近年来, 物联网、大数据、人工智能及5G通信技术快速发展, 不仅提升了人民群众生活的便利度和幸福感, 而且极大地提高了社会生产力。对于新型技术, 电力行业提出了大力建设泛在电力物联网, 但是这些技术的落地应用却有一定的滞后性, 落后于电网设备及技术的发展。随着城市化进程的推进, 用电需求及负荷不断增加, 电网规模、变电站数量也在快速增长^[1]。目前, 220 kV及以下变电站已实现无人值守, 运维站对于站内环境、辅助设备和电网设备的状态、状况的实时管控至关重要, 需要大量运维人员不间断地巡视、检查、记录。然而, 近年来人力资源紧张问题突出, 设备事故、责任性事件仍时有发生, 造成较大经济损失的同时, 严重影响了公司安全生产的稳定局面。因此, 有必要利用无线通信技术, 对变电站物联网系统进行设计与搭建, 实现站内设备状态的全面、实时、无间断管控, 以“物联设备”管控“变电站设备”^[2-3]。

本文针对站内物联网的搭建存在成本高、设备多、安装繁琐、扩展性差等问题^[4], 设计了变电站物联网系统, 并进行了测试和实际应用。本系统采用410~441 MHz频段的Lora无线扩频通信技术实现了全站组网覆盖, 相比于蓝牙、Zigbee及WIFI, 其波长更长、穿透能力更强、无线范围覆盖更广、功耗更低, 无需网关协调器、中继器等设备, 经济便捷, 可扩展性强^[5]。采用SHA256安全散列签名算法, 以较高的安全性在较短计算时间内完成了不同设备间数据通信的安全验证, 有效地保障了站内、远程通信信息的安全。采用4G模组依托现有4G信号覆盖, 不论处于变电站的任何位置, 都可以稳定可靠、快速直接地连接外网, 将变电站信息实时传输至阿里云物联网平台, 简化了终端间的通信过程^[6]。

变电站物联网系统以减小运维人员工作量, 进一步提高变电站无人化、智能化为目的, 实现了远程信息交互、全站组网覆盖、实时信息加密签名。该系统由上位机人机交互界面、物联网主节点、物联网子节点3个部分组成。其系统结构如图 1所示。

本文的硬件设计在遵循物联网架构的基础上, 结合控制需求, 采用了模块化设计, 以STM32F103C8T6为控制核心, 由下到上分为电源模块、存储显示层、感知层及网络层。其中, 感知层为物联网节点实际应用中的扩展传感器等设备, 针对不同应用感知层的设备也不相同, 本文中不作详细介绍。

电源电路采用MiniUSB接口外接5 V电源与锂电池供电, 具体原理如图 2所示。

物联网节点正常运行时, 由MiniUSB外接5 V电源供电。若锂电池电量不足, 可经TP4056芯片以恒定电压线性充电, 当充电电流达到最终浮充电压后降至设定值的1/10时, TP4056自动终止充电循环。当MiniUSB外接5 V电源失电时, 可由PMOS场效应管自动切换至锂电池供电, 且发送失电信息至远程人机交互界面, 实现了物联网主、子节点的不间断供电。

根据控制需求, 在物联网架构的基础上增加了Flash存储器W25X16以及液晶显示屏。

本设计采用的微控制器STM32F103C8T6内部集成了128 kB的Flash存储器, 不仅要存储程序代码、中文字库, 而且在程序运行时还需存储、擦除各类型空调、除湿器的红外解码命令以及异常温湿度, 操作过程复杂且容易溢出, 增加了程序运行的不确定性, 故在控制器上集成2 MB的Flash存储器W25X16。该Flash与微控制器的SPI2 4个引脚相连, 为实现存储、擦除红外编解码模块输出的命令帧等操作, 在控制器上集成了2个按键。

液晶显示屏分辨率为128×64, 采用IIC通信协议, 四引脚两线制, 与微控制器的IIC2 2个引脚相连, 节省了引脚资源, 可实时显示变电站名称、温湿度以及控制器的设备状态, 以供运行人员查看实时信息。

本文采用EC600S 4G上网模组、阿里云物联网平台及Lora无线网等组网方案解决系统各层级设备间的通信问题, 实现感知层设备与远程平台的实时对接。

Lora无线网由物联网主节点与子节点上集成的Lora模块组成, 基于加密后的ModBus协议实现了点对点信息传输。

由于大部分变电站层数多、面积大, 各个设备室相距较远, 通过比较与测试, 本设计选择Lora无线扩频通信技术完成了站内通信组网。Lora模块采用高效的ISM频段射频SX1278扩频芯片, 频段为410~441 MHz, 体积小、灵敏度高、支持低功耗省电、传输距离远、穿透能力强, 空旷处通信距离可达3 000 m^[4], 在实际应用中其通信覆盖了110 kV变电站全站范围。Lora模块为6引脚串口通信, 将其与微控制器的串口1相连, 定向点对点传输, 空中速率为19.2 kb/s, 发射功率为100 mW。为降低功耗, 将物联网主节点设置为唤醒模式, 子节点为省电模式。站内物联网采用ModBus通信协议, 7位命令帧, 依次为帧头、从机地址、设备号、功能码、温度、湿度、CRC校验码, 可实现站内256个设备组网。

由于本地变电站无WIFI覆盖, 故采用EC600S模组、阿里云物联网平台实现远程信息交互。

EC600S模组依托现有的4G网络, 可以实现良好覆盖, 支持最大下行速率10 Mb/s和上行速率5 Mb/s, 具有低功耗、低延迟、移动性良好等特点^[7]。该模块与微控制器的串口3相连, 采用AT命令与物联网平台实现信息交互。此外, 主节点集成按键可实现一键连接物联网平台。

阿里云物联网平台可向下连接设备, 支持设备数据采集上传云端, 又向上提供API统一接口。服务端通过API的调用将指令下发至设备端, 实现远程控制。此外, 该平台使用产品密钥、设备名、设备密钥三元组确定设备信息, 具有唯一性, 保障了设备的信息安全, 并提供各种设备开发所需的帮助文档和技术支持^[8-9]。物联网平台链路如图 3所示。

为保障通信信息在站内无线交互及外网传输时的安全性, 在上位机、下位机侧分别将指定命令帧经过SHA256安全散列签名算法验证后方可进行数据传输。

SHA256算法是一个迭代的哈希函数。它将任意长度的消息经n次迭代得到256 Bit的哈希值, 由8个32 Bit的字组成^[10-11]。其实现过程分为以下3个步骤。

步骤 1  在消息末尾附加填充块与原始信息长度, 使得消息总长度为512 Bit的整数倍。

步骤 2  将消息等分为M₁, M₂, M₃, …, M_n共n块, 在本文中n为1。将M₁分解为16个32 Bit的字W₀, W₁, W₂, …, W₁₅, 由迭代公式得到剩余48个字W₁₆, W₁₇, W₁₈, …, W₆₃, 其构成公式为

$ {W_t}{\rm{ = }}\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{M_i}, \;\;\;0 \le i \le 15}\\ {{\sigma _1}\left( {{W_{t - 2}}} \right) + {W_{t - 7}} + {\sigma _0}\left( {{W_{t - 15}}} \right) + }\\ {{W_{t - 16}}, \;\;\;\;16 \le i \le 63} \end{array}} \right. $

(1)

式(1)中σ₀(x)与σ₁(x)定义如下

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {{\sigma _0}\left( x \right) = {S^7}\left( x \right) \oplus {S^{18}}\left( x \right) \oplus {R^3}\left( x \right)}\\ {{\sigma _1}\left( x \right) = {S^{17}}\left( x \right) \oplus {S^{19}}\left( x \right) \oplus {R^{10}}\left( x \right)} \end{array}} \right. $

(2)

式中: Sⁿ(x)——循环右移n位;

Rⁿ(x)——逻辑右移n位;

⊕——按位异或。

步骤 3  进行64次加密循环, 如图 4所示。其中: “+”表示两数相加, 若大于2³², 则除2³²取余; K_t为第t个密钥, 即算法的64个初值。

图 4中, C_H, M_A, ∑₁, ∑₂的定义如下

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{C_{\rm{H}}}\left( {x, y, z} \right) = \left( {x \wedge y} \right) \oplus \left( {\neg x \wedge z} \right)}\\ {{M_{\rm{A}}}\left( {x, y, z} \right) = \left( {x \wedge y} \right) \oplus \left( {x \wedge z} \right) \oplus \left( {y \wedge z} \right)}\\ {\sum\nolimits_1 {\left( x \right) = {S^2}\left( x \right) + {S^{13}}\left( x \right) + {S^{22}}\left( x \right)} }\\ {\sum\nolimits_2 {\left( x \right) = {S^6}\left( x \right) + {S^{11}}\left( x \right) + {S^{25}}\left( x \right)} } \end{array}} \right. $

(3)

式中: ∧——按位与;

$\neg$——按位补。

最后一次循环所产生的8个字合起来即是散列字符串, 加密前后的通信命令帧数据格式如表 1所示。

通过SHA256签名加密后的指定命令帧建立不同设备间的通信, 只有指定设备经过加密算法的验证后才能进行数据传输, 进一步提高了数据传输的安全性, 在不知其加密算法及签名的状态下也无法获知具体内容, 且签名随机生成、每天更改, 抗攻击性强。

下位机由物联网主节点和子节点两部分组成, 均采用μC/OSⅢ实时嵌入式系统, 时间片轮转调度。μC/OSⅢ是一个可剪裁、可剥夺、无任务限制的多任务内核, 包括资源管理、同步、任务通信等功能, 结构简单, 可读性强^[12]。

以实际应用变电站温湿度控制系统为例, 根据物联网主节点和子节点的功能需求, 将主节点程序封装成μC/OSⅢ系统下的4个事件, 其程序流程如图 5所示。

物联网子节点将程序封装成μC/OSⅢ系统下的3个事件, 程序流程参照主节点设计, 如图 6所示。

由于基于Windows环境下的电脑仍占据市场主流^[13], 故采用C#编写语言、Visual Studio编程环境编写.exe文件的人机交互界面。

以实际应用变电站温湿度控制系统为例, 人机交互界面实现的功能包括: 温湿度与设备控制信息的采集; 上位机与阿里云物联网平台的连接与信息交互。

上述功能分别由MQTT操作、空调控制、除湿器控制以及温湿度采集4个部分组成。

通过变电站的选择以及MQTT服务器的操作, 实现与阿里云物联网不同设备的连接和消息订阅。通过对空调、除湿器以及温湿度采集等按键操作, 向阿里云物联网平台上的相应设备发送消息。消息采用ModBus编码, SHA256加密签名算法建立不同设备间的通信。

在本文设计的物联网主、子节点的基础上, 实现了变电站设备室的温湿度控制。其原理是通过红外解编码模块IR05F对站内空调、除湿器等红外控制电器的命令进行解码、编码、存储, 将编码信息通过红外发射器发射至相应电器设备, 控制其启停及温湿度设置, 从而达到温湿度控制的目的。根据温湿度传感器DHT11采集的实时温湿度信息来判断设备室是否达到温湿度控制。在征得班组的同意后, 在不同构造的3个变电站进行了实地测试, 其中物联网主节点放置于控制室, 其余3个子节点分别放置于主控室以及10 kV开关室内空调、除湿器等设备的周围。

为进一步确认该系统温湿度检测的一致性和可靠性, 对所布置的4个物联网节点的温湿度数据进行采集, 4个物联网节点均处于温度为25 ℃、湿度为64%的环境下, 每1 h采集1次, 共采集4次, 数据如表 2所示。

由表 2可以看出, 该系统下的物联网主节点和子节点温湿度检测具有很好的一致性和可靠性, 不仅能实时采集站内各设备室的温湿度, 而且检测数据的精度误差都小于5%。此外, 为进一步验证该系统温湿度的控制特性, 从人机交互界面依次输入4个物联网节点: 空调温度由25 ℃降至20 ℃, 每10 min采集1次, 共采集4次; 除湿器湿度由60%降至50%, 每3 h采集1次, 共采集5次。

由表 3可以看出, 该系统物联网节点通过对空调、除湿器等设备进行控制, 实现了对室内温湿度的控制。温度控制效果明显, 精度较高; 湿度控制效果较滞后, 但精度较高, 误差均小于5%, 控制效果满足变电站对于室内温湿度控制的要求。

通过本次测试验证了本控制系统不仅完成了变电站内的空调、除湿器等设备的远程控制, 实现了站内各设备室温湿度的控制与监测, 而且还验证了Lora模块在变电站等空间较大的场所组网便捷, 通信稳定, 为变电站物联网的搭建提供了很好的实例。

本文设计的物联网系统由上位机人机交互界面与下位机物联网主、子节点组成, 实现了变电站全站组网、通信信息加密及远程信息交互等功能, 各部分设计独立, 易维护、易扩展、易应用。在此基础之上进行了场景应用, 通过红外编解码模块完成了对空调、除湿器等设备的控制以及温湿度传感器的实时检测, 实现了对变电站各设备室的温湿度控制。

变电站物联网的建立及远程无线通信的实现, 为运维工作的智能化奠定了良好的基础。后续可在此基础上继续挖掘子节点的功能, 如GIS设备SF₆压力与主变本体油温的识别与传输、电缆孔洞封堵脱落检测等。