基于LoRa的变电站环境监测系统的研究

现代社会无论是工业层面还是信息层面都离不开电网。随着物联网技术的崛起，在电网中广泛运用了传感器、通信、计算机和自动化技术，这些技术与传统电网理论技术相结合，对电网整体智能化的进度有了较大程度的推进。越来越多的新技术被应用到电网之中与传统电网的良好融合，促进了智能电网的发展，因此说智能电网的发展是电网技术发展的必然结果。

变电站可以说是智能电网组成中极其重要的一部分，它的安全运行将直接影响整个电网的稳定可靠性，因此对变电站进行智能化升级改造是十分必要的，而如今国内对变电站的智能化水平还不够高，存在的问题还比较多，比如变电站的环境监测系统不完善甚至缺失，对数据传输方式的落后导致数据传输距离的受限等。随着物联网技术的不断成熟，变电站的许多问题都有了解决方法，完善的监测系统可以实时反应变电站内部重要地点以及重要设备的状况，大大提高了变电站的安全性和可靠性。所以，为保证对社会各行业电力用户稳定供电，变电站的安全稳定必须得到维护。    

为了保证变电站能够稳定运行，目前很多地方人们对变电站站内的监测主要依靠人工巡检的方式，这种方式费时费力，且反馈较慢，效率较低，如今，一些变电站已经实现无人值守，要想达到这种程度，必须合理将物联网技术与传统电力技术相结合，利用物联网中传感器技术的采集优势，LoRa技术的数据传输优势，针对国内变电站仍存在的问题，设计出与之相适用的监测系统，提高变电站整体智能化水平。

目前国内变电站监测系统大多仍以ZigBee通信技术为传输主要手段，甚至仍有以有线传输为基础的监测系统，而LoRa技术在数据传输距离方面明显要比ZigBee技术更有优势，运用ZigBee技术的监测系统因为数据传输距离问题受到了很多限制，相比之下，LoRa技术更适合应用在变电站监测系统中。所以设计研发了一套针对现有变电站监测水平不足问题的智能监测系统，以此解决变电站内部环境监测、数据采集以及传输问题。

在20世纪中期，美国西屋电气公司率先发明并制造了一种电气监测装置，电机在运行时候的状态以及运行过程中是否损坏电机等状况均可被该监测装置监测到。随后日本、加拿大等一些国家也陆续开始了对变电站监测问题的研究，由于诸多原因都导致了数据监测的难度较大，无法进行。所以整体来说电器监测设备发展进度较慢。

1975年，日本、加拿大等国家陆续研制出了变电站油中气体分析设备，促进了监测设备的发展。20世纪80年代初，状态监测检修引入了变电站日常设备维护的新概念，美国、日本等国家也研究并开发了针对于变压器的油浸气体监测系统。21世纪初，由于传感器技术和通信技术的日益完善，监测系统的发展逐渐显现出信息化、智能化的趋势。

在我国电网建设过程中，出现了大量的变电站，这就使得电力系统内部发生各种事故的可能性大大增加。为确保电网能够正常运转，需要对变电站内的电气设备开展全面而细致的检修工作。国内在变电站监测系统领域开始研究的时间相较于国外较晚，上世纪80年代初，国家电网等相关电力机关部门吸取了国外的相关技术，并对变电站监测方面进行相关研发，1986年，天津大学的龙家聪等人开发并制作了变电站局部放电设备监测器，深入研究了变电站的局部放电情况以及各种放电模型的灵敏度。清华大学的黄益庄、黄慎仪、刘建政等人于建立了我国第一个计算机变电站的监测系统。该系统运行测试中运行状态也较为稳定。

为此国内许多知名高校与国家电网公司展开了合作，开始了大批量的研究实验。先后研究出了变电站电脑监测系统、变电站电磁辐射强度监测系统、变电站绝缘监测系统以及国内首款基于IEC61850国际标准的智能变电站监测系统。

现如今，普遍的变电站监测系统对于监测数据的定义没有严格统一的标准，也很难实现多设备运行状态监测的一体化，所以很难满足智能电网标准化、信息化、智能化的基本原则，并且现有的环境监测系统能够监测的数据类型相较实际需求严重不足，无法满足现有变电站监测的基本需求。如今的变电站监测系统仍存在许多问题。国内市场上大多监测系统均停留在实验室测验的阶段，还没达到能够稳定运行工作的状态，无法保证在变电站中的安全性，所以无法实装在变电站内。

随着物联网技术的逐渐完善与成熟，有着无线传输、节约布置空间、成本较低、适用性强等优点的无线通信技术慢慢取代了传统的有线通信，并且无线通信技术仍在继续快速发展。无线通信技术的优势还体现在无线接入方式的多样化，这可以让其较好的适应多种不同的应用场景。

LoRa无线通信技术是低功耗广域网中极具代表性的一种技术，LoRa技术相比其他通信方式，具有设置通信协议自由度高、布网方式灵活、非授权频段免费、抗干扰性强、硬件成本低、无需基站、传输距离远等优势。

在国外LoRa发展迅猛，在国内，LoRa无线通信技术发展过程也十分迅速，许多知名互联网公司纷纷加入了LoRa联盟，积极推动着LoRa网络在中国的推广与发展。

电站是整个电网系统中极其重要的部分，它的稳定性是整个电网系统正常运行的重要保障。如今的电网系统已越来越向智能电网发展，作为智能电网的主体，智能变电站在未来得到广泛应用也已成为必然。以物联网技术为基础，设计了针对一款变电站区内部环境的监测系统，为变电站运行的安全可靠性提供了保障。

物联网技术想要较为适配的应用在变电站中仍有诸多问题，比如传感器采集数据的准确性，数据传输的稳定性。所以设计监测系统以STM32F103C8T6单片机为核心，设计出了基于LoRa的变电站环境监测系统。

首先设计了监测节点模块。节点模块主要负责对变电站区内的环境参数进行监测，具体包含室内温湿度，电缆沟水位以及六氟化硫气体浓度，而后节点模块将采集到的数据打包通过LoRa通信方式发送给终端模块。节点模块的硬件部分包括主控芯片、传感器模块和LoRa模块等，其中传感器模块由温湿度传感器、水位传感器和六氟化硫传感器构成。软件设计则是通过C语言和Python在Keil5和Pycharm软件环境中分别对传感器模块和LoRa模块通信的程序编写。

其次对终端模块进行硬件和软件设计。终端模块主要负责通过LoRa接收节点模块传输过来的数据，将数据处理并通过4G通信方式传输至阿里云平台。终端模块的硬件部分主要包括LoRa通信模块、4G通信模块以及一些外围电路的电路原理图设计和PCB设计。完成硬件设计后通过Python语言对其LoRa和4G模块进行了软件程序编写。

最后构建了变电站环境监测云平台，对云平台的基本功能和人机交互进行了调试，完成了所有监测节点采集数据在电脑端和手机APP端的可视化显示，并对告警功能进行了设置和测试，实现了实时反馈预警。

经过测试，系统具有稳定性强，准确度高，无需人工辅助，较为灵活，操作简单，多点监测，远程监测等优点，合理的将物联网技术应用在了变电站环境监测中，较为显著的提高了变电站的安全性和可靠性。

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