無人值守變電站電氣設備計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設計

楊翠萍， 陶福貴， 陳幫鵬

（張家口職業(yè)技術學院，河北張家口 075000）

電能，作為現(xiàn)代生活不能缺少的能源，是人類社會發(fā)展的基礎之一。變電站作為電能中轉場所，其運行狀態(tài)是電力系統(tǒng)提高運行可靠性的重點。因此，實現(xiàn)變電站的監(jiān)控管理是現(xiàn)代電力發(fā)展的必然趨勢。

變電站監(jiān)控的主要功能是利用計算機技術，對變電站的二次設備（包括測量儀表、信號系統(tǒng)、繼電保護、自動裝置和遠動裝置等）進行功能組合和優(yōu)化設計，實現(xiàn)對變電站的主要設備和輸配電線路的自動監(jiān)視、測量、自動控制和電氣保護，以及調度通信等綜合性的自動化功能。而隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，各變電站、所都有了可靠的通訊網(wǎng)絡，這使遠程監(jiān)控成為可能。

變電站的遠程監(jiān)控是利用遠程網(wǎng)絡，對各變電站的有關數(shù)據(jù)、參量、圖像進行采集，并將采集后的數(shù)據(jù)進行編碼后傳送到電力調度中心，進行存儲和管理。同時，遠程監(jiān)控中心通過對這些數(shù)據(jù)的分析，掌握設備的運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)有效的監(jiān)控。電力遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實施為實現(xiàn)變電站的無人值守提供了可能性，從而為推動電力網(wǎng)的管理逐步向自動化、綜合化、集中化、智能化方向發(fā)展提供有力的技術保障。

無人值守變電站由運行值班人員固定在當?shù)孛刻爝M行日常監(jiān)測和對變電站設備進行維護，改變?yōu)樽冸娬镜倪\行和調度由監(jiān)控中心遠程來完成。順應了電力行業(yè)科學技術的發(fā)展方向，是一種新的變電站運行方式。

本文設計了基于ZigBee網(wǎng)絡無人值守的變電站計算機監(jiān)測系統(tǒng)，滿足了變電站自動化系統(tǒng)的遠程監(jiān)控要求。

1 無人值守變電站電氣設備智能監(jiān)控系統(tǒng)主要功能分析

無人值守變電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)涉及多個研究領域，包括計算機通信技術、自動控制技術、人工智能技術等，是現(xiàn)代科技在電力系統(tǒng)綜合應用的體現(xiàn)，并已發(fā)展成為一個相對獨立的電力系統(tǒng)技術領域[1]。

無人值守變電站主要通過現(xiàn)場在線監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測設備運行狀態(tài)、電網(wǎng)的運行參數(shù)，并將這些監(jiān)測數(shù)據(jù)及時上傳至中央監(jiān)控中心，使中央監(jiān)控中心能及時、準確地獲取變電站運行和管理信息，隨時掌握變電站的實時運行狀態(tài)，及時實現(xiàn)能源的合理調度。同時運用自行檢測與診斷系統(tǒng)，在發(fā)現(xiàn)設備或裝置出現(xiàn)異常情況后，立刻啟動報警裝置并閉鎖端口，避免事故擴大，同時啟動事故模塊，對事故點進行采樣、決策、判斷、隔離及消除，以減小設備故障對系統(tǒng)的影響。

根據(jù)以上分析，本監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能如下：

（1）數(shù)據(jù)采集：電力設備的運行數(shù)據(jù)主要包含兩類：一類為電壓、電流、溫度、濕度等模擬量；另一類為現(xiàn)場報警信息等開關量。這兩類數(shù)據(jù)都需要通過數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心。

（2）運行狀態(tài)監(jiān)控：對變電站的運行工況與設備狀態(tài)進行監(jiān)控，當設備發(fā)生故障時，監(jiān)控主機可以憑借計算機的多媒體功能實現(xiàn)聲光報警功能。同時還可以將事故信息進行打印記錄和存儲。

（3）事件記錄：中央監(jiān)控中心設置相應數(shù)據(jù)庫，將對應的運行參數(shù)功能記錄下來，重點是記錄刀閘開合記錄和故障時間類型記錄。

（4）遠程控制操作：中央監(jiān)控中心將變電站里各種電氣設備的運行參數(shù)與數(shù)據(jù)庫里的標準數(shù)據(jù)進行對比分析，根據(jù)實際情況對斷路器，隔離開關的開合進行遠程操作。

當前無人值班變電站的綜合自動化系統(tǒng)主要包括“四遙”（遙測、遙調、遙信、遙控）監(jiān)控。但是，只具備這四項功能還不足以實現(xiàn)對電氣設備的有效監(jiān)控。本文在“四遙”的基礎上，又增加了對視頻信號和音頻信號的遠程監(jiān)控功能，以便通過現(xiàn)場的圖像信息及設備運行的聲音信息更加準確地判斷和分析事故的原因，有利于及時發(fā)現(xiàn)、處理現(xiàn)場故障。

2 系統(tǒng)硬件設計

變電站監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要包含下位機硬件部分、通訊層硬件部分及上位機硬件部分。

變電站監(jiān)控系統(tǒng)下位機的硬件部分主要是數(shù)據(jù)采集設備。這些設備的主要任務是將現(xiàn)場的電壓、電流、有功、無功、頻率、電能等參數(shù)、各個開關狀態(tài)、音頻信號、視頻信號等內容送入單片機，由單片機進行信號處理后，向上位機傳送。

變電站監(jiān)控系統(tǒng)的底層主要完成的是物理層采取何種方式進行數(shù)據(jù)的采集和傳輸。現(xiàn)在的變電站通信大多是通過有線網(wǎng)絡進行信號的采集、傳輸和發(fā)送，主要的方式有RS232、RS485、CAN總線等方式。但是，隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，變電站的設備繁多，信號復雜，利用有線網(wǎng)絡的通信傳輸方式存在綜合布線難、工程量大、成本高、維護困難等問題。因此不太適合目前變電站的通信要求。本設計采用了基于ZIgBee無線自組網(wǎng)技術來實現(xiàn)變電站監(jiān)測系統(tǒng)。

ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915MHz(美國流行)3個頻段上，分別具有最高250、20和40 kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10～75m的范圍內，但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術，具有低功耗、成本低、時延短、網(wǎng)絡容量大、可靠、安全、經(jīng)濟等特點，非常適合工業(yè)現(xiàn)場自動化控制的數(shù)據(jù)傳輸[2]。

采集層收集的數(shù)據(jù)向上傳送至數(shù)據(jù)融合中心。數(shù)據(jù)融合中心起到兩個作用：第一是對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行初步的處理，并對緊急故障進行及時的反饋；第二是把數(shù)據(jù)通過相應的通信模塊與公共通信網(wǎng)相連，將數(shù)據(jù)傳送至遠程監(jiān)控中心。

變電站監(jiān)控系統(tǒng)上位機的硬件部分主要是監(jiān)控中心，內設數(shù)據(jù)庫及相應的監(jiān)控控制軟件。整個系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件部分采用模塊化開發(fā)方法，采用的開發(fā)工具采用VC++，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2005。應用軟件包括通訊模塊、參數(shù)設定、數(shù)據(jù)采集與處理、報警處理、查詢打印、負荷曲線、實時顯示、生成報表等部分。具體軟件結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件結構圖

現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心后，軟件部分負責處理這些數(shù)據(jù)的具體含義，并對這些信號所包括的信息做出對應的動作，從而實現(xiàn)變電站設備的有效監(jiān)控。

4 總結

本文設計了基于ZigBee網(wǎng)絡的無人值守變電站計算機監(jiān)測系統(tǒng)，該設計滿足了變電站自動化系統(tǒng)的遠程監(jiān)控要求，具有良好的系統(tǒng)實時性、安全性和靈活性。

無人值守變電站電氣設備智能監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)屬于智能電網(wǎng)建設的一部分，本設計可以豐富無人值守變電站的在線監(jiān)測技術和狀態(tài)檢修技術，可以有效地提高變電站的運行效率。而將無人值守變電站與無線通信技術配合使用，對提高設備的運行可靠性，減小設備的運行維護成本，延長設備使用壽命，有著重要的現(xiàn)實意義。

[1]張鑫．無人值班變電站電氣設備智能監(jiān)控系統(tǒng)[D]．長沙：長沙理工大學，2012：6-7.

[2]高慶敏，和歡，石瑞杰．基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡在變電站監(jiān)測系統(tǒng)中的應用[J]．華北水利水電學院學報，2010（2）：54-55.