基于云平臺和.NET Framework的智能變電站環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

李蘭蘭，劉 青，葛 輝

智能電網(wǎng)已成為未來電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，我國2009年提出建立具有統(tǒng)一性、堅強(qiáng)網(wǎng)架和智能化的高度融合的智能電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)[1]，智能變電站作為智能電網(wǎng)的重要組成部分[2]，變電站節(jié)點的安全、可靠、穩(wěn)定運行是電網(wǎng)正常運行的前提，本系統(tǒng)對變電站監(jiān)控室和室外設(shè)備工作環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，完成系統(tǒng)硬件傳感層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層架構(gòu)設(shè)計，完成云平臺B/S和C/S混合結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集、存儲和下發(fā)到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程登錄云平臺均可查看相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)和控制相應(yīng)執(zhí)行器件。同時，遠(yuǎn)程PC上完成了基于.NET Framework的C/S結(jié)構(gòu)軟件設(shè)計。管理員既可以不受設(shè)備限制通過瀏覽器進(jìn)行查看變電站環(huán)境，也可以在PC機(jī)上進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，減少人工現(xiàn)場巡檢成本，為保障變電站安全穩(wěn)定運行奠定了基礎(chǔ)[3]。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)以NLE-PE9000物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)為核心，內(nèi)部包含S3C2451嵌入式ARM處理器，內(nèi)置Zigbee協(xié)調(diào)器、Wifi模塊、語音模塊，具有CAN總線、RS485、RJ45以太網(wǎng)接口，可組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)和有線傳感網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)內(nèi)置Zigbee協(xié)調(diào)器，與搭載溫濕度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、可燃?xì)怏w等Zigbee節(jié)點、Zigbee四模擬量采集器[4]組網(wǎng)成無線傳感網(wǎng)；人體紅外感應(yīng)、繼電器等數(shù)字量傳感器和執(zhí)行器數(shù)據(jù)連入數(shù)字量I/O模塊ADAM4150[5]，數(shù)字量采集模塊具有7通道輸入及8通道輸出，搭載開源Modbus協(xié)議，通過兩線制485總線連接到網(wǎng)關(guān)，組成有線傳感網(wǎng)絡(luò)。無論有線傳感網(wǎng)絡(luò)還是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)都通過網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)上傳到Internet物聯(lián)網(wǎng)云平臺上，用戶可采用瀏覽器、PC端軟件訪問遠(yuǎn)程云平臺上的數(shù)據(jù)，也可在云平臺上發(fā)送指令控制現(xiàn)場的執(zhí)行器件。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 云平臺網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

本系統(tǒng)由硬件設(shè)備域、網(wǎng)關(guān)域、云平臺域和應(yīng)用域四個部分組成，設(shè)備域中各種傳感器、執(zhí)行器等數(shù)據(jù)通過RS323、RS485、有線、WIFI等方式把數(shù)據(jù)上傳下載到智能網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)除了負(fù)責(zé)與云平臺的通信，對采集到的原始數(shù)據(jù)也可進(jìn)行相應(yīng)處理，執(zhí)行一定的邏輯策略；網(wǎng)關(guān)把多種協(xié)議采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)控制指令，數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫，再通過云平臺進(jìn)行在線瀏覽訪問，PC端根據(jù)云平臺的API進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和控制，系統(tǒng)開發(fā)運行架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)運行架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

智能變電站常用三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，設(shè)備分為過程層、間隔層、站控層，過程層包括一次設(shè)備的集合，間隔層包括測控裝置等二次設(shè)備集合，站控層包括監(jiān)控系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)等，兩網(wǎng)為站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)[6]。智能變電站一次二次設(shè)備一般處于室外，站控層本地系統(tǒng)存放在控制室，因此對變電站室內(nèi)和室外環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。

電氣設(shè)備對環(huán)境的溫濕度有一定的要求，為了保證變電站電氣設(shè)備的穩(wěn)定高效運行，需要實時掌握電器設(shè)備運行環(huán)境溫濕度情況，當(dāng)環(huán)境溫濕度不利于電器設(shè)備運行時，及時打開風(fēng)扇調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫濕度[7]。變電站若處于沿?；蛘叽箫L(fēng)災(zāi)害地區(qū)，變電站現(xiàn)場室外布設(shè)風(fēng)力傳感器、空氣質(zhì)量傳感器等。

室外環(huán)境通過Zigbee四模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，溫度、濕度、風(fēng)速、大氣壓力、空氣質(zhì)量等傳感器數(shù)據(jù)，如果風(fēng)力過大等給出相應(yīng)的紅色、橙色、黃色預(yù)警，也可增加其他傳感器節(jié)點與網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)；室內(nèi)布設(shè)煙霧、火焰、溫度、濕度等傳感器監(jiān)測設(shè)備運行環(huán)境，發(fā)現(xiàn)溫度過高開啟通風(fēng)風(fēng)扇，探測到有火花等發(fā)出警報；為了安防需要加入人體紅外探測器和紅外對射，無人情況下有人入侵進(jìn)行安防報警。后續(xù)會增加室內(nèi)外設(shè)置多節(jié)點攝像頭，實時瀏覽和控制攝像頭，定時抓拍圖像存儲，實現(xiàn)環(huán)境遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 Zigbee數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)

Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用TI公司的CC2530處理器搭載Z-stack協(xié)議，智能網(wǎng)關(guān)中內(nèi)置的Zigbee模塊作為協(xié)調(diào)器，接收Zigbee節(jié)點和Zigbee四模擬量數(shù)據(jù)，多節(jié)點組網(wǎng)需要把各模塊的PanID和Channel設(shè)置一致，Zigbee組網(wǎng)流程如圖所示3所示。

圖3 Zigbee網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)流程

本系統(tǒng)以TI發(fā)布的SensorDemo樣例為藍(lán)本，進(jìn)行Zigbee自組網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集，DemoSensor作為傳感器節(jié)點，DemoCollector作為協(xié)調(diào)器[8]。傳感器節(jié)點與協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)連接后，每隔2s在zb_HandleOsalEvent中實現(xiàn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，其主要代碼如下：

void zb_HandleOsalEvent( uint16 event )

{ //發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)事件

if ( event & MY_REPORT_EVT ) //0x0002

{ if (isGateWay) //網(wǎng)關(guān)

{

osal_start_timerEx( sapi_TaskID, MY_REPORT_EVT, myReportPeriod );

}

else if (appState == APP_BINDED) //應(yīng)用層狀態(tài)：綁定

{ //獲取并發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)

sendSensorReport();

//啟動定時器，用來觸發(fā)MY_REPORT_EVT事件

osal_start_timerEx( sapi_TaskID, MY_REPORT_EVT, myReportPeriod );

}

}

}

終端節(jié)點在APP_BINDED綁定狀態(tài)下調(diào)用sendSensorReport()獲取傳感器的數(shù)據(jù)，以溫濕度數(shù)據(jù)采集為例，調(diào)用call_sht11(&sensor_tem,&sensor_val)函數(shù)后，調(diào)用zb_SendDataRequest( 0xFFFE, DUMMY_REPORT_CMD_ID , strlen(pTxData), pTxData, 0, txOptions, 0 )函數(shù)把數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器接收到傳感器節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)后進(jìn)行SAPI_ProcessEvent( byte task_id, UINT16 events )事件處理，最終在zb_FindDeviceConfirm( uint8 searchType, uint8 *searchKey, uint8 *result )函數(shù)中完成數(shù)據(jù)接收功能。

3.2 云平臺數(shù)據(jù)實現(xiàn)

傳感層數(shù)據(jù)采集最終存儲到云平臺，并在云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，云平臺選用支持PC、Android、IOS等多平臺的新大陸物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺，云平臺基于HTTP協(xié)議的Get或Put方法，從服務(wù)器獲取一些設(shè)置及狀態(tài)，向服務(wù)器推送采集到的數(shù)據(jù)?？煽焖俦憬莸膭?chuàng)建和管理云平臺應(yīng)用，為每一條上傳的數(shù)據(jù)建立安全可靠的云存儲，并提供了賬戶管理、策略管理、傳感器和設(shè)備相關(guān)API說明文檔，提供相關(guān)的監(jiān)測和調(diào)試工具，具備在線采集、遠(yuǎn)程控制、無線傳輸、數(shù)據(jù)處理、預(yù)警信息發(fā)布、決策支持、一體化控制等功能于一體。

登錄新大陸云平臺注冊后，首先新建網(wǎng)關(guān)，添加傳感器、添加執(zhí)行器，創(chuàng)建項目，選擇相應(yīng)網(wǎng)關(guān)，圖4以創(chuàng)建的GateWay016網(wǎng)關(guān)所連接的Modbus和Zigbee傳感器、執(zhí)行器為例，展示了網(wǎng)關(guān)和傳感器、執(zhí)行器創(chuàng)建信息。用戶及管理人員通過手機(jī)、平板、計算機(jī)等信息終端，實時掌握傳感設(shè)備信息，及時獲取報警、預(yù)警信息，并可以手動/自動的調(diào)整控制設(shè)備，同時查看傳感器數(shù)據(jù)曲線等。圖5為數(shù)據(jù)控制策略舉例，溫度高于閾值，則開啟執(zhí)行器風(fēng)扇通風(fēng)。

圖4 網(wǎng)關(guān)和傳感器、執(zhí)行器創(chuàng)建信息

圖5 數(shù)據(jù)控制策略舉例

3.3 PC端監(jiān)控軟件實現(xiàn)

遠(yuǎn)程PC端基于.NET Framework的三層架構(gòu)[9](如圖6所示)模式進(jìn)行開發(fā)，用戶接口層UI(User Interface)，使用IFrame、服務(wù)器控件、Web頁及CSS樣式表等來控制和實現(xiàn)，服務(wù)器控件實現(xiàn)模板的公共功能，用戶控件實現(xiàn)通用的構(gòu)件；業(yè)務(wù)邏輯層BLL(Business Logic Layer)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)層的操作，對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)庫訪問層DAL(Data Access Layer)提供數(shù)據(jù)存儲及查詢功能，一般對數(shù)據(jù)庫的操作在這里完成；Model業(yè)務(wù)實體(Entity)作為數(shù)據(jù)容器在層間傳遞的實體存放信息。圖6中Model存放屬性信息，Common為工程的公共屬性和公共方法，Database為項目數(shù)據(jù)庫，DAL為數(shù)據(jù)庫語句，BLL為業(yè)務(wù)邏輯方法，UI直接與BLL完成事件驅(qū)動。

圖6 .NET三層架構(gòu)

PC端系統(tǒng)在.NET Framework4.5框架下Visual studio 2012中建立WPF項目，引入外部兩個動態(tài)鏈接庫CommonLibrary.dll和DigitalLibrary.dll，使用線程來持續(xù)實時接收傳感器數(shù)據(jù)，有線傳感網(wǎng)絡(luò)使用ADAM4150接收火焰、紅外、煙霧等傳感器數(shù)據(jù)，并檢測到非法入侵等發(fā)送報警信息，后續(xù)Android移動終端部分待完成，可接收PC端發(fā)送的警情信息。

4 系統(tǒng)運行結(jié)果分析

本系統(tǒng)Zigbee傳感器數(shù)據(jù)上傳到云平臺上測試結(jié)果如圖7所示，網(wǎng)關(guān)設(shè)置10秒上傳一次數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)有網(wǎng)絡(luò)延遲，對數(shù)據(jù)實時性要求很嚴(yán)格的變電站而言，誤差較大。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不變的情況下，對Zigbee通道號進(jìn)行反復(fù)實驗，可選通道中間值時干擾較小，基本實現(xiàn)實時監(jiān)控，圖7下圖為改進(jìn)后的溫濕度監(jiān)控曲線。通過ADAM4150獲取的數(shù)字量傳感器數(shù)值，在Modbus協(xié)議下能夠快速采集和執(zhí)行指令，3分鐘內(nèi)數(shù)據(jù)顯示曲線如圖8所示。

圖7 Zigbee溫度上(濕度)傳數(shù)據(jù)記錄

圖8 數(shù)字量傳感器數(shù)據(jù)記錄

PC端監(jiān)控系統(tǒng)室內(nèi)外監(jiān)控部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖9所示。當(dāng)室內(nèi)溫度、濕度數(shù)值大于閾值，則自動開啟風(fēng)扇，有火焰、煙霧等出現(xiàn)警情，向客戶端推送報警信息，在客戶端可以手動遠(yuǎn)程控制執(zhí)行器。

圖9 PC端監(jiān)控系統(tǒng)

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于云平臺和.NET Framework的變電站室內(nèi)、室外環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，對云平臺的運行框架和.NET框架三層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和應(yīng)用，完成了感知層數(shù)據(jù)采集匯總到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)上傳到云平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，使用Get或Put方法從服務(wù)器獲取一些設(shè)置及狀態(tài)，向服務(wù)器推送采集到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)置好的業(yè)務(wù)邏輯策略，向設(shè)備域執(zhí)行器發(fā)送控制指令。本系統(tǒng)為智能變電站安全穩(wěn)定運行奠定了基礎(chǔ)，與以往環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)相比優(yōu)勢如下：

(1)使用Internet云平臺，不占用電網(wǎng)專用網(wǎng)，本系統(tǒng)不影響電網(wǎng)設(shè)備正常工作，一旦電網(wǎng)故障也能夠及時監(jiān)控到環(huán)境變化。

(2)系統(tǒng)采用C/S和B/S混合架構(gòu)形式，通過監(jiān)控室PC機(jī)遠(yuǎn)程查看變電站的運行環(huán)境情況，也不受時間和空間的限制，使用Web終端隨時隨地登陸系統(tǒng)，大大減少巡檢員現(xiàn)場巡檢的工作量。

(3)Zibee無線傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)使用干擾較小的中間段通道改進(jìn)數(shù)據(jù)實時性問題。

5.2 討論

本系統(tǒng)初步建立具備基本功能和框架實驗?zāi)Ｐ?，但仍然存在有待完善和改進(jìn)的問題：

(1)云平臺使用HTTP協(xié)議，當(dāng)數(shù)據(jù)量增大，實時性要求較高時，應(yīng)使用Socket TCP/UDP通信，降低傳輸代價。當(dāng)使用耗時較為嚴(yán)重、占用資源較多的功能，需要實現(xiàn)異步調(diào)用，采用事件驅(qū)動模型和事件注冊機(jī)制來發(fā)揮異步多線程服務(wù)的優(yōu)點，云平臺采用C/S和B/S混合架構(gòu)模式，對象層與控制層之間沒有依賴關(guān)系，采用松耦合的代碼組織實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)并發(fā)，充分發(fā)揮云平臺優(yōu)勢[9]。

(2)可增加移動終端報警功能和多點攝像頭監(jiān)控功能。若云平臺接收到數(shù)據(jù)判定發(fā)生警情，巡檢員不在現(xiàn)場或者監(jiān)控室時，能夠把報警消息推送到巡檢員和管理員的手機(jī)上，在手機(jī)等移動終端上監(jiān)控變電站環(huán)境情況，實現(xiàn)多平臺互動提升了系統(tǒng)的運行效率，降低了現(xiàn)場巡檢成本。

(3)Zigbee數(shù)據(jù)采集的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控區(qū)域多個節(jié)點，Zigbee網(wǎng)絡(luò)中星型拓?fù)浜蜆湫屯負(fù)浣Y(jié)構(gòu)常用于近距離的通信，遠(yuǎn)距離通信常用Mech網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，“多級跳”通信方式網(wǎng)絡(luò)變得復(fù)雜，為了減少信道傳輸數(shù)據(jù)時的干擾，針對智能變電站中的傳感器固定情況而言，各個節(jié)點遵守IEEE802.15.4 MAC協(xié)議接入信道，采用馬爾可夫模型構(gòu)建節(jié)點同時啟動產(chǎn)生爭用信道問題，使用退避間隙算法改進(jìn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸，增加信道數(shù)量，減少傳輸沖突。[10]