基于物联网技术的开关柜气体在线监测系统研究

伍任能，徐兆丹，罗传胜

(南宁供电局，广西 南宁 530000)

1 当前检测技术的现状

现有的开关柜气体检测技术都是在开关柜的通风处或者柜体引入气体导管，通过导管将开关柜内的气体导出，再利用传感器或其他仪器对导出的气体进行不同的检测[1-2]。其缺点在于，通过导管所测量的故障气体与实际有较大偏差，不能得到开关柜内实时的气体浓度，不能判断其内部是否处于故障阶段，也不利于对气体浓度趋势进行研判[3]。

2 基于物联网技术的开关柜气体在线监测整体设计方案

本文运用物联网技术对开关柜内部气体进行实时监测装置，利用传感器对开关柜内的不同类型的气体的浓度进行实时监测。在开关柜内的顶部中央、底部中央以及柜内四周的中央进行实时测量，将测得的物理数据通过传感器节点变成电信号，再将电信号通过MCU控制器进行编译，利用ZigBee节点技术进行传播，数据汇总到各个监控子站，也就是每个独立的开关柜，各个监控子站将数据向上一级的监测网关传输，汇聚到监测网关统一打包，通过监测网关把数据传播到系统后台进行保存，监测人员通过PC或者手机端的软件就可以对所监测的历史数据以及实时数据进行控制查看,如图1所示。

图1 在线检测系统整体设计框架

3 在线监测整体设计方案各模块功能简介

3.1 传感器节点

由于开关柜空间有限，同时需要进行传感器节点的安装，故电源选择纽扣锂电池，方便对其进行安装供电。为了实现对气体浓度的在线监测，无线传感器网络的MAC协议就显得十分重要，选取T-MAC协议可以将时间分为帧，帧长度固定，工作时间设置为每5分钟记录一次，周期性地对开关柜内的故障气体浓度进行监测[4]，如图2所示。

图2 传感器节点

3.2 监控子站

监测子站由主板和子板构成，主板采用微处理器(MCU)，由Flash存储器+SDRAM两个存储器共同构成存储模块，同时包含串口及接口(SPI)，如图3所示。

图3 监测子站构成

3.3 无线传感器网络架构设计

无线传感器网络架构中的监控中心负责对骨干网络和子网进行监测，满足小范围网络内的标量数据传输，可进行远距离传输需求，并且具有较高的带宽[5]，如图4所示。

图4 无线传感器网络构架

3.4 检测流程设计

系统在初始化完成后开始采集待测柜体信息。采集的信号根据修正系数校准后，经过放大滤波、内部A/D转换后，将数字信号传输到微处理器，经分析处理后在屏幕上显示气体浓度数值，如果气体浓度度数超过设定阈值，同时提示预警信息，并在操作界面显示气体组分信息，可在操作系统或者按键输入模块中调整相关参数，方便装置后续检测，系统的检测流程如图5所示。

图5 信号检测流程

3.5 装置上位机软件设计

装置上位机软件主要包括登录界面、参数设置界面、数据显示界面、预警界面、历史数据查询界面。单次检测时，首先由登录界面转至主要操作界面，初始化阈值参数后，在可视化界面处显示检测信息，与设定阈值对比，如果超过设定阈值则转至预警界面，提示柜体需要人工维护，如果示数在阈值区间内装置正常运行，软件界面如图6所示。

图6 装置软件界面

4 检测方式

(1)选择几处待安装无线传感器节点的开关柜，将CO型、NO型传感器分布于开关柜内的顶部中央、底部中央以及四周内壁的中央。

(2)每个开关柜为一个监控子站，通过监控子站的通信模块与该监控子站内的传感器节点进行通信上的连接，选择T-MAC协议为无线传感器网络的MAC协议，选择定向扩散DD协议为无线传感器网络的路由协议。

(3)将各个监控子站的汇聚节点通过以太网接入监测网关，并通过监测网关对数据进行打包，向监控中心进行传输，监控中心通过云端网络将数据发送至PC端或者手机端。

(4)监控人员打开上位机软件界面后，首先会弹出登录界面，在输入账号密码后会显示4块区域，分别是参数设置界面、数据显示界面、预警界面、历史数据查询界面。

(5)在开关柜工作前，点击参数设置方面，将系统数据全部初始化，显示初始的各种气体浓度。

(6)在正常状态下，监控人员点击数据显示页面的气体浓度采集的暂停按钮，将会停止采集，采集的数据将会以时间来命名，存储到固定文件夹。点击退出按钮也会停止采集并存储数据，退回到系统初始界面。

(7)气体浓度故障诊断功能，即系统对监测数据进行逻辑判断，如果浓度超过提前设置好的阈值，系统将记录下报警时间、故障气体类型、故障气体浓度，自动弹出警戒界面，显示哪一类气体的浓度超标，同时向监控人员发出警报，提醒该开关柜内存在异常现象。

5 系统安装测试

开关柜气体在线监测系统在220 kV变电站，35 kV电压等级的KYN28型开关柜上进行了现场安装及测试。经测试，该产品数据读取及无线数据传输功能均可正常运行，数据传输及数据读取抗干扰能力强，可适应变电站强电磁环境。同时，其设计遵循国家标准，所有部件均为快拆件，可快速模块化更换，具有响应速度快、抗干扰能力强、可靠性高、易于维护等优点。

6 结语

本文提出了基于物联网技术的无线传感器网络传输的气体检测方法，试制了开关柜气体在线监测系统1套，并在南宁供电局下属220 kV变电站进行了试用。经测试，设备数据分析检测及数据上传功能均可正常运行，无需通过任何柜体打孔、柜内引线等操作来检测气体浓度，突破了开关柜的气体浓度只能利用气体导出的检测方式。