基于傳感器網絡的配電網保護通信技術

馬碩，秦理

(廣東省輸變電工程公司，廣州市 510160)

0 引言

現階段我國配電網極度缺乏應對極端自然災害的監測預警、保護與應急能力。極端自然災害對電網基礎設備的摧毀是導致電網大面積停電事故的重要因素之一。與以往相比，近幾年我國自然災害呈現災情重、類型多、災害頻繁發生、持續時間較長等突出特點。據統計，由自然災害導致的電網事故日益嚴重，正在成為威脅電網安全運行的罪魁禍首。極端天氣造成的配電網故障主要有桿塔損毀、架空線斷裂等，一旦發生將造成大面積供電中斷，而電網網架保護往往在災難中第一時間受損，導致主保護完全失靈。例如2008年冰災造成電網大面積停電的一個主要原因就是電力通信網絡被完全毀壞［1］，這一方面導致電力設施監測預警系統失效，未能及時采取有效的防災減災措施，另一方面縱聯保護通道受損致使主保護不能動作，造成保護性能嚴重下降。現有電力通信網絡主要采用有線通信方式，面對極端自然災害很容易癱瘓。現行的少量無線通信網絡均依托基站進行通信，然而在復雜地理環境中，無線通信基站在極端自然災害發生時同樣不能正常工作。

面對自然災害給電網安全穩定運行帶來的嚴峻挑戰，現有的電網災害通信和保護措施顯得非常滯后。本文研究一種基于傳感器網絡的配電網保護通信技術，利用傳感器網絡對電網運行狀態、故障與災害信息進行監測，對海量監測數據信息進行分析、挖掘，對配電網在線運行可靠性和安全性進行評估與預測，對電網故障災害進行預警并輔助決策控制。根據傳感器網絡監測信息對災害的發生類型、發生地進行快速精確的分析與定位，同時調用災害發生地的統計資料對災害進行統計分析，為該地區災害分析管理提供實時信息，及時對電網災害進行分析診斷、預警并指導電網自動防護與災后重建工作的開展［2］。

1 多任務的傳感器節點通信架構

配電網具有較大的跨度范圍，可能發生的災害類型不可控，并且運行過程中不確定的干擾因素很多，必須針對不同的保護對象選擇合適的傳感器節點。需依據地理環境、桿塔類型等不同情況，在滿足系統覆蓋范圍的條件下，按照成本最優原則，采用合理的多任務傳感器節點進行部署［3］。

綜合考慮配電網全方位的監測，需部署以下四大類型的傳感器節點。

1.1 災害監測節點

(1)冰凍雨雪災害、大風監測:鹽密傳感器、溫度傳感器、弧垂傳感器、厚度傳感器、張力傳感器、濕度傳感器、風速傳感器、風向傳感器、泄露傳感器等。

(2)地震、地質災害監測:位移傳感器、地傾傳感器［4］。

(3)電網雷擊災害監測:雷電流參數監測傳感器模塊，利用羅氏電流傳感器，主要用于對桿塔避雷線和絕緣子的雷擊電流進行高速數據采樣、處理，包括雷電流波形、幅值、極性、時刻等雷電參數，對遭受雷擊的桿塔位置和雷擊形式(繞擊或反擊)直接做出判斷。利用傳感器節點采集的數據可及時分析出雷擊形式和故障地點，方便后續統計電網雷擊災害的分布情況，為判斷輸電線路雷害成因提供證據。

1.2 電網設備狀態監測節點

(1)變壓器工作狀態監測:使用傳感器包括溫度傳感器、氣體傳感器等，主要監測變壓器油溫、油色譜，判斷是否出現絕緣裂化。另外還包括塔架老化腐蝕程度的監測。

(2)避雷器狀態監測:利用霍爾閉環電流傳感器，主要用于監測金屬氧化物避雷器的全泄漏電流，同時對母線電壓及避雷器的雷擊次數等信息進行實時采集，然后對避雷器的運行狀態進行分析，對其故障進行診斷和預警。

1.3 電網電力質量監測

監控終端節點一般安裝在有大諧波源接入的變電站母線、線路及重要用戶上，用來采集電壓、電流、頻率等實時電網運行信息;可短暫記錄和存儲電網的電壓偏差、電壓波動與閃變、頻率偏差、諧波、三相電壓電流不平衡等穩態數據和電壓驟升、驟降、電壓短暫中斷等暫態數據。

1.4 電網故障診斷與定位

開關量信息監測:主要指電網發生故障后，繼電保護以及相關斷路器的動作信息，同時匯總電網發生故障后的電氣報警信息，準確判斷故障發生的地點和規模。

在傳感器網絡中，各個節點都將負責數據的轉發工作，針對輸電網單輻射結構，1個節點的失效將會影響1條鏈路的數據傳送。因此，必須采用傳感器網絡多跳路方式由來提升數據傳輸鏈路的穩定性。各桿塔上的監測數據通過多跳方式傳送給監控中心進行處理，這樣就可在其中某一節點失效時不影響數據的可靠傳送。支撐多任務的傳感器節點通信架構如圖1所示。

圖1 支撐多任務的傳感器節點通信架構Fig.1 Nodes communication architecture of multi-task sensor

2 傳感器網絡的通信簇分級結構

根據整個輸電走廊以及傳感器節點的多跳路由通信方案，災害實時監測系統傳感器網絡適合采用2層的拓撲結構，在這種體系結構下，傳感器節點被分為多個簇，每個簇至少有1個簇頭，簇內為第1層，簇間為第2層。顯然，在實時通信系統的傳感器網絡中，同一桿塔上的傳感器節點可劃分為1個簇，稱之為本地通信簇(local communication cluster，LCC)，在1個LCC中必然有1個簇頭，用來整合簇內各節點的數據并進行轉發。各個桿塔的簇頭節點之間形成第2層，稱之為塔間層(inter-tap cluster，ITC)，該層主要按要求處理與傳遞各簇頭節點之間的數據［5］，各自維護其相互之間的路由表，負責報文的轉發，通過“接力”的方式將數據傳遞給變電站。按照配電網的網絡構造，各輸電線路由各變電站呈輻射狀延伸，因此變電站可設置匯聚節點，配電網保護智能系統中傳感器網絡的2層通信簇結構如圖2所示，圖2中S為張力傳感器;T為溫度傳感器;H為濕度傳感器;W為風速傳感器;D為位移傳感器。

圖2 兩層通信簇結構的傳感器網絡Fig.2 Sensor network with two-layer cluster structure

對于各簇頭節點，由于需要負責本地傳感器數據的采集以及數據在塔間的傳送，設計了2種頻率f1、f2，其中f1頻率主要用于本地簇類的通信，使用較小的發射功率，f2頻率主要用于塔間數據的多跳傳送，使用較大的發射功率。各簇頭節點只負責數據的本地融合以及傳送，不具有感知功能［6］。

3 配電網保護軟件的功能與實現

配電網保護軟件的功能是將無線傳感器網絡傳輸來的數據進行功能處理并以友好的圖形界面形式顯示出來。配電網保護系統每隔一定時間刷新數據1次，工作人員可以在控制室實現對配電網的遠程監控。當某個參數超出預定值時，監控中心軟件自動報警，并且以電子地圖的方式顯示出問題發生的地點、出現了什么問題。

配電網保護軟件的編制采用了故障與災害定位自動匹配和信息顯示技術、發布/訂閱的信息交換技術，以實現故障與災害在地圖上的自動定位、近端服務器和遠端傳感器節點的實時通信功能。

3.1 故障與災害定位自動匹配和信息顯示技術

由于用于電網災害監測的無線傳感器節點都是通過人工部署，因此軟件編制時可以對各個傳感器節點進行識別，對其位置信息進行準確標識。電網災害地位自動匹配與顯示技術是指當前端無線傳感器網絡傳感器節點監測到異常災害事件時(比如監測數據超過某個規定閾值)，根據事件發生的具體位置，在電子地圖上顯示出故障位置以及詳細的數據信息。在電子地圖上顯示某個災害時，只顯示其對應的名稱。詳細的災害信息保存在后臺數據庫，可由管理人員進一步查詢。

3.2 發布/訂閱的信息交換技術

該技術旨在監測到電網發生災害時，采用發布/訂閱模型，如圖3所示，能及時通知管理人員，無需管理人員長時間在計算機前值守。圖3中，希望獲取數據的一方為業主客戶，提供數據的一方充當服務器角色。發布/訂閱服務機制支持本設備主動向其他設備傳送數據，這一特性對繼電保護功能和快速控制功能十分重要。在發布/訂閱服務機制中［7］，一旦有數據產生，監控中心計算機立即與監測模塊進行通信，通過圖形操作界面上的設備標識符、數據表格及曲線圖等方式反映出來，能實時地獲取監測設備當前的工作狀況。

圖3 發布/訂閱交換方式Fig.3 Exchange mode of publishing/subscribing

3.3 配電網保護軟件功能

軟件采用模塊化的設計方法。其功能包括:電子地圖、線路及變壓器管理、綜合曲線統計等。

電子地圖功能:將各種傳輸來的數據圖像化。工作人員能夠通過電子地圖來了解各個地區變壓器的運行情況。當需查找某個地方變壓器的工作情況時，只需在電子地圖上點擊查詢位置的圖標，就可將當地的變壓器詳細參數顯示出來。電子地圖界面如圖4所示。

線路及變壓器管理功能:能夠將監控系統內所有的干線、支線以列表的形式統一管理，每條干線包括若干個變壓器，每個變壓器的相關參數都將顯示出來。工作人員可根據每個變壓器容量的不同來設置電流、電壓和溫度的上下限值，進行死區設置。

綜合曲線功能:顯示某一時間段內變壓器某項參數的曲線圖。其中，“顯示數據”是顯示數據點的值;“相對坐標”是指以所有數據點的最大、最小值作為縱坐標的零點和頂點。

圖4 電子地圖示例Fig.4 Example of electronic map

月曲線中的電壓、電流、溫度、有功功率、無功功率、功率因素、頻率曲線以每小時的平均值作為數據點;有功電量、無功電量曲線以每天的最大值作為數據點;電壓、電流和溫度最大、最小值曲線以每天的數據作為數據點。

年曲線中的電壓、電流、溫度、有功功率、無功功率、功率因素、頻率曲線以每天的平均值作為數據點;有功電量、無功電量曲線以每月的最大值作為數據點;電壓、電流和溫度最大、最小值曲線以每天的數據作為數據點，如圖5所示。

圖5 綜合曲線Fig.5 Synthesis curves

4 結語

如何加強電網在自然災害發生時的防御能力是配電網保護工作的重點之一［8］。本文采用傳感器網絡多跳通信的方法，能對災害發生類型、破壞性大小進行快速、精確的分析與定位，同時調用災害發生地的統計資料對災害進行統計分析，為該地區災害分析管理提供實時信息，及時對電網災害進行分析診斷、預警并指導電網自動防護與災后重建工作的開展。故障發生時，在沒有或少量人工干預的條件下，能夠快速故障診斷，避免大面積停電事故的發生，加強了配電網的故障智能診斷、定位與自動控制恢復能力。

［1］梁健.基于IEC 61850標準的變電站自動化技術研究與設計［D］.廣州:華南理工大學，2008.

［2］劉英亮，叢偉，張潔，等.基于IEC 61850的廣域保護系統通信服務模型［J］.繼電器.2007，35(15):18-21.

［3］孫鳳杰，單麗華.基于GPRS的配電變壓器監測系統［J］.電力系統通信，2008，29(8):5-8.

［4］楊贊偉，陽春華.基于GPRS的配電變壓器監測系統［J］.自動化與儀表，2009，24(4):22-25.

［5］關飛，吳小美，劉朝輝.基于GPRS通信的配變監測管理系統［J］.電測與儀表，2008，4(1):21-23.

［6］高超然.電能質量監測儀中基于Qt/Embedded的圖形用戶系統研究與實現［D］.湖南:湖南大學，2007.

［7］陳兵飛，陳衛兵.公共配電能源監測與優化控制系統的研制［J］.儀表技術，2010(3):4-7.

［8］史常凱，徐斌，孟曉麗，等.智能配電網條件下的網絡重構與供電恢復探討［J］.電力建設，2012，33(1):12-16.