基于物聯網的智能電網故障監控系統研究

劉海妹

(湖南安全技術職業學院，湖南長沙410151)

基于物聯網的智能電網故障監控系統研究

劉海妹

(湖南安全技術職業學院，湖南長沙410151)

作為電力系統的發展方向，智能電網是通過先進的傳感和測量技術、設備和控制技術以及決策支持系統技術的應用，實現電網安全可靠運行的目標。而對智能電網而言，電網的自愈特征是其主要特征之一。為了實現智能電網的自愈功能，提高對電網故障的監控管理是必要措施。分析了智能電網故障決策所面臨的主要技術問題，并利用物聯網技術構建了基于無線傳感網的智能電網故障決策管理系統。系統利用ZigBee技術來構建無線傳感網，節點采用CC2530，節點之間采用簇狀—樹型結構及其算法，提高了故障決策的準確性。

智能電網；故障分析；物聯網

電力作為國家的支柱能源，在國民經濟的可持續發展中起著重要作用。近年來，我國逐漸建起了以特高壓為骨干網架和以各級電網為分區的中國特色電網。而與此同時，基于節能減排目的的風力發電、太陽能發電、燃料電池發電等分布式發電也逐漸加入公共電網。面對這一局面，傳統的電力網絡以及控制措施已經難以支持如此多的發展要求。

針對電力系統發展面臨的這些挑戰，智能電網被認為是有效的解決方案。智能電網是以先進的信息、通信和控制技術為手段，以堅強電網的網架為基礎，構建貫穿發電、輸電、變電、配電、用電和調度全部環節和全電壓等級的電網可持續發展體系[1-2]。

為了保證智能電網的順利運行，加強對智能電網的故障決策管理是一項重要的工作。本文在分析智能電網故障決策主要技術的基礎上，構建了以無線傳感網為核心的電網故障處理系統，提高了系統的自愈能力。

1 智能電網故障監控系統功能分析

一個完善的智能電網故障監測系統，需要具有以下功能：(1)監測電力線路上的存在短路、接地、過負荷、斷線、停電、三相不平衡、盜割、過溫等故障點的運行情況，以最快的速度切斷、隔離故障點，并利用智能算法將電力線路切換至安全線路上；(2)監測線路負荷中的各項電流參數(負荷運行電流、短路動作電流、線路首半波尖峰電流、接地動作電流、穩態零序電流和暫態零序尖峰突變電流等)，及時分析電流參數，保存歷史數據并繪制曲線，用于事故分析和事前預警；(3)監測各線路及接頭部分溫度、電場數據，保存歷史數據并繪制曲線，用于事故分析和事前預警；(4)利用上位機算法，對現場數據進行匯總計算，計算的結果用于控制決策。

目前，國內外在輸電線路中進行故障定位的基本原理是：對于發生故障時電壓、電流的測量值，依據所采用的約束條件(輸電線路故障發生后和故障距離具有某種數學關系的電氣量稱之為約束條件)通過數學計算得出故障距離，從而定位出故障點。當電力系統發生故障時，各種電氣量(電流、電壓、阻抗、相角等)都會立即發生劇烈的變化，從信號的角度來看，可以將其稱之為突變信號，這些信號中包含著豐富的故障信息，需要利用算法對突變量進行分析，小波變換理論就是其中最常用的算法之一。

小波變換是對時間(空間)頻率的局部化進行分析，它通過伸縮平移運算對信號(函數)逐步進行多尺度細化，最終達到高頻處時間細分，低頻處頻率細分，從而實現算法自動適應時頻信號分析的要求，達到聚焦信號的工作目標。

由于小波變換在時域和頻域上具有良好的局部化的性質，因此極大地提升了利用故障分量或者利用突變量來進行繼電保護技術的準確性，不但能夠準確反映故障發生的時間、位置等信息，而且能夠有效地對電力系統或設備進行實時、有效的狀態監測和故障診斷。

圖1 監控系統總體結構圖

2 智能電網故障監控系統總體設計

本監控系統主要由以下三部分組成，圖1為監控系統總體結構圖。

(1)ZigBee無線傳感器網絡

ZigBee無線傳感器網絡的監視區域中，主要包括各類傳感器，如電流、電壓、溫度、濕度等。傳感器和ZigBee無線模塊組成的ZigBee終端節點以星型或網狀拓撲結構連接到監測網絡。

ZigBee網絡按照節點適當的距離部署在監視區域中，將電力線路或設備的運行數據發送到網絡協調器節點。

ZigBee無線傳感網絡的受控區域中，主要包括各類的受控設備，如繼電器、斷路器等，同樣以星型網的拓撲結構組成，在協調器的周圍，通過解析協調器的無線數據達到受控的目的。

ZigBee節點采用CC2530處理器。TI公司的CC2530內部集成了標準增強型8051微處理器和性能優越的RF收發器。當發射功率為1 mW，接收靈敏度為-94 dBm時的誤碼率僅為1%。此外，CC2530允許芯片無線下載以及空中升級，具有不同的運行模式，使得它尤其適合超低功耗要求的系統，運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。圖2為TI公司所提供的CC2530的原理圖。

圖2 CC2530核心板原理圖

(2)監控系統網關

網關的作用主要體現在數據的交換與傳輸，表現在上行和下行兩個方面：上行數據傳輸，主要是通過串口收集協調器的傳感器采集數據，或者是狀態反饋數據通過本身的網絡功能傳輸至互聯網的服務器上；上行數據傳輸，主要是接收互聯網上發來的控制命令，并通過串口轉發到ZigBee網絡的協調器。

另外，網關的實現可以提高系統的擴展性，例如無線局域網、藍牙或Wifi的使用，會提高數據的傳輸性能。

本系統所選用的網關采用32位S3C6410作為RISC微處理器，選用64位內部總線架構，總線包括AXI、AHB和APB總線組成，還具有強大的硬件加速器，可方便地移植Linux操作系統，帶有豐富的USB接口及網卡接口，帶有2G及3G接口，完全可以滿足監控系統的需要。同時系統還配備了Motorola32位單片機作為系統性能的擴充，配置了大容量的FLASH ROM和RAM完成數據的臨時存儲功能，使系統擁有了較強的數據處理能力和較快的處理速度。

(3)監控系統服務器

服務器是監控系統的遠程監控中心，它的功能直接決定著整個系統的穩定性。服務器中的數據也分為上行和下行，上行數據來自于網關，網關通過通信網絡將協調器的匯總數據傳送過來。在本設計中，網關可能采用以太網，也可以采用3G網，因此網關處理器均提供了相應的模塊功能；下行數據所傳輸的是一些控制命令，這些控制命令通過網關及協調器傳輸至終端節點，用來操縱執行機構產生相應的開關動作。

服務器的另一個重要的作用是利用小波變換算法對運行數據進行計算，及時發現故障信息，并發出預警報告。同時，利用ZigBee協議棧中自帶的智能算法，對運行的線路進行及時的調整和切換。

(4)監控系統客戶端

客戶端可以采用PC機、手機等多種形式，主要的功能是遠程監控及發布簡單命令。這些命令發送至服務器，由服務器解析后發送至下位機實現功能操作。

本設計所設計的客戶端是基于安卓的手機客戶端，具體功能模塊如圖3所示。

與服務器的連接程序如下所示：

void Server::incomingConnection(int handle)

{ServerThread*thread=new

//為客戶端創建線程

ServerThread(handle,this,mainWin,this->clientNum);

//添加的客戶端列表中

this->mainWin->socket_add(thread->socket);

this->clientNum++;

thread->start();}

圖3 客戶端功能模塊圖

3 總結

本設計利用無線傳感網構建了智能電網故障監控系統，該系統以ZigBee節點為底層數據采集節點，以S3C6410芯片作為系統網關，上層故障分析程序采用小波變換，并開發了手機端的多線程控制系統作為客戶端程序。

經實際測試，系統具有工作穩定、靈活性強、擴展性好的特點，同時由于嵌入式技術的使用，提高了數據處理的精度和實時性，保證了系統可靠性。

[1]張永健.電網監控與調度自動化[M]．北京：中國電力出版社，2011：3-5.

[2]王進強．含分布式電源的配電網故障定位的應用研究[D]．廣州：廣東工業大學，2011：124-125.

Research of smart grid fault monitoring system based on Internet of things

As the development direction of power system,the smart grid was through the use of advanced sensor and measuring technology,equipment and control technology and application of decision support system technology.To realize the goal of safe and reliable operation of the power grid，and for the smart grid,the grid self-healing character was one of the main features. In order to realize the smart grid self-healing function, improving of the failure monitoring management of power grid was the necessary measures.The main technical problem faced of the smart grid failures decision was analyzed,and the smart grid fault decision system was built based wireless LAN by using the things technology.Wireless sensor network was built using ZigBee technology.CC2530 was used by wireless sensor network's node,and clusters of-tree structure was used as the network structure and algorithm,the accuracy of the fault decision was improved.

smart grid;failure analysis;internet of things

TM 712

A

1002-087 X(2015)10-2275-02

2015-07-03

湖南省教育廳科學研究課題(基于物聯網的智能電網故障監控管理系統研究)

劉海妹(1981—)，女，河北省人，講師，碩士，主要研究方向為電子與通信。