預(yù)裝式變電站智能監(jiān)測與健康評估系統(tǒng)設(shè)計*

姜貝貝,江 冰

（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022）

預(yù)裝式變電站智能監(jiān)測與健康評估系統(tǒng)設(shè)計*

姜貝貝,江 冰

（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022）

在“綠色經(jīng)濟、低碳經(jīng)濟”大背景下，國網(wǎng)公司提出“兩型一化”電力設(shè)備的建設(shè)要求，即環(huán)境友好型、資源節(jié)約型、工業(yè)化要求，智能化預(yù)裝式變電站在配電網(wǎng)中則是發(fā)電機組接入電網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了預(yù)裝式變電站主電量數(shù)據(jù)硬件監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對預(yù)裝式變電站主電量數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、無線傳輸和數(shù)據(jù)處理。分析預(yù)裝式變電站主設(shè)備健康評估技術(shù)需求，引入模糊綜合評判法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、灰色關(guān)聯(lián)理論和DS信息融合技術(shù)，提出基于預(yù)裝式變電站主設(shè)備的健康評估模型，實現(xiàn)對機組運行的健康評估，為智能化預(yù)裝式變電站安全鑒定提供參考依據(jù)。仿真結(jié)果表明，該方法是切實可行的。

預(yù)裝式變電站；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；灰色關(guān)聯(lián)；主電量數(shù)據(jù)監(jiān)測；智能電網(wǎng)；信息融合

1 引言

隨著新一代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，將“互聯(lián)網(wǎng)+”與現(xiàn)代設(shè)備制造業(yè)相結(jié)合已經(jīng)成為未來發(fā)展趨勢，其代表之一——智能電網(wǎng)的研究方興未艾。為了保證電力系統(tǒng)平穩(wěn)、安全的運行，對預(yù)裝式變電站主電量數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測意義重大，可以有效避免因電力設(shè)備主電量數(shù)據(jù)異常而造成的損失。目前，對預(yù)裝式變電站運行狀態(tài)監(jiān)測主要集中在變壓器、開關(guān)柜等設(shè)備參數(shù)。文獻[1]提出了基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)通信方式的預(yù)裝式變電站溫度監(jiān)控系統(tǒng)，文獻[2]提出了一種基于GSM短信業(yè)務(wù)的預(yù)裝式變電站監(jiān)測系統(tǒng)，文獻[3]提出了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的預(yù)裝式智能變電站的監(jiān)測系統(tǒng)。當(dāng)前，預(yù)裝式變電站健康評估系統(tǒng)采用不同算法設(shè)計，文獻[4]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和信息融合技術(shù)實現(xiàn)評估功能，文獻[5]將支持向量機與模糊綜合評判方法融合評估了變電站二次設(shè)備狀態(tài)。

本系統(tǒng)主要研究基于物聯(lián)網(wǎng)的預(yù)裝式變電站主電量數(shù)據(jù)監(jiān)測與健康評估系統(tǒng)設(shè)計。本系統(tǒng)建立在Zigbee與4G無線通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，以采用S3C2440A為處理器搭建電量數(shù)據(jù)監(jiān)測電路。使用C#編程語言完成實時監(jiān)測系統(tǒng)與健康評估系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

所設(shè)計的預(yù)裝式變電站主電量數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)主要功能是實時采集預(yù)裝式變電站電力設(shè)備的主電量數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程監(jiān)控軟件中，對數(shù)據(jù)進行處理實現(xiàn)對其健康評估。預(yù)裝式變電站主電量數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的整體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。主電量數(shù)據(jù)實時監(jiān)測系統(tǒng)主要包括處理器模塊、電能采集模塊、高低壓開關(guān)驅(qū)動模塊和無線傳輸模塊。軟件系統(tǒng)包括實時監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和健康評估模塊。其中，處理器模塊使用三星S3C2440A處理器，存儲芯片采用EN29LV160AB芯片。電能采集模塊采用IDT90E36電能計量芯片，結(jié)合信號調(diào)理電路，系統(tǒng)設(shè)計對預(yù)裝式變電站電力設(shè)備進行高低壓電壓、電流同步采集。高低開關(guān)驅(qū)動模塊包括與處理器控制輸出端相連的光耦模塊和繼電器元件。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊采用基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的Zigbee節(jié)點進行組網(wǎng)，系統(tǒng)組網(wǎng)采用星型網(wǎng)結(jié)構(gòu)，采用7個節(jié)點進行系統(tǒng)設(shè)計，其中六個節(jié)點作為主電能數(shù)據(jù)采集節(jié)點，一個節(jié)點用作為協(xié)調(diào)器節(jié)點。主電能數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集到的電能數(shù)據(jù)通過Zigbee無線傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點通過對數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理通過3G/4G技術(shù)傳輸?shù)杰浖蛻舳酥?。軟件系統(tǒng)中健康評估采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估算法、灰色關(guān)聯(lián)評價法和基于D-S的數(shù)據(jù)融合技術(shù)。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 主電量采集硬件設(shè)計

對預(yù)裝式變電站中各電力設(shè)備電流、電壓信號數(shù)據(jù)實時采集是智能電網(wǎng)的核心之一。所設(shè)計的主電量采集硬件運用于配電網(wǎng)的電壓、電流的采集。其硬件設(shè)計如圖2所示，電能計量模塊采用IDT90E36電能計量芯片，其工作頻率在16.384MHz,其芯片提供三路電壓和電流的A/D采樣，支持所設(shè)計的高低壓測的電壓、電流的同步采集。根據(jù)不同相路，設(shè)計連接了若干個分別采集相應(yīng)電壓、電流互感器。各互感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)理電路傳輸至電能計量模塊，從而獲得電壓、電流數(shù)據(jù)，同時計算出功率因數(shù)與功率數(shù)據(jù)。

圖2 主電量采集硬件電路

3.2高低壓開關(guān)驅(qū)動硬件設(shè)計

在預(yù)裝式變電站出現(xiàn)主電量數(shù)據(jù)嚴重異常時，及時斷開高低壓開關(guān)能保證整個電力系統(tǒng)的安全。所設(shè)計的高低壓開關(guān)驅(qū)動控制電路包括光耦模塊和與光耦模塊相連的繼電器。如設(shè)計圖3所示，光耦模塊分為第一光耦和第二光耦，分別控制高、低壓開關(guān)，其輸出端均采用串聯(lián)方式，同時將工作電壓接入到繼電器的線圈中。第一光耦的發(fā)光體陽極連接處理器S3C2440的第一控制輸出端，并且發(fā)光體陰極接地。第二光耦元件的發(fā)光體陽極連接一高電平，發(fā)光體陰極連接處理器的第二控制輸出端，其設(shè)計能防止由于干擾而造成的I/O口輸出錯誤。驅(qū)動硬件設(shè)計中，在繼電器線圈兩端并聯(lián)了二極管和電容，有效防止繼電器在斷電的瞬間所產(chǎn)生的反向電動勢對電路造成的不良影響。

3.3 無線傳輸硬件設(shè)計

圖3 高低壓開關(guān)驅(qū)動硬件電路

根據(jù)預(yù)裝式變電站現(xiàn)場的實際情況，無線傳輸硬件設(shè)計在Z-Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上構(gòu)建無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，其拓撲結(jié)構(gòu)為星型網(wǎng)結(jié)構(gòu)，包括六個終端節(jié)點和一個協(xié)調(diào)器節(jié)點。Zigbee節(jié)點根據(jù)不同配置文件，進行工作模式的選擇。如圖4所示為本系統(tǒng)設(shè)計的終端節(jié)點的工作流程圖。如圖5為本系統(tǒng)設(shè)計的協(xié)調(diào)器的工作流程圖。路由器本系統(tǒng)選用第二代單網(wǎng)口工業(yè)級3G路由器，支持10/100M自適應(yīng)RJ45口和RS232或RS485數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 終端節(jié)點工作流程圖

圖5 協(xié)調(diào)器工作流程圖

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

針對預(yù)裝式變電站的運行狀態(tài)，如三相電流、電壓、油溫等參數(shù)，外加環(huán)境狀態(tài)，如環(huán)境氧氣含量、溫濕度等參數(shù)，綜合考慮所述變量參數(shù)，設(shè)計了預(yù)裝式變電站主電量數(shù)據(jù)監(jiān)測異構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)，進行主電量數(shù)據(jù)的采集。

所設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包含物聯(lián)網(wǎng)信息感知層、節(jié)點匯聚網(wǎng)絡(luò)層、信息處理和應(yīng)用管理層四層系統(tǒng)構(gòu)架。從而實現(xiàn)基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)對預(yù)裝式變電站的主電量數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測與管理。其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖6所示：

圖6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)信息感知層主要包含對預(yù)裝式變電站運行時主電量數(shù)據(jù)參數(shù)的采集。整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過無線傳感器組網(wǎng)，即終端節(jié)點-路由節(jié)點-匯聚節(jié)點的方式，選用IEEE802.15.4無線通信協(xié)議，通過3G/4G、Zigbee傳送到中心站。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用C/S模式進行設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計分為三層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對預(yù)裝式變電站主電量數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、健康評估以及用戶信息管理等功能。如圖7為本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在預(yù)裝式變電站主電量數(shù)據(jù)實時監(jiān)測系統(tǒng)中，監(jiān)測的數(shù)據(jù)實時顯示與異常數(shù)據(jù)的報警集成在同一界面中。數(shù)據(jù)存儲使用Sqlsever2008數(shù)據(jù)庫管理軟件，實時數(shù)據(jù)保存采用.NET平臺下的數(shù)據(jù)庫訪問接口技術(shù)ADO從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)鏈接。

5.1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

所設(shè)計的系統(tǒng)軟件由訪問層、服務(wù)層和管理層構(gòu)成。各層級相互分離但又相互聯(lián)系。系統(tǒng)軟件各層級的設(shè)計如下：

圖7 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

（1）訪問層：該層級處于整個系統(tǒng)的頂層，主要為用戶提供界面引導(dǎo)服務(wù)。該層為整個系統(tǒng)開發(fā)與運維提供了平臺。

（2）服務(wù)層：該層為整個系認實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和程序正確運行功能。所設(shè)計的系統(tǒng)核心算法集中在該層。服務(wù)層與下一層的數(shù)據(jù)層緊密聯(lián)系，兩層不斷的進行數(shù)據(jù)信息的交換。

（3）數(shù)據(jù)層：該層為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。所監(jiān)測的預(yù)裝式變電站主電量數(shù)據(jù)信息以及標(biāo)準(zhǔn)化處理信息存放在該層。程序運行時該層與服務(wù)層進行數(shù)據(jù)傳輸與交換。同時，管理層對外提供訪問服務(wù)，具有較強的數(shù)據(jù)訪問特性。

5.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

所設(shè)計的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模塊以SqlSever2008作為存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，結(jié)合數(shù)據(jù)庫訪問接口技術(shù)ADO實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的動態(tài)連接。系統(tǒng)利用多線程和Socket網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)開發(fā)服務(wù)器端軟件，針對不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)參數(shù)類型，給出不同的數(shù)據(jù)庫表設(shè)計方案，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的動態(tài)處理和存儲功能。

6 預(yù)裝式變電站主電量數(shù)據(jù)評估結(jié)果

本研究針對按上述方案設(shè)計的預(yù)裝式變電站主電量數(shù)據(jù)監(jiān)測與健康評估系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)實驗驗證。系統(tǒng)選取的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)來自110KV-50MVA三相雙繞組變壓器，其額定值如表1所示：

表1 額定值

將測試樣本值，放入到本研究設(shè)計的預(yù)裝式變電健康評估系統(tǒng)中進行測試，所得結(jié)果如表2所示：

表2 評估結(jié)果

由評估結(jié)果可得，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色關(guān)聯(lián)評估算法對預(yù)裝式變電站高低壓側(cè)的電壓、電流分別進行健康評估，其各自結(jié)果使用D-S信息融合計算進行融合，判斷出預(yù)裝式變電站當(dāng)前的狀態(tài)情況。實際操作界面如圖8所示：

圖8 操作界面

7 結(jié)束語

對預(yù)裝式變電站主電量數(shù)據(jù)監(jiān)測與健康評估系統(tǒng)進行了研究。運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行主電量數(shù)據(jù)監(jiān)測硬件設(shè)計，運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色關(guān)聯(lián)理論和D-S信息融合技術(shù)實現(xiàn)了對預(yù)裝式變電站的健康評估，通過實例驗證了該系統(tǒng)的可行性以及健康評估的有效性，為未來構(gòu)建智能預(yù)裝式變電站奠下基石。

[1]李小博,黃新波,陳紹英,等.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能變電站設(shè)備溫度綜合監(jiān)測系統(tǒng) [J].高壓電器,2011,47(8):18-21.Li Xiaobo,Huang Xinbo,Chen Shaoying et al.Zigbee Network-based Intelligent Substation Temperature Monitoring System[J].High Voltage Apparatus,2011,47(8):18-22.

[2]郭學(xué)梅,劉曙光,王宏斌.基于GSM短信息業(yè)務(wù)的預(yù)裝式變電站監(jiān)測系統(tǒng)[J].電力自動化設(shè)備,2003,23(6):65-67.Guo Xuemei,Liu Shuguang,Wang Hongbin.Prefabricated Substation Supervisory System Based on GSM Short Message Service[J].Electric Power Automation Equipment,2003,23(6):65-67.

[3]何金鑫.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能變電站環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[D].安徽：安徽理工大學(xué)，2016.He Jinxin.The Design of Environmental Monitoring System in Smart Substation Based on Wireless Sensor Network[D].An-Hui：AnHui University OF Science&Technology,2016.

[4]阮羚，謝齊家，高勝友，等.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和信息融合技術(shù)在變壓器狀態(tài)評估中的應(yīng)用[J].高電壓技術(shù)，2014,40(3):822-828.Ruan Ling,Xie Qijia,Gao Shenyou,et al.Application of Artificial Neural Network and Information Fusion Technology in Power Transformer Condition Assessment[J].High Voltage Engineering,2014,40(3):822-828

[5]馬博，董海鷹，任偉.基于模糊綜合支持向量機的特高壓變電站二次設(shè)備狀態(tài)評估[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2014,23(9):191-197.Ma Bo,Dong Haiying,Ren Wei.Status Assessment of UHV Substation Secondary Equipment Based on Fuzzy Comprehensive Support Vector Machine Method[J].Computer Systems&Applications,2014,23(9):191-197.

[6]陳朋永.基于層次分析的GIS運行狀態(tài)模糊綜合評估研究[D].保定：華北電力大學(xué),2013.Chen Pengyong.Gas Insulated Switchgear Running State Comprehensive Evaluation Based On Analytic Hierarchy Process of Fuzzy Theory[D].Baoding:North China Electric Power University,2013.

[7]王曉亮,董海鷹,任偉.基于信息融合的750kV電網(wǎng)二次設(shè)備狀態(tài)評估[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2013,25(1):40-46.Wang Xiaoliang,Dong Haiying,Ren Wei,State Evaluation of Secondary Device In 750 kV Power Grid Based On Information Fusion[J].Proceedings of the CSU—EPSA,2013,25(1):40-46.

[8]HOSPFIELD J.Neural Networks and Physical Systems With Emergent Collective Computer Abilities[J].Proc Natl Acad Sci,1982,79(6):2554-2558.

[9]Liu S,Ding L W,Zeng H H.Design and Implementation of IntegratedProtectionApparatusinPrefabricatedSubstation[J].AutomationofElectricPowerSystems,2003(5):2804-2808.

[10]鄭含博.電力變壓器狀態(tài)評估及故障診斷方法研究[D].重慶：重慶大學(xué),2012.Zheng Hanbo.Study on Condition Assessment and Fault Diagnosis Approaches for Power Transformers[D].Chongqing：Chongqing University,2012.

[11]陳發(fā)廣,周步祥,曾瀾鈺.基于多信息融合的變壓器運行狀態(tài)評估模型[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2013,25(4):140-144.Chen Faguang,Zhou Buxiang,Zeng Lanyu.State Evaluation Modelof Transformer Operation Based on Multi-information Fusion[J].Proceedings of the CSU-EPSA,2013,25(4):140-144.

[12]張樺,魏本剛,李可軍,等.基于變壓器馬爾可夫狀態(tài)評估模型和熵權(quán)模糊評價方法的風(fēng)險評估技術(shù)研究 [J].電力系統(tǒng)保護與控制,2016,44(5):134-140.Zhang Hua,Wei Bengang,Li Kejun et al.Research on Risk Assessment Technology Based on Markov State Evaluation Model for Power Transformer and Entropy-weighted Fuzzy Comprehensive Evaluation[J].Power System Protection and Control,2016,44(5):134-140.

[13]王新普,周想凌,刑杰,楊軍.一種基于改進灰色BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合的光伏出力預(yù)測方法 [J].電力系統(tǒng)保護與控制,2016,44(18):81-87.Wang Xinpu,Zhou Xiangling,Xing Jie,Yang Jun.A Prediction Method of PV Output Power Based on the Combination of Improved Grey Back Propagation Neural Network[J].Power System Protection and Control,2016,44(18):81-87.

[14]薛浩然,張珂珩,李斌，等.基于布谷鳥算法和支持向量機的變壓器故障診斷[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2015，43(8):8-13.Xue Haoran,Zhang Keheng,Li Bin,et al.Fault Diagnosis of Transformer Based on the Cuckoo Search and Support Vector Machine[J].Power System Protection and Control,2015,43(8):8-13.

[15]Toledo O M,Oliveira Filho D,Diniz A S A C.Distributed photovoltaic generation and energy storage systems:A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2010,14(1):506-511.

Design of Intelligent Monitoring and State Evaluation System for Prefabricated Substation

Jiang Beibei,Jiang Bing
(College of Internet of Things Engineering,Hohai University,ChangZhou,213022)

Under the background of"green economy,low carbon economy",State Grid Corporation of China proposed the recommendations of"two-type and one-ization"of power equipment,that is environmentallyfriendlytype,resource-savingtypeand industrialization,intelligentprefabricated substation is the key component of the generator connected to the grid in distribution network.A prefabricated substation main power capacity data hardware monitoring system is designed on the basis of IoT,which realizes real-time monitoring,wireless transmission and data processing of prefabricated substation main power data.Analysing the technology requirement of prefabricated substation main equipment state assessment,the fuzzy comprehensive evaluation method,neural network algorithm,grey correlation theory and DS information fusion technology are introduced,and the model of the state assessment based on prefabricated substation main equipment is proposed,which realizes the state evaluating to unit operation,and provides reference on safety appraisal of intelligent prefabricated substation.The simulation results show that this method is practical and operable.

Prefabricated substation；BP neural network；Gray correlation；Main power data monitoring；Smart Grid；Information fusion

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.04.019

TP202

B

1002-2279-（2017）04-0077-05

常州市科技攻關(guān)項目（CE20150086）

姜貝貝（1991—），男，江蘇省海門市人，碩士研究生，主研方向：信息獲取與處理。

江冰（1960—），女，江蘇省常州市人，碩士生導(dǎo)師，主研方向：智能信息處理理論與技術(shù)。

2017-02-22