yè)而言，避免了網(wǎng)絡(luò)部署難、運(yùn)維重等成本問題。

基于以上方面，本文提出了基于NB-IoT的電力變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和闡述。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)對變壓器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)測等功能，根據(jù)以上功能需求采用如下方案。

1.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

電力變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳送終端和透傳云平臺及數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺等部分構(gòu)成，可概括為感知層、傳輸層和運(yùn)用層。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是能夠完成變壓器數(shù)據(jù)的采集，通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)送至監(jiān)測平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，生成可供查詢的記錄和報(bào)表，并支持?jǐn)?shù)據(jù)表打印，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)立刻發(fā)送警告。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)工作原理

在整個(gè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集變壓器的電壓、電流、溫度等相關(guān)運(yùn)行參數(shù)和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并按照通信協(xié)議將數(shù)據(jù)封裝后發(fā)送至數(shù)據(jù)收發(fā)終端，隨后云平臺的數(shù)據(jù)接收中心通過透傳云接收數(shù)據(jù)再送至監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)庫，而數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)又可通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至移動(dòng)終端或顯示終端。系統(tǒng)工作示意圖如圖2所示。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的硬件部分包括數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)收發(fā)終端兩個(gè)部分。其中，數(shù)據(jù)采集模塊用于對變壓器需要監(jiān)測的電壓、電流、溫度、功率等運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，并將經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)按通信協(xié)議封裝，通過RS485總線傳送給數(shù)據(jù)傳送終端。

根據(jù)功能需求，數(shù)據(jù)采集模塊由不同類型的傳感器和嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，以32位嵌入式微處理器為核心，外圍搭載時(shí)鐘和電源電路、傳感器模塊、信號處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、獨(dú)立存儲(chǔ)模塊、顯示模塊、按鍵模塊和RS485通信模塊，通信協(xié)議采用MODBUS。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，受變壓器工作環(huán)境影響，采集的參量存在諧波和干擾，因此通常采用帶有濾波功能的采集算法，由于算法種類多樣，根據(jù)不同的需求運(yùn)用在不同場合。傅里葉算法在信號處理中有著廣泛的應(yīng)用，離散化的傅里葉算法可利用計(jì)算機(jī)快速算出，又稱為快速傅里葉變換（FFT），其衍生算法有全波傅里葉算法、半波傅里葉算法和遞推傅里葉算法等。全波傅里葉算法濾波能力強(qiáng)，但計(jì)算量大且對于衰減直流分量存在濾波缺陷，故在此基礎(chǔ)上衍生了半波傅里葉算法，能夠在半個(gè)周期內(nèi)計(jì)算出奇次諧波分量，但存在不能濾除偶次諧波分量導(dǎo)致的誤差。遞推傅里葉算法在全波傅里葉基礎(chǔ)上遞推出各次諧波的實(shí)部和虛部的表達(dá)式，減少了計(jì)算量的同時(shí)繼承了全波傅里葉算法的優(yōu)點(diǎn)，但在遞推過程中仍存在誤差累積，可采用一種改進(jìn)遞推傅里葉算法[6]。

采集參量的電信號離散化數(shù)學(xué)模型可表示如下：

式（8）中，Y'a為k-1個(gè)Ak的累加和，是一個(gè)中間量，Y'b同理。當(dāng)經(jīng)過一個(gè)基波周期，該式左端即等于式（3）右端。在計(jì)算時(shí)，可通過該式在每次執(zhí)行采樣中斷時(shí)每隔一個(gè)基波周期就更新一次Ya（k-1）和Yb（k-1）來計(jì)算Ya（k）和Yb（k）。具體流程如圖4所示。

數(shù)據(jù)傳送終端采用NB-IoT DTU，這是一種使用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線長距離數(shù)據(jù)透傳的外置式終端，能夠通過配置內(nèi)部腳本向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送相關(guān)指令，可遠(yuǎn)程配置內(nèi)部參數(shù)，其內(nèi)置32位微處理器、無線模塊、看門狗等模塊和支持多種協(xié)議的通信芯片，以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件支撐，具有多種接口且體積較小，支持串口與NB-IoT網(wǎng)絡(luò)雙向透明傳輸。NB-IoT采用簡化的協(xié)議，大幅度提升了終端的待機(jī)時(shí)間，滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)對監(jiān)測設(shè)備低功耗的要求的同時(shí)，其強(qiáng)大的覆蓋能力能夠滿足廠區(qū)、地下車庫和井蓋等場合對深度覆蓋的需求，而這些條件無線局域網(wǎng)（WLAN）無法滿足。此外，與LoRa相比，NB-IoT的射頻和天線在現(xiàn)有基礎(chǔ)上復(fù)用，不需新建網(wǎng)絡(luò)，低速率、低功耗、低帶寬使得終端模塊成本較低，且采集的數(shù)據(jù)無需通過網(wǎng)關(guān)，可直接上傳到云端，簡化了現(xiàn)場部署。綜合以上因素，NB-IoT DTU具有長期的經(jīng)濟(jì)適用性。

3 軟件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包含云透傳平臺和數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺。其中，云透傳平臺與NB-IoT DTU設(shè)備配套使用，可在此基礎(chǔ)上對云平臺進(jìn)行二次開發(fā)。數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺通過建立數(shù)據(jù)庫對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

3.1 透傳云平臺

云透傳是使數(shù)據(jù)在DTU和云端之間進(jìn)行透明傳輸，不改變?nèi)魏谓Y(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)，終端設(shè)備作為通道承載數(shù)據(jù)送至云端接收數(shù)據(jù)中心，整個(gè)過程對外透明。透傳云平臺通過建立虛擬串口與DTU和NB-IoT DTU建立通信，同時(shí)具備相關(guān)管理和配置功能，平臺可登錄多臺DTU。打開虛擬串口這條通道即可接收從數(shù)據(jù)采集模塊傳來的數(shù)據(jù)。

對云平臺進(jìn)行二次開發(fā)可利用SDK和API完成。API（Application Programming Interface）即應(yīng)用程序編程接口，是用于構(gòu)建應(yīng)用程序軟件的一組子程序定義、協(xié)議和工具，是一套明確定義的各種軟件組件之間的通信方法。SDK（Software Development Kit）即軟件開發(fā)工具包，SDK編程通過直接調(diào)用API函數(shù)進(jìn)行編程。對透傳云平臺進(jìn)行二次開發(fā)時(shí)，通過RXTXcomm開發(fā)組件編寫程序讀取云端虛擬串口收到的信息再保存到數(shù)據(jù)庫的方法，利用Java開發(fā)平臺編程。軟件流程圖如圖5所示。

通過濾波獲得的諧波信息可用于計(jì)算分析變壓器的附加損耗，對延長變壓器的使用壽命有很大作用。諧波的測量可結(jié)合優(yōu)缺點(diǎn)互異的算法進(jìn)行互補(bǔ)，以減小誤差。

3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺

數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺的設(shè)計(jì)可采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S）多層架構(gòu)，示意圖如圖6所示?？芍С钟脩舢惖貫g覽和信息采集，支持歷史數(shù)據(jù)查詢、圖表分析和發(fā)送警告等功能。數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺由數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)器和網(wǎng)頁查詢系統(tǒng)構(gòu)成。其中，數(shù)據(jù)庫用于存放和更新各類數(shù)據(jù)，Web服務(wù)器用于管理網(wǎng)頁組件和回應(yīng)瀏覽器請求的程序，網(wǎng)頁查詢系統(tǒng)用于查看數(shù)據(jù)和圖表。

3.2.1 Web數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫可通過Microsoft SQL Server建立，它是由Microsoft開發(fā)和推廣的關(guān)系數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，支持Web技術(shù)，用戶能夠?qū)?shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)發(fā)布到Web頁面上，具有管理方便、編程接口豐富、多線程體系結(jié)構(gòu)、并發(fā)控制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)庫是表的集合，結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)就存儲(chǔ)在各種表中。表由表示記錄的行和表示字段或?qū)傩缘牧袠?gòu)成。數(shù)據(jù)庫內(nèi)容包括系統(tǒng)菜單和各參數(shù)數(shù)據(jù)表、用戶信息、服務(wù)器串口表和系統(tǒng)串口管理表等。系統(tǒng)菜單結(jié)構(gòu)包括菜單ID、菜單名、上級菜單ID、上級菜單名、點(diǎn)擊菜單跳轉(zhuǎn)頁面地址。采集的參數(shù)數(shù)據(jù)表中內(nèi)容包括變壓器電壓、電流、油溫、繞組熱點(diǎn)溫度、油壓、鐵芯接地電流等，每個(gè)參數(shù)需要顯示數(shù)據(jù)和當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。用戶信息包括用戶名、用戶登錄賬戶、登錄密碼、用戶身份、管理權(quán)限、賬號狀態(tài)等內(nèi)容。

數(shù)據(jù)庫通過SQL（Structured Query Language），即結(jié)構(gòu)式查詢語言對數(shù)據(jù)進(jìn)行組織、管理和檢索，可對數(shù)據(jù)庫內(nèi)容進(jìn)行查詢、添加、刪除數(shù)據(jù)行、修改數(shù)據(jù)等操作。

3.2.2 Web服務(wù)器

Web服務(wù)器是可以向請求方提供服務(wù)的程序。作為網(wǎng)站用戶和數(shù)據(jù)庫之間的橋梁，它和前端頁面、APP直接通信，接收請求并返回結(jié)果，和前端組成用戶邏輯。服務(wù)器使用超文本傳輸協(xié)議（HTTP）進(jìn)行信息交流，其工作流程可概括為4個(gè)步驟：①建立連接。請求方通過TCP/IP協(xié)議建立到服務(wù)器的傳輸層協(xié)議連接。②發(fā)送請求。請求方向服務(wù)器發(fā)送HTTP協(xié)議請求包，請求服務(wù)器里的資源文檔。③應(yīng)答請求。服務(wù)器向請求方發(fā)送應(yīng)答包，如果請求的資源包含有動(dòng)態(tài)語言的解釋引擎負(fù)責(zé)處理動(dòng)態(tài)內(nèi)容，并將處理得到的數(shù)據(jù)返回給請求方，由請求方解釋HTML文檔，在屏幕上渲染圖形效果。④斷開連接。請求方與服務(wù)器斷開。

服務(wù)器可采用Tomcat，它是一個(gè)免費(fèi)的開放源代碼的Web應(yīng)用軟件容器，能夠運(yùn)行Servlet和JSP Web應(yīng)用軟件，普遍應(yīng)用于中小型系統(tǒng)和訪問用戶不是很多的場合，具有處理HTML頁面的功能，且運(yùn)行時(shí)占用的系統(tǒng)資源小，擴(kuò)展性好，能夠滿足系統(tǒng)的功能要求。用戶在訪問網(wǎng)頁時(shí)，首先瀏覽器會(huì)先請求DNS服務(wù)器，獲得請求站點(diǎn)的IP地址，然后生成一個(gè)HTTP請求發(fā)送給Web服務(wù)器，服務(wù)器收到請求后會(huì)根據(jù)請求需要進(jìn)行處理，并將網(wǎng)頁以HTML文件格式返回給瀏覽器，由瀏覽器顯示到界面供用戶查看。服務(wù)器工作流程如圖7所示。

3.2.3 網(wǎng)頁查詢系統(tǒng)

網(wǎng)頁查詢系統(tǒng)通過用戶登錄后進(jìn)行相關(guān)查詢操作，用戶通過瀏覽器端的操作界面以交互的方式經(jīng)由Web服務(wù)器訪問數(shù)據(jù)庫，用戶向數(shù)據(jù)庫提交的信息和數(shù)據(jù)庫返回給用戶的信息均以網(wǎng)頁形式顯示。

查詢系統(tǒng)頁面的制作通過網(wǎng)頁編輯器來完成，常用的軟件有Dreamweaver、Fireworks等，網(wǎng)頁頁面的設(shè)計(jì)通過軟件將構(gòu)思的藍(lán)圖變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。JSP網(wǎng)頁程序由軟件編輯完成后，經(jīng)過JKD編譯后在Tomcat服務(wù)器下運(yùn)行。采用JavaScript編程語言可與HTML超文本標(biāo)記語言、Java腳本語言搭配使用，實(shí)現(xiàn)一個(gè)Web頁面中連接多個(gè)對象，與Web客戶交互作用。

4 總結(jié)

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案通過物聯(lián)網(wǎng)將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺連接在一起，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測變壓器運(yùn)行狀況，用戶只需會(huì)使用瀏覽器即可輕松操作，且系統(tǒng)支持列表查詢、報(bào)表生成、圖形繪制等功能。以一臺額定輸出220 V電壓的小型變壓器為實(shí)驗(yàn)對象，每隔10 min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，與儀表實(shí)測數(shù)據(jù)對比見表1，生成的電壓電流折線圖如圖8所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明該系統(tǒng)能提高辦公效率，極大方便變壓器維護(hù)人員對現(xiàn)場情況的及時(shí)了解。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]Rahman S，Dey S K，Bhawmick B K，et al.Design and implementation of real time transformer health monitoring system using GSM technology[C].International Conference on Electrical IEEE，2017.

[2]王禎璋，王奇平.基于無線遠(yuǎn)程通信技術(shù)的變壓器狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力與能源，2017（12）.

[3]劉新輝，林東敏.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能變壓器監(jiān)測系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2013（6）.

[4]耿永剛.遠(yuǎn)程變壓器監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012（10）.

[5]周超.基于物聯(lián)網(wǎng)的變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)[J].現(xiàn)代機(jī)械，2018（2）.

[6]飛白.NB-IoT戰(zhàn)LoRa一場勝負(fù)已定的斗爭[J].通信世界，2018（26）.

[7]劉益青，高偉聰，孫天德.適用于數(shù)字化保護(hù)的改進(jìn)遞推傅里葉算法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016（5）.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]