基于物聯網的變電站智能監測系統設計

王澤忠，王 軍

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200）

0 引 言

變電站是銜接智能電網的發電、輸電、配電、用電以及調度各大環節的關鍵，對變電站進行智能化監測可有效提高電網系統的平穩性[1]。對于一般的變電站而言，監測、報警與災后處理都是相互獨立的，這樣的系統需要更多的工作人員，成本較高，因此建立智能化的集中監測系統顯得極其重要[2]。

物聯網作為一種常用的通信技術，它可以有效整合物理設備和信息，將物聯網技術應用于變電站監測系統將大大提高系統的運行效能[3,4]。基于物聯網的智能變電站保留了傳統變電站監測系統的功能，新添了很多分布式新能源的接口，子系統實時采集到的數據能及時傳至系統網絡上實現數據共享，從而實現系統的遠程控制[5]。

1 智能變電站監測系統結構

傳統智能變電站的監測系統主要由過程層、間隔層以及站控層3層組成[6]。每一層各自負責不同的任務，共同協作完成系統數據的采集、監視以及控制。

過程層簡單來說指的就是系統中用于檢測的智能化電氣設備，這些智能設備主要是由一次設備和智能組件組成[7]。光磁效應的互感現象能夠實現能源的重復利用，這個發現將被用于一次設備上，從而實現一次設備的智能化。與此同時，這項技術的應用使得間隔層與過程層之間利用光信號完成通信變的具有可操作性。另一方面，集成電路的發展也為提升變電站的自動化水平提供了良好的途徑[8]。

間隔層主要是由一些二次裝置組成，包括繼電保護裝置和故障錄波裝置等，主要負責完成過程層與設備之間的信息交換。站控層的主要功能是將全站的實時信息進行匯總，并及時將這些信息傳輸至調度中心[9]。當接收到上級命令時，它還需將這些信息轉發至間隔層和過程層進行處理。

2 基于物聯網的智能變電站監測系統硬件設計

基于物聯網的智能變電站監測系統不僅可以實現傳統監測系統的所有功能，還可以實現電源的分布管理，它的硬件系統在原有基礎上加入了分布式新能源接口[10]。

基于物聯網的智能變電站監測系統主體上可分為3個模塊。第一個模塊是傳感器監控模塊，主要負責采集系統各個參數的數據，是系統其他部分行動的依據；第二個是智能集控管理模塊，主要負責利用智能算法對采集到的信息進行分析與處理；第三個是數據動態交互模塊，負責將數據信息存儲起來，形成系統化的管理。基于物聯網的智能變電站監測系統總體框架如圖1所示。

圖1 基于物聯網的智能變電站監測系統總體框架

2.1 協調器節點設計

協調器節點的主要任務有3個，一是負責建立無線局域網，完成數據的發送與接收；二是對數據進行處理與分析，并將這些數據存在一個特定的區域內；三是負責GPRS協議的轉換。協調器節點按CC2530的方式進行設計，在設計時考慮到CC2530的發出功率不足以滿足系統的需要，因此需要射頻模塊CC25910放大信號。在近場區，無線射頻模塊電磁輻射強度H可以表達為：

式中，I為射頻模塊的工作電流；A為電路的橫截面積，D為發射距離。

進場區的電場強度E表達為：

式中，f為無線模塊的工作頻率。

當遠距離發射時，該模塊的磁場效應可忽略不計，電場強度可近似為：

在本文設計的系統中，節點截面積為40 mm×50 mm，工作電流為40 mA，工作頻率為2.4 GHz，遠近場的分界點為0.11 m，將上述數據代入式（3），得出的數據不足以對電力設備產生干擾，由此可以得出ZigBee無線模塊發出的電磁信號不會導致電站設備無法正常運轉。

協調器節點的工作對電的需求量大，因此最好采取自給供電的方式。本文選擇交流互感方式供電，將電流互感器安裝在母線上，母線再對電流進行一些整流、濾波以及穩壓等處理后將電流傳至系統的各個節點。協調器節點硬件的模塊框圖如圖2所示。

圖2 協調器節點框圖

2.2 終端節點設計

本系統主要采用終端節點，主要功能有以下3個。一是負責采集系統各個參數的數據，二是實現遠程監控和控制系統的運轉，三是在系統運轉異常時可以及時報警，為系統的安全穩定運轉提供了良好的保障。

終端節點的主要組成部分包括傳感器部分、通信模塊CC2530以及電源。無線通信模塊是系統的通信接口，既負責采集傳感器的數據和一些控制信號的交換，也負責將收集到的信息通過網絡傳送至協調器節點。電源模塊是系統穩定運轉的能量保障，一般情況下使用微型電池。終端節點硬件框圖如圖3所示。

圖3 終端節點框圖

3 基于物聯網的智能變電站監測系統主要模塊設計

3.1 傳感網監控模塊設計

為了收集電纜溝水位數據信息，系統對排水節點進行了監測。系統監測了變壓器油溫、變壓器繞組溫度以及電纜頭的溫度，采集了SF6微水密度和泄露電流的數據，從而可以監測SF6泄露節點和避雷器絕緣節點。為了達到監測圖像和啟動報警機制的目的，系統安裝了攝像頭和聲光報警器。

在數據的采集過程中，高溫、高壓以及磁場等會對數據采集工作產生干擾，因此在各個傳感器上安裝了抗干擾元件。

3.2 智能集控管理模塊

智能集控管理模塊的主要工作是將監控模塊得到的數據進行處理和分析，并將分析結果發送至監控模塊，與此同時，智能集控管理模塊還需將數據和分析結果通過GPRS傳送至數據庫。

智能集控管理模塊還具有報警功能，當系統工作運轉不正常時，該模塊主動將系統異常運轉類型與導致系統異常的位置一起發送給系統維護者，這有助于快速的獲取系統異常信息并及時做出處理。

3.3 數據動態交互模塊

數據動態交互模塊主要由兩個部分組成，一部分是數據庫，它主要是負責集控管理模塊上傳的數據信息，并將這些信息存入數據庫中。另一部分是客戶機，屬于該系統的用戶不僅可以通過網頁版瀏覽關于系統運轉情況的信息，還可以通過下載手機軟件或從微信公眾號中獲取系統運轉情況。

4 智能變電站軟件設計

基于物聯網的智能變電站系統的功能在于對變電站的故障進行分析與判斷，使得工作人員可以及時進行處理，保障變電站工作人員及設備的安全，提高變電站的穩定性。變電站的軟件系統需要監測影響變電站工作的各個參數，如變壓器溫度、負載以及鐵芯接地電流等。將監測數據存儲在數據庫中，同時分析數據，判斷變電器的工作狀態。軟件功能分析如圖4所示。

圖4 軟件功能分析

軟件系統的具體運轉流程如圖5所示。

圖5 軟件運行流程

5 結 論

本文利用物聯網技術的高效能力實現了智能變電站監測系統中人與物以及物與物之間的信息交換，有效地提高了變電站監測的智能化程度。該系統主要采用分布式的結構實現數據的實時采集，對傳感器獨立供電，提高了該監測系統的可靠性。隨著智能電網的不斷發展，智能變電站的在線監測系統必然會占據越來越重要的地位。