基于物联网的SF6在线监测系统开发

国网河南省电力公司直流中心 修艺源 张艺博 杨乐 张晨曦 金明辉 李小蓓

1.1 物联网技术原理

随着时代的进步发展，我国物联网发展趋势也愈发多元化，物联网广泛应用于社会工业、家居、医疗等诸多领域。各个领域也在积极研发适用于其发展、满足时代发展趋势的物联网系统。虽然各个领域研究开发点需要依托不同主体，应用场景、管理模式也各不相同，但是所采用的物联网系统、所实现的功能大体类似，均是依靠物联网系统的移动通信技术、互联网技术、传感器技术达成数据分析、业务应用、信息采集、数据交互等功能。由此，立足于信息处理、应用、生产性原则，即可将物联网大致划分为感知层、传输层、应用层。物联网是信息感知的应用基础，电力系统为物联网技术的应用提供了更为广阔的发展空间，物联网技术也广泛应用于电力检测诸多方面。

1.2 SF6在线监测技术原理

SF6在线监测技术原理主要包括电化学检测、电击穿检测、气相色谱检测、激光红外成像法、非分散红外线技术等，此类检测原理在灵敏度、检测效率、准确率、造价成本等方面各有优缺点，但是均不适用于SF6的气体精确在线测量[1]。

电化学检测方法主要是通过待测气体同其他物质进行充分的氧化还原反应，从而产生大电流，对气体浓度进行检测，而后利用SF6的不导电性质，将两个导电板均放置于气体中，逐步施加电压，再进行测量两导体之间变化，从而判断SF6气体。电化学检测方法优势是造价低，寿命长，但是分解产物干扰问题仍然存在，精度不高。

电击穿检测法是在气体中逐步施加电压，对两导体电压的变化进行系统测量，再判断SF6气体。该方法极易受到温度的影响，误差较大，不确定性也较大，相关传感器使用寿命也较短。

气相色谱检测法主要通过SF6气体，将固定相和流动相的色谱柱分为不同的分配系数，通过适当运动，促使不同气体得以分离，再借助记录器和检测器，将气体各组分色谱吸收峰图予以显现出来，并实时记录，以此分析SF6气体。该方法效率较高，可以同时监测诸多气体，但是成本也较高，响应时间较长，不适用于便携设备或是在线设备。

激光红外成像法是通过红外激光摄像机对准所测试区域发出相应激光，通过散射或是反射回到摄像机的激光所形成不同图像予以判别，这种方法体积较小，较难受到外界环境所影响。但是激光红外成像法造价昂贵，现场适应能力较差，极易受到天气影响。

非分散红外线技术通过不同气体将特定波长红外线予以充分吸收，直至红外线穿过该气体时，气体会选择性吸收特定波长，红外光在一定程度上导致光强衰减，其光强的实际衰减长度同气体浓度之间成正比关系。该方法具有灵敏度高、可靠性好、稳定性强，使用寿命长等优点，但具有成本较高等缺点。

2.1 SF6在线监测系统需求

SF6在线监测系统功能性需求。一是相关检测装置需要系统采集密闭环境下的SF6设备及其相关设备运行、泄漏的实时信息数据。二是实时监测主机与风机单元、报警单元的控制，实现报警功能。三是将采集的数据信息实时上传至云端数据存储服务器予以存储。四是对数据信息进行有效性分析，及时处理、科学管理，数据信息的可视化呈现。

同时，SF6在线监测系统还需要满足以下需求，一是稳定性，系统运行需要依托足够稳定良好的系统，促使感知层采集数据信息时可以更加稳定，传输层数据传输时更加快捷，应用层系统运行更为稳定[2]。二是时间性，一方面需要满足数据传输、数据采集的实时性、系统长时间工作要求，实时信息采集控制在1s以内；
另一方面需要保障每日工作时间维持在24h 以内。三是灵活性，系统需要灵活应用数据传输模块实现高质量数据传输模式，通过诸多网络通信媒介，及时将各单元所监测数据发送至云平台，用户无须干预，任何时间任何地点直接登录即可查看。四是准确性，数据信息需要准确无误地实时上传至管理平台，系统将通过更为可靠的MQTT协议保障数据传输效率。

2.2 SF6在线监测系统功能设计

2.2.1 感知层

该系统采取NDIR原理的SF6红外传感器，从而动态监测环境空气中SF6气体含量，主控制器通过接受来自人体红外检测单元、气体变送器传输的信息数据，予以更为系统、有效地分析、处理、标记。通过GPRS 数据通信模块，将分析处理后的数据信息及时传送至云平台。若是空气含量中SF6超标，或是空气中氧气缺乏，主控器会立刻自动触发报警控制单元发送信号，报警控制单元则会同继电器将声光报警装置进行启动，触发语音提示模块，及时提示工作人员落实相关措施。

2.2.2 传输层

基于物联网的SF6在线检测系统传输层的作用在于搭建应用层同感知层通信桥梁，促使数据信息的传输，并对监测装置施以集中化管理，促使相关监测平台实现可移植操作。因此，在设计该模块时，无须改造已经投入生产应用的旧产品，只需要依托GPRS、RS-485等通信方式即可实现各个层级之间的信号传输。

2.2.3 应用层

采用GPRS 技术，促使应用平台同报警系统之间得以实时通信。应用平台依靠客户端、浏览器进行登录，同现场报警系统获取即时通信，实时记录监测的数据信息，并及时上传，全方位分析处理，辅助相关工作人员可以快速评估该系统运行状态，出现问题则立刻进入警戒状态，依据实际需求及时通过报警系统输送更为准确的控制命令，驱动报警系统实现自动校准、自我比对、自我诊断。

2.3 SF6在线监测系统结构设计

结构设计则需要综合物联网自身的三层结构予以分析。感知层：在线检测SF6报警装置，自动化对比、远程校准功能。传输层：依托GPRS 等技术促使数据信息得以远程传输，数据信息得以快速存储。应用层：数据可视化平台，开发支持信息监测预警，促使各个变电站环境中的SF6气体更精准地实时监测。SF6在线监测系统结构设计如图1所示[3]。

图1 SF6在线监测系统结构设计

感知层部分由报警单元、监测单元和主机构成。监测单元在气体监测实时变送器的支持下落实，通过温度湿度传感器、氧气传感器、SF6传感器共同运行，全方位采集SF6设备环境气体的相关数据信息，依托通信接口将数据信息及时传送至主机控制器。报警单元依托相关的声光报警器模块进行，报警单元同监测单元综合运行，产生的数据信息通过RS-485通信方式实时传送至SF6监测主机，该主机系统会对接收的数据信息快速标记，予以初步分析。依据分析结果，综合用户请求，完成对报警单元、监测单元的相关操作。

2.4 基于物联网的SF6在线监测系统开发

2.4.1 硬件选型

SF6在线监测系统开发时，硬件选型主要涉及监测主机设计、气体监测设计、气体报警设计及人体红外设计。诸多模块之间依托RS485 总线实时通信，更加快速地将终端设备数据信息采集上传。监测主机设计方面选用低成本、低功耗、高性能的STM32F103 处理器。监测主机单片机内部需要配置1000PPM 标准气体，实现系统自动校准功能[4]。检测主机的单片机选用32 位，型号为STM32F103的处理器，因为其结构简单、功耗较低、模式强大、功能丰富等特点，广泛应用于诸多装置的监测开发过程中。监测单元主要由多通道控制单元和变送器电路板两方面组成。报警单元设计单元中声光报警器的选型，依据相关规章标准，需要配置可识别声光报警。因此，本文采取海湾声光报警，在SF6气体含量出现超标或是缺氧时，自动触发声光报警，及时提醒相关工作人员处理故障问题。人体红外传感器选用BISS0001 促使主机同风机控制模块实现实时联动，如果人员出现在监控3m的范围内，则相关的红外传感器会立刻向主机发送响应数据，主机自动触发排风系统，保障工作人员生命安全。SF6在线监测系统的多通道控制单元如图2所示。

图2 SF6在线监测系统的多通道控制单元

2.4.2 软件设计

基于物联网系统的SF6在线监测系统是由C语言程序创作编写，软件设计除了需要依托上述硬件模块外，还需要综合通信模块、存储模块、采集模块、显示模块、辅助模块等形成软件主体。STM32外接诸多监测单元及报警单元实时采集数据信息。因此，需要初始化所监测主机、单元、报警单元，将其中的端口配置、寄存器、通信模块相关参数设为初始数值。监测装置主要设计气路、SF6传感器模块，诸多模块之间在一定时间内可以达到更平稳的工作状态，因此系统应用会提前预热，直至充分预热完毕后，再回归至正常监测状态，系统正常运行后，程序会自动读取各个模块的采样数值，通过A/D端口对采样值进行分析处理，并将数据信息及时存储至存储模块[5]。软件设计流程如图3所示。

图3 软件设计流程

基于物联网的SF6在线监测系统开发的感知层需要具备自动校准功能，促使SF6在线检测报警的传输层实现数据传输，并具备集中化管理监测装置，促使监测装置相关操作平台可移植。应用层需要采用GPRS 技术，促使应用平台同报警系统之间得以实时通信。该在线监测系统实现了数据信息的可视化，提高了数据传达效率，解决了SF6泄漏等突发问题。

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