基于物联网技术的智能电力监控系统研究

来源: www.sblunwen.com 发布时间:2020-03-16 论文字数:38659字
论文编号: sb2020031121351229866 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇物联网技术论文,本文首先阐述国内外智能电网监控的研究现状,然后进一步分析了现有智能电网监控技术的优点和缺点,结合目前实际情况,提出有助于智能电网监控技术提升的方
本文是一篇物联网技术论文,本文首先阐述国内外智能电网监控的研究现状,然后进一步分析了现有智能电网监控技术的优点和缺点,结合目前实际情况,提出有助于智能电网监控技术提升的方式,即结合物联网技术、4G 技术、安卓操作系统和 WIFI 无线传输技术以及基于深度学习的机器视觉技术的智能电力监控系统技术方案。本文探究的主要内容如下:1.阐述了智能电力监控系统现阶段所采用的技术,并分析出现有的总线技术、无线网络技术存在的弊端,为了弥补不足之处而相应提出了采用物联网、无线网络技术的智能电力监控系统设计。2.研究机器视觉的发展及现状,针对电力监控系统的特殊要求,对物体检测的方法技术进行了梳理和总结。3.根据电力监控系统的实际需求和物联网技术的情况,本文阐述将智能电力监控系统与物联网技术相结合的设计模式,并具体从硬件、软件方面做了详细介绍。4.在对智能电力监控系统进行设计的过程中,考虑到用户操作使用的方便,在管理中心上为用户提供了操作界面,用户可以通过该系统完成操作并查看相关数据,并且可以在此界面设定系统、查看环境监控信息。

第 1 章 绪论

1.1 选题背景及意义
1.1.1 选题背景
物联网实质上属于互联网与通信网的延伸、拓展,其主要通过智能设备与感知技术识别物理世界,以网络传输互联为基础展开知识挖掘与处理、计算,就此达成物与物、物与人之间的无缝链接与信息交流的目标,以此在科学决策基础上精确管理、实时控制物理世界[1]。
1999 年,Internet of Things(物联网)一词被正式提出。自此日益受到全球各国的普遍关注,目前比较一致的观点认为,物联网属于继移动通信网、互联网、计算机之后的又一轮信息科技成果,其极具颠覆性和革命性[2]。美国前总统也是第一位黑人总统奥巴马早在 2009 年时便对“智慧地球”战略(IBM 提出)做出过主动回应,且在其任期内就把物联网战略全面纳入到美国的国家发展战略范畴。《欧盟物联网行动计划》是全球首个物联网发展战略,这是欧盟于 2009 年正式发布的,物联网技术发展与应用趋势描述是其基本内容。
2009 年,温家宝(时任国务院总理)要求我国相关部门应尽快完成“感知中国”中心(传感信息中心)构建[3]。2010 年度的中国政府工作报告也第一次提及“物联网”一词,我国全国性、战略性新兴产业规划方案中自此迎来新成员。
作为信息产业领域新成员、新浪潮之一的物联网,已对各行各业形成全面覆盖之势。物联网技术研发也成各国各地区的一个焦点,抢占未来信息产业全球战略制高点是这一现象的基本出发点与落脚点[4]
清洁能源需求增大、高效安全的电力供应增长持续凸显了可持续发展方面存在的问题,进一步加剧了能源短缺现象,从世界电力发展趋势来看,智能电网的核心地位已成事实。中国国家电网公司业已明确了智能电网建设目标,即互动化、自动化、信息化,意在一体化电力领域内的业务流、信息流、电力流。
ICT(信息通信技术)发展至一定程度后的必然性结果便是在智能电网中全面应用物联网,只有如此才能对电力系统基础设施资源与通信基础设施资源进行全面整合[5],以便信息通信基础设施可以为电力系统运行提供更有效的服务,促进既有电力系统基础设施利用效率及信息化水准提升。因此,智能电网建设在电力信息化时代的必由之路就在于在智能电网中引进应用物联网技术,把物联网优点充分利用起来,和电力网络现状相结合完成以物联网为基础的智能电网构建[6]。从发展实践来看,智能电网中的物联网技术运用已然触及智能电网各环节,比如发电、变电、输(配)电及电力消费等均已出现物联网技术。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 物联网在智能电网中的研究现状
对于战略意义极为重要的智能电网与物联网来说,由于其属于新兴产业、高新技术,所以已成为全球关注的一个焦点[10]。而从智能电网研发过程来看,各国各地区均将各自最现代、最前沿的各种产业技术(物联网、新材料、IT 等)利用起来,所以从推动新技术发展角度来看,各国上述措施极具整体效应[11]。而美国无疑是这一领域的佼佼者,电网智能化与 HAN(家庭自动化网络)则是该国学者的主攻方向。该国首个“智能电网城市”为波尔德市(科罗拉多州),各类传感装置(如智能温度计等)已在全市家家户户普及应用,市民了解电价更加直观,所以其用电量分配也更具实效。
2003 年以来,奥斯丁市(德克萨斯州)开始用智能电表(无线网络通信)陆续取代手动电表,智能温度计、各种传感器(服务区内的)也在当地陆续投入运行。电网智能化方面,电网智能化工程在美国能源部牵头全面展开,该工程实质上是把计算机、传感器及远程通讯设备等安装配置于既有的基础性电力设施中,以此完善全国电网,减轻电网荷载,促进电费节约。比如,热水器、自动调温器已经走进奥林匹克半岛(华盛顿)多个家庭,调温器与网关盒(有专门软件配置)可以完成无线通信,网关盒能对其电力消耗进行周期性监测。
从电网状态监控上来看,日本、欧洲等是除美国以外研究相对较为深入的国家和地区,它们大多基于各种传感器运用来在线监控输电线路覆冰/绝缘子、红外温度、设备泄露电流等。
国家电网公司于 2009 年将我国智能电网发展报告对外正式发布,报告要求应基于统筹规划、整体推进、试点先行、统一标准原则,将智能电网建设分步推进[12]。智能电网、物联网建设目前已经被中国政府提升至国家战略层面,同时还全面安排部署了示范工程建设、重大科技项目等。从智能电网来看,基于数量众多各类装置(如终端传感器等)及物联网,能由发电、变电、输(配)电及电能消费环节完成相关数据信息采集,随之利用上层互联网技术,物联网将采获数据交换、传递,从数据角度全面支撑发电、变电、输电、配电及用电侧,就此实现电网自动化、信息化与互动水平全面提升[13]。
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第 2 章 相关理论基础

2.1 物联网技术概述
为了能够最大化促进成本的降低、距离的缩短以及速率的降低,ZigBee 技术联盟于 2001 年正式组建,并且专门致力于我国无线通信技术的完善与发展[29]。在这之后,各国厂商也加入到该项技术的研究中,为了能够以最快速度实现无线通信技术的完善,英国、日本、美国以及荷兰有关无线通讯技术的四大公司也纷纷加入 ZigBee 技术联盟。截止目前,ZigBee 技术联盟中已经集结 100 多家与该项技术相关的公司,并且还在持续扩张当中。ZigBee 技术联盟组织最终将自身所研究的技术命名为“ZigBee 技术”,其名字的来源与该项技术的研制过程有一定关系,该项技术在一定程度上受到蜂群之间相互传递信息方式的启发,在蜜蜂实际生存过程中,它们依靠 Zigzag 形状的舞蹈来向伙伴们告知哪里有食物,而 ZigBee 恰恰通过相同无线通信技术的原理来对此项无线通信技术进行研发[30]。归根究底,ZigBee 技术就是一项消耗功能较为简单、复杂程度较小、数据速度很短,消耗成本较低的双向无线通讯技术,为了促进人们对该项技术的记忆,人们为它起了一个十分形象的名称:“紫峰”技术[31]。
由于该项技术目前在国际上处于领先地位,并且能够为相关公司解决很多技术难题,因此,该项技术受到很多公司的关注与引进,并利用该项技术为公司解决技术困难,例如:英国 PRI 公司将该项技术应用到天然气信息监控中,从而能够更加及时、准确地为人们传递公司天然气的具体状态。为了将该项技术更好地应用于世界中的各个领域,该联盟组织曾经将该项技术引入中国,并承诺可以免除该项技术的专利购买费用,吸引了我国大量企业[32]。对于我国目前无线通信技术来讲,对该领域的研究主要集中在我国各大高校中,企业中对该项技术研究得甚少。浙江大学主要通过该项技术建立相关的无线通讯网络,从而将其应用于监控系统、物流管理等领域。近些年来,随着我国相关学者对该项技术的不断研究,相信在未来生活中的各个领域都会有国产ZigBee 技术的存在,从而使生活当中各个领域更趋向于智能化[33]。
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2.2 智能电力监控系统组成
智能电力设施由多个部分构成,其中之一便为智能电力监控系统(物联网技术),其能有效体现电力设备的智能化。系统应用了现代的控制技术、可视化技术、现代通信技术与物联网技术,基于不同辅助设施智能化监控电力设备热点、动力、环境等,而且可以智能分析数据,综合可视化展示,实现智能联动报警,接入综合自动化系统、PMS、ERP 管控模块信息[52]。有效协助电力设备信息化、检修与运行,服务于智能电网大检修、大运行、全寿命周期管理。
如图 2.3 所示即为智能电力监控系统(基于物联网技术)的基本架构,其主要基于智能电力设施体系结构向智能电力设施的站控层、间隔层、过程层融入物联网技术。利用不同通信策略发送数据,将基于物联网的电力设备的智能检修辅助、动力与环境监控等功能实现,辅助支撑智能电力设施互动化、自动化、信息化[53]。
图 2.3 系统总体框架示意图

分析物联网与智能电力设施分层架构结果证实,物联网感知层与智能电力设施过程层类似,所以最能体现物联网技术的即为过程层,其利用不同传感器进行状态信息采集,同时利用无线、RS-485 总线等通信手段来发送数据。间隔层可以汇聚监控数据,发送互动控制信息,而且所有子系统的接入策略全部是 IEC61850 规约。站控层和应用层(物联网)比较类似,数据接收、数据研判、联动报警、展示(可视化)由系统平台统一完成。系统平台还能够将数据互通互联利用综合自动化系统、单项隔离装置等实现。
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第 3 章 基于物联网技术的智能电力监控系统实施方案............................29
3.1 基于物联网技术的智能电力监控系统架构................................29
3.1.1 智能电力监控系统结构................................... 29
3.1.2 智能电力监控系统研究.................................. 30
第 4 章 基于物联网技术的智能电力监控系统设计....................................43
4.1 需求分析.......................................43
4.1.1 功能需求.................................43
4.1.2 性能需求.............................43
第 5 章 总结与展望.................................57

第 4 章 基于物联网技术的智能电力监控系统设计

4.1 需求分析
4.1.1 功能需求
该电力设施智能系统的设计与构思主要以第 3 章所介绍的电力监控系统基本框架为基础,目的在于确保电力监控系统正常运转的同时不断降低经济成本支出,并使其安全性在原有基础之上显著提升。在设计目的基本确立后展开需求分析。硬件、后台监控及预警平台功能主要包括五个部分,如图 4.1 所示:
1.实时数据采集:采用串口通讯模式来广泛收集传感节点的实时温度信息。
2.实时数据显示:可对设备中一切传感节点的实时温度信息进行准确的显示。
3.数据统计分析:查询早期的温度传感节点的历史温度数据并对其展开分析;
4.平台资源管理:对传感节点中反映出的信息以及传输到基站中信息加以管理;
5.预测预警信息:无线温度传感节点短期温度预测值及预警信息的显示。
图 4.1 智能电力监控系统及预警平台功能图
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第 5 章 总结与展望


本文首先阐述国内外智能电网监控的研究现状,然后进一步分析了现有智能电网监控技术的优点和缺点,结合目前实际情况,提出有助于智能电网监控技术提升的方式,即结合物联网技术、4G 技术、安卓操作系统和 WIFI 无线传输技术以及基于深度学习的机器视觉技术的智能电力监控系统技术方案。
本文探究的主要内容如下:
1.阐述了智能电力监控系统现阶段所采用的技术,并分析出现有的总线技术、无线网络技术存在的弊端,为了弥补不足之处而相应提出了采用物联网、无线网络技术的智能电力监控系统设计。
2.研究机器视觉的发展及现状,针对电力监控系统的特殊要求,对物体检测的方法技术进行了梳理和总结。
3.根据电力监控系统的实际需求和物联网技术的情况,本文阐述将智能电力监控系统与物联网技术相结合的设计模式,并具体从硬件、软件方面做了详细介绍。
4.在对智能电力监控系统进行设计的过程中,考虑到用户操作使用的方便,在管理中心上为用户提供了操作界面,用户可以通过该系统完成操作并查看相关数据,并且可以在此界面设定系统、查看环境监控信息。
本研究实现通过端节点的摄像头采集视频图像,通过端节点图像处理服务器进行图像处理,再向中转节点安卓客户端发送触发消息和图片,安卓客户端收到后会自动存储到 SD 卡,自行压缩后可通过 4G 网络上传至远程管理系统服务器,管理系统服务器端收到图片后显示图片;其次,也可选择远程拍照模式,安卓中转节点会在拍照完成后上传并显示;还可以选择静止监听模式,此模式下不允许图片上传。为了方便用户使用,管理系统服务器端界面中可以实时看到工作流程,可以显示出是第几张图片。
参考文献(略)


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