李兰兰，刘 青，葛 辉

智能电网已成为未来电力系统的发展趋势，我国2009年提出建立具有统一性、坚强网架和智能化的高度融合的智能电网的发展目标[1]，智能变电站作为智能电网的重要组成部分[2]，变电站节点的安全、可靠、稳定运行是电网正常运行的前提，本系统对变电站监控室和室外设备工作环境进行监控，完成系统硬件传感层、网络层、应用层架构设计，完成云平台B/S和C/S混合结构的数据采集、存储和下发到物联网网关，现场网关和远程登录云平台均可查看相关传感器数据和控制相应执行器件。同时，远程PC上完成了基于.NET Framework的C/S结构软件设计。管理员既可以不受设备限制通过浏览器进行查看变电站环境，也可以在PC机上进行远程监控，减少人工现场巡检成本，为保障变电站安全稳定运行奠定了基础[3]。

1 系统总体架构设计

本系统以NLE-PE9000物联网数据采集网关为核心，内部包含S3C2451嵌入式ARM处理器，内置Zigbee协调器、Wifi模块、语音模块，具有CAN总线、RS485、RJ45以太网接口，可组建无线传感网络和有线传感网络，网关内置Zigbee协调器，与搭载温湿度传感器、火焰传感器、可燃气体等Zigbee节点、Zigbee四模拟量采集器[4]组网成无线传感网；人体红外感应、继电器等数字量传感器和执行器数据连入数字量I/O模块ADAM4150[5]，数字量采集模块具有7通道输入及8通道输出，搭载开源Modbus协议，通过两线制485总线连接到网关，组成有线传感网络。无论有线传感网络还是无线传感网络的数据都通过网关把数据上传到Internet物联网云平台上，用户可采用浏览器、PC端软件访问远程云平台上的数据，也可在云平台上发送指令控制现场的执行器件。系统网络拓扑图如图1所示。

图1 云平台网络拓扑图

本系统由硬件设备域、网关域、云平台域和应用域四个部分组成，设备域中各种传感器、执行器等数据通过RS323、RS485、有线、WIFI等方式把数据上传下载到智能网关，网关除了负责与云平台的通信，对采集到的原始数据也可进行相应处理，执行一定的逻辑策略；网关把多种协议采集到的数据进行解析、传输和转发控制指令，数据存储到数据库，再通过云平台进行在线浏览访问，PC端根据云平台的API进行数据的采集和控制，系统开发运行架构图如图2所示。

图2 系统开发运行架构图

2 系统功能设计

智能变电站常用三层两网结构，设备分为过程层、间隔层、站控层，过程层包括一次设备的集合，间隔层包括测控装置等二次设备集合，站控层包括监控系统、辅助控制系统等，两网为站控层网络和过程层网络[6]。智能变电站一次二次设备一般处于室外，站控层本地系统存放在控制室，因此对变电站室内和室外环境进行监控。

电气设备对环境的温湿度有一定的要求，为了保证变电站电气设备的稳定高效运行，需要实时掌握电器设备运行环境温湿度情况，当环境温湿度不利于电器设备运行时，及时打开风扇调节室内的温湿度[7]。变电站若处于沿海或者大风灾害地区，变电站现场室外布设风力传感器、空气质量传感器等。

室外环境通过Zigbee四模拟量进行数据采集，温度、湿度、风速、大气压力、空气质量等传感器数据，如果风力过大等给出相应的红色、橙色、黄色预警，也可增加其他传感器节点与网关组网；室内布设烟雾、火焰、温度、湿度等传感器监测设备运行环境，发现温度过高开启通风风扇，探测到有火花等发出警报；为了安防需要加入人体红外探测器和红外对射，无人情况下有人入侵进行安防报警。后续会增加室内外设置多节点摄像头，实时浏览和控制摄像头，定时抓拍图像存储，实现环境远程可视化监控。

3 系统软件设计

3.1 Zigbee数据采集实现

Zigbee无线传感网络采用TI公司的CC2530处理器搭载Z-stack协议，智能网关中内置的Zigbee模块作为协调器，接收Zigbee节点和Zigbee四模拟量数据，多节点组网需要把各模块的PanID和Channel设置一致，Zigbee组网流程如图所示3所示。

图3 Zigbee网关组网流程

本系统以TI发布的SensorDemo样例为蓝本，进行Zigbee自组网和数据采集，DemoSensor作为传感器节点，DemoCollector作为协调器[8]。传感器节点与协调器建立网络连接后，每隔2s在zb_HandleOsalEvent中实现向协调器发送数据，其主要代码如下：

void zb_HandleOsalEvent( uint16 event )

{ //发送传感器数据事件

if ( event & MY_REPORT_EVT ) //0x0002

{ if (isGateWay) //网关

{

osal_start_timerEx( sapi_TaskID, MY_REPORT_EVT, myReportPeriod );

}

else if (appState == APP_BINDED) //应用层状态：绑定

{ //获取并发送传感器数据

sendSensorReport();

//启动定时器，用来触发MY_REPORT_EVT事件

osal_start_timerEx( sapi_TaskID, MY_REPORT_EVT, myReportPeriod );

}

}

}

终端节点在APP_BINDED绑定状态下调用sendSensorReport()获取传感器的数据，以温湿度数据采集为例，调用call_sht11(&sensor_tem,&sensor_val)函数后，调用zb_SendDataRequest( 0xFFFE, DUMMY_REPORT_CMD_ID , strlen(pTxData), pTxData, 0, txOptions, 0 )函数把数据发送到协调器。协调器接收到传感器节点上传的数据后进行SAPI_ProcessEvent( byte task_id, UINT16 events )事件处理，最终在zb_FindDeviceConfirm( uint8 searchType, uint8 *searchKey, uint8 *result )函数中完成数据接收功能。

3.2 云平台数据实现

传感层数据采集最终存储到云平台，并在云平台进行数据分析和处理，云平台选用支持PC、Android、IOS等多平台的新大陆物联网云服务平台，云平台基于HTTP协议的Get或Put方法，从服务器获取一些设置及状态，向服务器推送采集到的数据。可快速便捷的创建和管理云平台应用，为每一条上传的数据建立安全可靠的云存储，并提供了账户管理、策略管理、传感器和设备相关API说明文档，提供相关的监测和调试工具，具备在线采集、远程控制、无线传输、数据处理、预警信息发布、决策支持、一体化控制等功能于一体。

登录新大陆云平台注册后，首先新建网关，添加传感器、添加执行器，创建项目，选择相应网关，图4以创建的GateWay016网关所连接的Modbus和Zigbee传感器、执行器为例，展示了网关和传感器、执行器创建信息。用户及管理人员通过手机、平板、计算机等信息终端，实时掌握传感设备信息，及时获取报警、预警信息，并可以手动/自动的调整控制设备，同时查看传感器数据曲线等。图5为数据控制策略举例，温度高于阈值，则开启执行器风扇通风。

图4 网关和传感器、执行器创建信息

图5 数据控制策略举例

3.3 PC端监控软件实现

远程PC端基于.NET Framework的三层架构[9](如图6所示)模式进行开发，用户接口层UI(User Interface)，使用IFrame、服务器控件、Web页及CSS样式表等来控制和实现，服务器控件实现模板的公共功能，用户控件实现通用的构件；业务逻辑层BLL(Business Logic Layer)负责数据层的操作，对数据业务逻辑进行处理；数据库访问层DAL(Data Access Layer)提供数据存储及查询功能，一般对数据库的操作在这里完成；Model业务实体(Entity)作为数据容器在层间传递的实体存放信息。图6中Model存放属性信息，Common为工程的公共属性和公共方法，Database为项目数据库，DAL为数据库语句，BLL为业务逻辑方法，UI直接与BLL完成事件驱动。

图6 .NET三层架构

PC端系统在.NET Framework4.5框架下Visual studio 2012中建立WPF项目，引入外部两个动态链接库CommonLibrary.dll和DigitalLibrary.dll，使用线程来持续实时接收传感器数据，有线传感网络使用ADAM4150接收火焰、红外、烟雾等传感器数据，并检测到非法入侵等发送报警信息，后续Android移动终端部分待完成，可接收PC端发送的警情信息。

4 系统运行结果分析

本系统Zigbee传感器数据上传到云平台上测试结果如图7所示，网关设置10秒上传一次数据，部分数据有网络延迟，对数据实时性要求很严格的变电站而言，误差较大。当前网络环境不变的情况下，对Zigbee通道号进行反复实验，可选通道中间值时干扰较小，基本实现实时监控，图7下图为改进后的温湿度监控曲线。通过ADAM4150获取的数字量传感器数值，在Modbus协议下能够快速采集和执行指令，3分钟内数据显示曲线如图8所示。

图7 Zigbee温度上(湿度)传数据记录

图8 数字量传感器数据记录

PC端监控系统室内外监控部分数据如图9所示。当室内温度、湿度数值大于阈值，则自动开启风扇，有火焰、烟雾等出现警情，向客户端推送报警信息，在客户端可以手动远程控制执行器。

图9 PC端监控系统

5 结论与讨论

5.1 结论

本文设计了一种基于云平台和.NET Framework的变电站室内、室外环境监控系统，对云平台的运行框架和.NET框架三层结构进行分析和应用，完成了感知层数据采集汇总到网关，网关把数据上传到云平台，进行数据存储，使用Get或Put方法从服务器获取一些设置及状态，向服务器推送采集到的数据，并根据设置好的业务逻辑策略，向设备域执行器发送控制指令。本系统为智能变电站安全稳定运行奠定了基础，与以往环境监控系统相比优势如下：

(1)使用Internet云平台，不占用电网专用网，本系统不影响电网设备正常工作，一旦电网故障也能够及时监控到环境变化。

(2)系统采用C/S和B/S混合架构形式，通过监控室PC机远程查看变电站的运行环境情况，也不受时间和空间的限制，使用Web终端随时随地登陆系统，大大减少巡检员现场巡检的工作量。

(3)Zibee无线传感网络组网使用干扰较小的中间段通道改进数据实时性问题。

5.2 讨论

本系统初步建立具备基本功能和框架实验模型，但仍然存在有待完善和改进的问题：

(1)云平台使用HTTP协议，当数据量增大，实时性要求较高时，应使用Socket TCP/UDP通信，降低传输代价。当使用耗时较为严重、占用资源较多的功能，需要实现异步调用，采用事件驱动模型和事件注册机制来发挥异步多线程服务的优点，云平台采用C/S和B/S混合架构模式，对象层与控制层之间没有依赖关系，采用松耦合的代码组织实现大规模数据并发，充分发挥云平台优势[9]。

(2)可增加移动终端报警功能和多点摄像头监控功能。若云平台接收到数据判定发生警情，巡检员不在现场或者监控室时，能够把报警消息推送到巡检员和管理员的手机上，在手机等移动终端上监控变电站环境情况，实现多平台互动提升了系统的运行效率，降低了现场巡检成本。

(3)Zigbee数据采集的无线传感网络监控区域多个节点，Zigbee网络中星型拓扑和树型拓扑结构常用于近距离的通信，远距离通信常用Mech网络拓扑结构，“多级跳”通信方式网络变得复杂，为了减少信道传输数据时的干扰，针对智能变电站中的传感器固定情况而言，各个节点遵守IEEE802.15.4 MAC协议接入信道，采用马尔可夫模型构建节点同时启动产生争用信道问题，使用退避间隙算法改进无线传感网络传输，增加信道数量，减少传输冲突。[10]