基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與分層分布式結(jié)構(gòu)的智能變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李穎杰， 黃勇光， 程鵬飛

(1.深圳供電局有限公司南方電網(wǎng)， 廣東，深圳 518000；2.深圳數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司， 廣東，深圳 518000)

0 引言

智能變電站在運(yùn)行過程中采用全自動(dòng)運(yùn)行模式，在運(yùn)行過程中會(huì)存在由于程序運(yùn)行故障而影響變電站運(yùn)行的情況，另外變電站中的電力設(shè)備在正常工作狀態(tài)下時(shí)刻受到電效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)等方面的影響，容易出現(xiàn)老化的問題，會(huì)嚴(yán)重影響到智能變電站的工作效率和效果。為了保證智能變電站安全穩(wěn)定的運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]。

近年來中國的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)取得了較好的研究成果，其中包括基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)[2]、基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)以及基于GIS平臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)。然而傳統(tǒng)智能變電站在線監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控范圍有限，為了解決上述問題，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與分層分布式結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起應(yīng)用到傳統(tǒng)的智能變電站在線監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，其中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要是通過信息傳感設(shè)備與約定的協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息的交互與共享。分層分布式結(jié)構(gòu)是在結(jié)構(gòu)上采用主從CPU協(xié)同工作的方式，將計(jì)算機(jī)中各個(gè)功能模塊之間采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或串行方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，并提高計(jì)算機(jī)處理并行多發(fā)事件的能力。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與分層分布式結(jié)構(gòu)應(yīng)用到智能變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中，可以在解決傳統(tǒng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)問題的同時(shí)，提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

1 基于分層分布式結(jié)構(gòu)的智能變電站在線監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是對(duì)全站電氣設(shè)備、安裝地點(diǎn)以及周邊環(huán)境進(jìn)行全天候的常規(guī)視頻監(jiān)控，同時(shí)能夠與其他子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相互調(diào)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)智能變電站監(jiān)測(cè)的報(bào)警聯(lián)動(dòng)，滿足智能變電站云頂管理對(duì)安全的要求[3]。該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

圖1 智能變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體布局框圖

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和分層分布式結(jié)構(gòu)分別從傳感器、信息通信等多個(gè)方面改裝并連接硬件設(shè)備[4]，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能變電站在線監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

圖2 智能變電站在線監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 無線物聯(lián)傳感器模塊

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)的流向及其處理方式，可以將物聯(lián)網(wǎng)分為三層結(jié)構(gòu)，分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中感知層需要安裝的傳感器包括攝像頭、紅外線、讀寫器等具有感知功能的終端，該類傳感器可以采集物理事件和相關(guān)數(shù)據(jù)[5]。由于在此次設(shè)計(jì)的智能變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)是從智能變電站系統(tǒng)流向監(jiān)測(cè)處理器的，因此可以在智能變電站環(huán)境內(nèi)安裝溫度傳感器、濕度傳感器以及攝像頭等感知類傳感器設(shè)備。

1.2 分層分布式變電站通信體系

按照IEC61850變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)協(xié)議，將智能變電站通信體系分為變電站層、間隔層以及設(shè)備層，形成通信體系的分層分布式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

在圖3中,變電站層就是物聯(lián)網(wǎng)傳感器模塊，間隔層按一次設(shè)備組織，一般按斷路器的間隔劃分，包括測(cè)量、控制和繼電保護(hù)部分[6]。在分層分布式通信網(wǎng)絡(luò)中，若要實(shí)現(xiàn)智能變電站數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線傳輸，需要制定相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議[7]。此次選擇的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議為IEC61850標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在此基礎(chǔ)上確定通信網(wǎng)絡(luò)邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)、構(gòu)建硬件設(shè)備之間的邏輯關(guān)系，并連接通信服務(wù)器形成智能變電站與監(jiān)測(cè)服務(wù)器之間的邏輯通路。

圖3 分層分布式結(jié)構(gòu)圖

1.3 主控芯片與微處理器選型

選擇CC2530作為智能變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控芯片，該芯片融合了收發(fā)器功能，同時(shí)也符合分層分布式通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在運(yùn)行過程中具有高效穩(wěn)定的特點(diǎn)。由于智能變電站監(jiān)測(cè)過程中除了數(shù)據(jù)之外，還有采集的大量視頻圖像，因此占用系統(tǒng)的內(nèi)存空間較大[8]。為了保證系統(tǒng)在上述情況下依舊保持良好的運(yùn)行效率，在主控芯片上內(nèi)置一個(gè)增強(qiáng)型的8051MCU，該設(shè)備的內(nèi)存容量為128GB，且可以直接進(jìn)行閃存編程。由于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算要求較高，因此選用型號(hào)為DSP的微處理器，該設(shè)備可以在無故障的狀態(tài)下長(zhǎng)期連續(xù)工作，且不會(huì)受到外界電磁信號(hào)的干擾和影響。

2 智能變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

在智能變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的目的是為軟件功能的實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支持，數(shù)據(jù)庫大體分為兩個(gè)部分，分別為歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以提供查看與調(diào)用的功能，而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用來反饋給監(jiān)控指揮中心，也是用來判斷智能變電站是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。在各個(gè)數(shù)據(jù)庫表中，又可以根據(jù)智能變電站的監(jiān)測(cè)模塊將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分為變壓器局部放電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、電容型設(shè)備絕緣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、避雷器絕緣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等,以數(shù)據(jù)庫表中斷路器局部放電數(shù)據(jù)為例，確定數(shù)據(jù)庫表的存儲(chǔ)格式。

3 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能變電站在線監(jiān)測(cè)軟件功能設(shè)計(jì)

針對(duì)智能變電站的運(yùn)行要求，在硬件設(shè)備和數(shù)據(jù)庫的支持下設(shè)計(jì)在線監(jiān)測(cè)的軟件功能需要實(shí)現(xiàn)的軟件功能分為兩個(gè)方面，分別為變電站電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和運(yùn)行環(huán)境的監(jiān)測(cè)，根據(jù)得出的監(jiān)測(cè)結(jié)果確定發(fā)生異常的位置，并執(zhí)行報(bào)警程序。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在線采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及相應(yīng)的硬件傳感器設(shè)備，智能變電站按照室內(nèi)監(jiān)控傳感器需要設(shè)置云臺(tái)和位置預(yù)設(shè)的功能，從而滿足變電站內(nèi)視頻動(dòng)態(tài)跟蹤的要求，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與空間的完整性。將硬件系統(tǒng)中的傳感器設(shè)備安裝在云臺(tái)上，一般情況下云臺(tái)可以分為固定云臺(tái)和電動(dòng)云臺(tái)兩種類型，針對(duì)固定云臺(tái)調(diào)整傳感器的水平和俯仰角度即可。而針對(duì)電動(dòng)云臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展監(jiān)控區(qū)域的目的，利用硬件系統(tǒng)中控制設(shè)備精確控制電動(dòng)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行定位，并可以利用相關(guān)的控制程序調(diào)整電動(dòng)云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與續(xù)航時(shí)間。利用控制程序?qū)鞲衅髋c云臺(tái)設(shè)備調(diào)整到工作狀態(tài)，并與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫之間形成通信鏈路，實(shí)時(shí)收集智能變電站環(huán)境中的相關(guān)數(shù)據(jù)和視頻圖像，通過壓縮編碼得出物理網(wǎng)技術(shù)下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集結(jié)果。

3.2 并行數(shù)據(jù)傳輸

以分層分布式結(jié)構(gòu)為依托，借助形成的數(shù)據(jù)傳輸通路，將智能變電站端采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆诰€監(jiān)測(cè)服務(wù)器端。為了提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率，可以利用分層分布式通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行傳輸處理，具體的數(shù)據(jù)傳輸過程如圖4所示。

圖4 智能變電站在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸流程圖

在數(shù)據(jù)傳輸之前首先需要對(duì)其進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，假設(shè)傳感器得出的在線采集數(shù)據(jù)結(jié)果為T1s、T2s和T3s，其中T1s為智能變電站電壓互感器的數(shù)據(jù)采集結(jié)果，T2s為電纜數(shù)據(jù)，T3s為信號(hào)調(diào)理保護(hù)單元，那么三者等效處理得出的傳輸參數(shù)可以表示為

Ts=T1sT2sT3s

(1)

且傳感器的采集結(jié)果滿足式(2)表示的約束條件:

Uis

Iis=TisUi+1s

-Ii+1s

(2)

其中,i的取值為1,2,3。式(2)中Ui和Ii分別為智能變電站時(shí)域信號(hào)變換得出的頻域電壓信號(hào)和頻域電流信號(hào)。經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后，在通信傳輸協(xié)議的約束下，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸。

3.3 實(shí)現(xiàn)智能變電站在線監(jiān)測(cè)功能

3.3.1 變電站環(huán)境監(jiān)測(cè)

智能變電站站內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)主要從三個(gè)方面執(zhí)行，分別為變電站內(nèi)戶外氣象要素的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括大氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水量以及大氣壓強(qiáng)等，另外就是對(duì)站內(nèi)室內(nèi)環(huán)境溫度以及濕度的監(jiān)測(cè)，同時(shí)也需要考慮易浸水區(qū)域的漏水現(xiàn)象。以監(jiān)測(cè)變電站中的相對(duì)濕度為例，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下采集到的濕度數(shù)據(jù)單獨(dú)提取出來，直接顯示在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主界面上，得到變電站環(huán)境濕度的監(jiān)測(cè)結(jié)果。同理可以得出智能變電站其他環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，在分層分布式結(jié)構(gòu)的支持下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸出，以保證在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面上可以同步更新不同的環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.3.2 智能變電站故障監(jiān)測(cè)與報(bào)警

智能變電站故障的監(jiān)測(cè)主要是對(duì)站內(nèi)電氣設(shè)備使用狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中設(shè)置電氣設(shè)備在正常運(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)浮動(dòng)范圍區(qū)間。為了給智能變電站的維修工作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，間接保證變電站的運(yùn)行效率，在監(jiān)測(cè)到故障后需要及時(shí)確定故障發(fā)生的位置。假設(shè)傳感器A、傳感器B和傳感器C監(jiān)測(cè)到設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)異常，則可以直接得出三個(gè)傳感器的位置坐標(biāo)分別為xa,ya、xb,yb和xc,yc，假設(shè)設(shè)備故障位置為Ox,y，則可以得出傳感器與故障位置之間的距離：

da=x-xa2+y-ya2

db=x-xb2+y-yb2

dc=x-xc2+y-yc2

(3)

將式(3)中參數(shù)聯(lián)立，即可得出求解智能變電站設(shè)備故障位置的表達(dá)式為

x

y=2xa-xc2ya-yc

2xb-xc2yb-yc-1

x2a-x2c+y2a-y2c+d2c-d2a

x2b-x2c+y2b-y2c+d2c-d2b

(4)

在智能變電站電氣設(shè)備的監(jiān)測(cè)過程中，明確標(biāo)注出電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)及當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài),當(dāng)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)為異常或故障狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)故障定位程序，在系統(tǒng)的主界面上輸出故障位置的具體坐標(biāo)。

4 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試

此次實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)功能，分別觀察設(shè)計(jì)系統(tǒng)在不同環(huán)境下的監(jiān)測(cè)范圍。設(shè)置實(shí)驗(yàn)的環(huán)境變量為干擾電波，此次系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)共分為8組，分別設(shè)置干擾電波強(qiáng)度為0 dB、0.5 dB、1.0 dB和5 dB。將本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)與文獻(xiàn)[3]進(jìn)行比較,用相同的平臺(tái)開發(fā)，并放置在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下。經(jīng)過對(duì)環(huán)境變量的控制，分別得出2個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在不同環(huán)境下的最大監(jiān)測(cè)距離，并計(jì)算出2個(gè)系統(tǒng)的最大監(jiān)測(cè)面積。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)與計(jì)算得出系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)測(cè)試對(duì)比結(jié)果

從圖5可以看出，2種在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在智能變電站環(huán)境下，干擾強(qiáng)度越大監(jiān)測(cè)范圍越小。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性，在一個(gè)測(cè)試環(huán)境下進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，取得的平均值為最終的測(cè)試結(jié)果。經(jīng)過計(jì)算基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與分層分布式結(jié)構(gòu)的智能變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)控范圍始終大于文獻(xiàn)[3]監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在干擾因素的影響下，監(jiān)測(cè)范圍的縮小程度更小，量化監(jiān)控結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍擴(kuò)大了約60.5%。

2種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的抗干擾性能對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 抗干擾性能對(duì)比結(jié)果

如圖6示，在10 min的監(jiān)測(cè)過程中，文獻(xiàn)[3]經(jīng)過縱向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在干擾因素的影響下,系統(tǒng)承受的干擾量平均值為3.5 dB，而所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的干擾量平均值為0.7 dB，證明該系統(tǒng)的抗干擾性能更強(qiáng)。

5 總結(jié)

在傳統(tǒng)智能變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與分層分布式結(jié)構(gòu)的概念，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能變電站各個(gè)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)設(shè)備在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的故障以及異常問題進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警，具有較強(qiáng)的適用性和安全性。將該系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際的智能變電站的運(yùn)行工作當(dāng)中，應(yīng)用結(jié)果表明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的檢測(cè)范圍得到了明顯擴(kuò)大，且抗干擾性能更強(qiáng)，可以有效地保證變電站的運(yùn)行安全，因此具有較高的應(yīng)用和研究?jī)r(jià)值。