程智余
(国网安徽省电力有限公司，安徽 合肥 230061)
随着配电网规模的不断扩大，变电站的数量急剧增加。为了合理配置人力资源并提高工作效率，采用集中监控的无人值守智能变电站迅速发展[1]。然而，智能变电站的安全问题日渐凸显[2]。因此，智能变电站及辅助控制系统的状态监测至关重要。
随着智能技术的快速发展，智能巡检机器人[3]已逐渐取代人工检测，极大地减少了人力资源并提升了检测效率。巡检机器人检测的路线和时间相对固定，检测内容及相应的控制功能相对独立，且无法与相关辅助控制系统相结合，使得巡检机器人无法实现对变电站完整的监控功能[4]。目前，智能变电站辅助系统可分为视频监控系统[5]、机器人巡检系统[6]、常规辅助控制系统[7]、安全周界系统[8]等。但各系统仅实现了数据采集、设备监控、辅助检测等基本功能。由于各系统的应用场景相对独立，数据共享、信息交互、智能决策和智能链接等高级应用仍有改进空间。因此，需要结合物联网(IoT)技术综合智能变电站智能的各应用系统，通过采集海量大数据实现更高级的应用和数据分析功能[9]。
本文构建了智能变电站辅助系统安全运行和安全运行管理的IoT智能变电站辅助系统。与测控网络平台上的相关设备或系统相结合，实现安全消防监控、环境监控、电力监控及运行辅助、维护辅助、运行状态监控、预警等系统联动控制，使用ESP-8266模块、NodeMCU和传感器系统开发并测试了原型系统，结合虚拟现实(VR)技术将监控管理信息展现给用户，提高了智能变电站信息化水平，为配电网安全运行提供决策技术支持。
IoT作为智能传感网络，利用智能传感设备对多个目标实时收集数据信息，并通过互联网将各种应用程序进行组合并相互通信[10]。数据传输到指定的信息处理中心进行处理，实现人与物、物与物的信息交互。
IoT的目标功能有9种，分为3组[11]：特征、关系和接口。特征集由分配、功能和目标本身组成；
关系集指目标与用户界面之间的关系；
接口集指目标与网络中的其他目标交互。
(1)IoT中的目标特征集。①处理，目标中的计算处理能力，能够使其响应IoT请求及其应用；
②寻址，在IoT中通过路由在网络中定位找到目标的能力；
③标识，每个目标的标识使其在IoT网络中确保唯一性；
④位置，与目标所在的物理位置相关的属性以及其在地图上的位置。
(2)IoT中的关系集。①通信，目标在IoT中接收或向其他目标发送消息的能力；
②合作，目标与IoT其他目标共同行动的协作行动；
③传感，目标从环境或其他目标捕获数据的能力；
④性能，目标对环境引发作操作和修改给定环境条件的能力。
(3)IoT中的接口集。交互，允许用户查看目标信息，并对目标条件进行设置和修改。
本文选取消息队列遥测传输(MQTT)和受限应用程序协议(CoAP)作为传输协议。
2.1 MQTT协议
MQTT协议[12]是基于发布/订阅体系结构的消息传递协议，适用于受限设备和不安全网络，具有低带宽和高延迟。MQTT协议的特征如下：①使用TCP/IP方式进行连接；
②具有较小的传输开销和最小化的协议交换，从而减少网络流量；
③当客户端异常断开网络连接时，具有通知数据中心的机制。MQTT协议遵循客户端/服务器模式。传感器设备是使用TCP连接到服务器的客户端，将要传输的消息发布到类似于文件系统中目录结构的地址。
2.2 CoAP协议
CoAP协议[13]可为有限网络中互联设备上的应用程序提供框架，由于IoT是RAM节点少和丢包率高的网络，CoAP协议可解决IoT中的优先节点且传输受限。CoA协议定义了4种类型的消息：可确认、不可确认、确认和重置。①可确认(CON)，即需要对目标确认的消息，当不存在数据包丢失时，该类型的每条消息导致确认或重置类型的消息；
②不可确认(NON)，即不需要确认接收的消息；
③确认(N)，即确认收到可确认消息的消息；
④重置，即接收到CON或NON消息，但由于缺乏任何上下文，无法正确处理该消息。
本文将IoT技术应用于智能变电站辅助系统中，利用IoT的特点构建智能变电站辅助系统。该系统集成了各种IoT应用，如视频监控、在线监控、安全周界、火灾监控、环境监控、红外成像、巡检机器人等，实现了各种IoT应用之间的信息纵向集成、横向数据渗透以及高度集成的服务，灵活实现业务应用之间的信息共享和数据集成。采用大数据分析、智能算法、图像识别等技术，实现设备仪表的自动抄表、断路器、隔离开关合闸状态的自动识别、异常报警的智能分析、检测任务的自动开发，在变电站辅助系统的开发中，采用MQTT协议和CoAP协议实现数据的远程传输和访问。
智能变电站辅助系统的IoT采用分层分布式结构设计，将系统分为四层组成：感知层、网络层、应用层和平台层。传感器、执行器、RFID标签和其他智能终端从感知层连接到IoT；
网络层负责目标和操作员之间的通信；
应用层可提供丰富的应用程序；
平台层用于云计算和VR监控展示。智能变电站辅助系统的IoT总体结构，如图1所示。
图1 智能变电站辅助系统的IoT总体结构Fig.1 IoT overall structure of intelligent substation auxiliary system
底层子系统采用独立组网和独立计算。感知层系统由后端系统和主动传感设备组成。其中，后端系统包括智能锁控制、在线检测、安全预防措施和照明控制；
主动传感设备包括检测机器人、环境检测和视频检测。
网络层系统通过MQTT协议和CoAP协议传输数据。其中，IoT系统中的消防、安防和灯光控制等传统变电站辅助设备通过MQTT协议通过智能接口设备与IoT系统进行通信。视频监控设备、检测机器人和环境检测通过CoAP协议传输。应用层系统具有平台开放共享的辅助系统决策、计算云边缘协作远程控制、数据驱动服务状态诊断和应用点播定制安全控制等终端普适性技术特征。平台层采用中心计算与边缘计算相结合的方式，提高了数据处理效率，降低了系统中心服务器的负载。各子系统和传感装置完成前端各种数据的采集、计算和分析等处理，实现数据的边缘化。系统后台中心服务器完成变电站虚拟现实大数据的集成、分析和处理，并在中心实现数据分析。
4.1 系统硬件
本文设计的硬件由3个部分组成，如图2所示。本文创建VR用于智能变电站的监视和控制。本文设计的VR监控系统框架，如图3所示。其中，NodeMCU基于eLua 开源Lua脚本语言编程的IoT平台[14]。AWS CLOUD MQTT平台为不同场景的硬件提供了点对点模式、广播模式和扇入模式3种MQTT模式[15]。
图2 硬件配置Fig.2 Hardware configuration
图3 系统框架Fig.3 System framework
(1)ESP-8266 WiFi模块。ESP-8266模块是带有集成WiFi的微控制器，可通过软件开发工具包(SDK)使用Arduino IDE进行编程。使用的Arduino版本为1.8.2。集成WiFi可通过传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)发送和接收数据。本文使用ESP-8266模块的Wemos D1迷你版，其中的Wi-Fi模块用于虚拟环境和真实环境中的目标(如传感器和交换机)之间的通信。
(2)ACS712电流传感器。ACS712电流传感器使用ACS712电流传感器对变压器进行精确的电流测量，利用霍尔效应检测模块输出(引脚输出)处产生的电流。
(3)HC-SR501运动传感器。HC-SR501运动传感器使用热释电(PIR)传感器的模块，能够检测变电站各装置发出红外光的变化。HC-SR501运动传感器用于监测变压器附近是否存在异物。
4.2 系统软件
在变电站的三维场景中监控中，本文通过收集温度、湿度、视频、变压器壳体变形等各种传感器数据，同时联动设备周边摄像头、灯光进行视频图像采集，接收其他系统的设备运行状态信息，并在巡检完成后生成巡检报告。自动监控系统流程如图4所示。
图4 自动监控系统流程Fig.4 Automatic monitoring system flow
传统的变电站数据处理是基于集中式核心节点的网络云计算模式。然而，云计算存在实时采集和分析变电站大量巡检设备数据的问题。为了防止集中式节点成为潜在的风险点，本文采用边缘计算模式，利用边缘节点获取网络边缘的传感节点。数据的快速响应不仅提高了系统的响应速度，而且降低了系统传输的要求。本文在IoT环境中的利用边缘计算架构处理数据，如图5所示。
图5 IoT环境中的边缘计算架构Fig.5 Edge computing architecture in the IoT environment
Cloud MQTT是云中的MOSQUITO服务器。MOSQUITO实现了MQ遥测传输协议MQTT，该协议提供了使用发布/订阅消息队列模型执行消息传递的轻量级方法。消息队列提供了消息的发送方和接收方不需要同时与消息队列交互的异步通信协议。存储在队列上的消息将被存储，直到接收方检索到消息或消息超时为止。MQTT和MOSQUITO服务器适合带宽传输的应用程序使用。CloudMQTT只专注于应用程序，而不用额外的时间进行扩展代理或修补平台。CloudMQTT发布/订阅消息示图，如图6所示。
图6 CloudMQTT发布/订阅消息示图Fig.6 CloudMQTT Publish/subscribe message diagram
4.3 虚拟现实
本文开发基于IoT的智能变电站辅助系统监控，使用游戏引擎Unity 3D开发小型变电站辅助系统VR，如图7所示。
图7 小型变电站辅助系统VRFig.7 VR diagram of auxiliary system of small substation
当用户指定VR中具体目标时，通过VR技术监控有关变压器耗能以及断路开关状态的信息。用户选择关闭状态和打开状态的智能变电站辅助系统VR如图8所示。
图8 选择关闭、打开状态的VRFig.8 VR in off state and open state
本文设计了一种基于IoT技术的变电站监控应用原型。全面感知和分析变电站电力设备的状态，增加数据之间的相互验证，减少误报，提高电力设备状态感知的准确性。通过MQTT协议和CoAP协议传输数据，结合ESP-8266 Wi-Fi模块提高了信息交换速度并降低带宽消耗。利用ACS712电流传感器和HC-SR501运动传感器检测变电站各装置的实时状态，通过VR技术将监控管理信息展现给用户。将IoT技术应用于变电站辅助系统，实现了变电站运行管理的智能化和信息化。该方法能够保证变电站管理运行的稳定性，提高了配电网的运行效率，为配电网的安全运行奠定基础。
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