基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)研究

張 亮，張 源，馮希寧，萬文華，崔 瀅

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，寧夏銀川 750011；2.寧夏中科恒瑞智能科技有限公司，寧夏銀川 750011）

0 引言

智能變電站在國內(nèi)逐漸成熟與普及，相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)也呈現(xiàn)出智能化的發(fā)展趨勢，讓變電站達(dá)到“無人值班”的效果。在變電站中，它不僅能夠完成對時(shí)效有較高要求的監(jiān)測任務(wù)，還能完成對時(shí)效要求相對較差的監(jiān)測內(nèi)容，如設(shè)備工作狀態(tài)。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢

變電站的智能輔助系統(tǒng)，可以基于已有的功能，巧妙地應(yīng)用計(jì)算機(jī)、通信等手段，促使各系統(tǒng)之間建立有效聯(lián)系，支持電力信息及時(shí)穩(wěn)定傳送與使用，有利于優(yōu)化現(xiàn)代電力控制效果以及調(diào)度安排水平。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在國內(nèi)若干科技領(lǐng)域中都表現(xiàn)出良好的施工狀態(tài)，其變電站的控制系統(tǒng)下能借助設(shè)置不同的傳感裝置，有效及時(shí)采集到變電站工作中產(chǎn)生的各類資料，通過數(shù)據(jù)整合，利于相關(guān)工作者隨時(shí)了解變電站的情況以及系統(tǒng)施工風(fēng)險(xiǎn)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的合理融入，能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)和工作規(guī)范的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，并解決管理系統(tǒng)建設(shè)、成本剖析與運(yùn)行安全等方面的問題，創(chuàng)造出完備、有序的管理?xiàng)l件[1]。

2 智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 無線芯片

輔助監(jiān)控系統(tǒng)中，配置的硬件分成3 類，即協(xié)調(diào)器、路由器與終端裝置，三者硬件的通信單元相同，不同的是程序功能與外接電路。本文討論的監(jiān)控系統(tǒng)，所選擇的無線芯片可實(shí)現(xiàn)在投入較少材料成本的前提下構(gòu)建所需的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。該芯片擁有RF（射頻）收發(fā)器以及強(qiáng)大的CPU，片內(nèi)支持編程閃存，而且RAM 有8 kB，此外還具備諸多可用功能。同時(shí)，多種運(yùn)行模式使其能用在具有超低功耗標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)中，各模式也能在較短時(shí)間內(nèi)完成轉(zhuǎn)換，控制能源消耗量。

2.2 無線通信

在輔助監(jiān)控系統(tǒng)上，無線傳感網(wǎng)絡(luò)選擇Mesh 架構(gòu)，可配備一個(gè)協(xié)調(diào)器、若干路由器與終端。首先，協(xié)調(diào)器需啟動無線網(wǎng)絡(luò)，在選定信道及網(wǎng)絡(luò)ID 后完成啟動操作，并協(xié)助安全層與應(yīng)用層之間進(jìn)行綁定。其中，啟動與配置網(wǎng)絡(luò)屬于該設(shè)備的主要工作，在此之后便相當(dāng)于路由器，后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)動作，對此無明顯的依賴性。其次，路由器是支持其他裝置接入網(wǎng)絡(luò)，為維系工作狀態(tài)一般通過主電源進(jìn)行供電。最后，終端設(shè)備的狀態(tài)對整個(gè)系統(tǒng)沒有直接影響，應(yīng)選擇電池輸送電能且占用空間不大。

不同硬件的架構(gòu)是有區(qū)別的，具體如下：

（1）協(xié)調(diào)器。其是FFD 設(shè)備，輔助監(jiān)控系統(tǒng)中可以把網(wǎng)關(guān)功能與之結(jié)合起來，此項(xiàng)功能可將協(xié)調(diào)器獲得的數(shù)據(jù)，利用以太網(wǎng)、串口等傳送到外網(wǎng)。在主協(xié)調(diào)器中，涉及到電源、網(wǎng)關(guān)與無線通信，其中的無線通信，保障協(xié)調(diào)器的正常使用。而協(xié)調(diào)器功能是借助無線芯片搭配外圍芯片、天線組合達(dá)成，射頻信號經(jīng)過放大處理后由天線發(fā)出，而網(wǎng)關(guān)功能將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)施管理及轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）路由器。其支持終端設(shè)備的通信，在設(shè)備啟動時(shí)會就近連接路由器、將對應(yīng)數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器，并把后者的反饋內(nèi)容傳輸給終端。借助路由器還能為工作者的定位提供參考數(shù)據(jù)，根據(jù)終端的信號強(qiáng)弱程度分析終端定位以及參考點(diǎn)之間的相對點(diǎn)位。通常情況下路由器保持工作狀態(tài)，所以選擇主電源進(jìn)行供電，同樣通過無線芯片搭配外圍芯片、天線組合實(shí)現(xiàn)自身功能。

（3）監(jiān)控終端。其負(fù)責(zé)采集傳感裝置測量的信息，利用路由器傳送至協(xié)調(diào)器，而后借助網(wǎng)關(guān)傳達(dá)給變電站的智能管理系統(tǒng)，完成對應(yīng)的業(yè)務(wù)處理。監(jiān)控終端一般屬于周期性“休眠”狀態(tài)，所以能選擇電池供電的模式。

（4）工作者的定位終端。其是基于相對位置信息，確定二維層面上的位置。輔助管理系統(tǒng)將工作者定位資料，實(shí)時(shí)發(fā)送到監(jiān)控云臺上，后者按照位置數(shù)據(jù)改變視頻角度，對工作者進(jìn)行跟蹤式拍攝。另外，借助相對位置資料完成業(yè)務(wù)區(qū)域劃分，構(gòu)建起電子圍欄。由于定位終端需要保持實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)且是工作者自己攜帶在身上，所以要選擇電池供電（表1）。

表1 硬件設(shè)備參數(shù)

在智能化的輔助監(jiān)控系統(tǒng)下，根據(jù)電源供電需要與工作場合的差異，總結(jié)出3 個(gè)運(yùn)行模式，分別為所用變供電、電池與感應(yīng)電流的取能線圈。在變電站運(yùn)行中，線纜與開關(guān)、母排節(jié)點(diǎn)實(shí)施線上監(jiān)控，以掌握溫度情況。對于該類監(jiān)控的終端，能選擇感應(yīng)電流的則采用能線圈完成供電，這樣不僅能解決常規(guī)的布線問題，還能避免電池?fù)Q新操作的問題。取能電源包括取能鐵心和線圈、補(bǔ)償鐵心、沖擊保護(hù)模塊等，取能鐵心與補(bǔ)償鐵心均需運(yùn)用軟磁材料，并且前者初始磁導(dǎo)率相對偏高，二者為反向串聯(lián)，在遇到大電流時(shí)通過感應(yīng)電動勢的有效抵消、控制熱耗量[2]。

變電站的高壓開關(guān)柜屬于封閉式的強(qiáng)磁干擾空間，因此，裝配于該空間中的傳感單元，需運(yùn)用有效舉措，避免電磁干擾。基于抗干擾問題，電磁兼容方法是具備可行性的。現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)時(shí)，需從干擾源、耦合情況、敏感度入手，結(jié)合元器件、加工技術(shù)、運(yùn)行條件等進(jìn)行決策。基于電磁干擾狀況，選擇濾波及接地等方法。高壓開關(guān)柜在發(fā)生事故的同時(shí)，會發(fā)生明顯的電磁暫態(tài)，這對系統(tǒng)會產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾。為解決以上問題，建議電路印制板處理中采用下述抗干擾方法：①控制電源線與地線阻抗噪聲，通過擴(kuò)大地線尺寸、控制導(dǎo)線電阻值，讓地線支持通過的電流，實(shí)現(xiàn)合理化增加；②通過使接電線形成閉合回路，能縮短整體環(huán)路，控制線路阻抗，降低干擾問題；③印制板上布置若干集成電路，在部分元件耗電明顯時(shí)，地線處會產(chǎn)生明顯的電位差，集成器件對應(yīng)電源線與地線，連接去耦合電容，繼而縮短電源傳送長度；④電源的設(shè)置按照電流情況，應(yīng)使導(dǎo)線尺寸盡可能地?cái)U(kuò)大，并且使電源新與地線的布置方向需和數(shù)據(jù)線相同，這也利于提高抗噪聲的水平。

2.3 系統(tǒng)軟件

輔助監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)條件是：同時(shí)允許若干單片機(jī)與可視化的開發(fā)條件；將連接及編譯等諸多工具集約在一起，保障系統(tǒng)應(yīng)用的便利性；支持調(diào)試匯編語言；監(jiān)控CPU 及內(nèi)存等當(dāng)前狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)單步運(yùn)行模式，切實(shí)讓相應(yīng)處理及模擬操作更為快捷。在系統(tǒng)中，傳感裝置的采集、協(xié)議棧、通信等均屬于系統(tǒng)軟件需處理的問題。其中，采集工作能利用無線芯片中MCU 實(shí)現(xiàn)；協(xié)議棧運(yùn)行于操作系統(tǒng)中，根據(jù)任務(wù)調(diào)度安排，借助相應(yīng)的事件觸發(fā)，開展調(diào)度動作，各任務(wù)中涉及到若干事件，并且各自擁有唯一的事件號。在某事件出現(xiàn)后，隨即生成事件號，由此進(jìn)入任務(wù)處理環(huán)節(jié)。鑒于變電站智能監(jiān)控在節(jié)點(diǎn)通用性以及標(biāo)準(zhǔn)化的方面考量，需選擇兼容性突出的協(xié)議棧，本文討論的協(xié)議棧的主體結(jié)構(gòu)是：APP 為應(yīng)用層目錄，是使用者構(gòu)建的各個(gè)項(xiàng)目區(qū)域；HAL 為硬件層目錄，包括和硬件相關(guān)的配置信息及操作函數(shù)；MAC 則保存參數(shù)配置的資料；HWK 為網(wǎng)絡(luò)層目錄，包含系統(tǒng)相應(yīng)層的配置資料與函數(shù)接口文件等；OSAL 屬于操作系統(tǒng)，為整個(gè)協(xié)議棧的關(guān)鍵核心。

3 智能輔助監(jiān)控系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

以設(shè)備的溫度監(jiān)控為例，在變電站的日常運(yùn)維中應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的參數(shù)量為：對實(shí)時(shí)性有較高標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)，如電流、電壓，可選擇有線的穩(wěn)定輸送；而對于實(shí)時(shí)性沒有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的高壓裝置工作狀態(tài)參數(shù)，如觸頭溫度、環(huán)境條件等，對應(yīng)的檢測事項(xiàng)較多，并且綜合絕緣性能、現(xiàn)場布線條件等，不適宜選擇有線模式，可利用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在變電站中，開關(guān)觸點(diǎn)及母排等極易出現(xiàn)發(fā)熱的情況，以往的管理模式下均會借助人工的方法采取紅外測溫處理，任務(wù)量較多，同時(shí)不能保障隨時(shí)掌握各節(jié)點(diǎn)的溫度變化。在智能輔助監(jiān)控下，在關(guān)鍵發(fā)熱區(qū)域布置溫度傳感裝置，依托于無線網(wǎng)掌握各節(jié)點(diǎn)的溫度狀態(tài)，完整保留記錄信息。在設(shè)備溫度超出初始設(shè)定的區(qū)間或溫度變化太過突然，系統(tǒng)均會發(fā)出警報(bào)，提醒運(yùn)維工作者按照采集到的溫度信息，執(zhí)行針對性的處理操作。該監(jiān)控系統(tǒng)在精度、抗干擾性、功耗及應(yīng)用年限方面都有良好表現(xiàn)，能長時(shí)間用于環(huán)境較差的工作場景。

例如，高壓開關(guān)柜屬于現(xiàn)代電力系統(tǒng)下比較關(guān)鍵的高壓成套裝置，根據(jù)線路方案，將一次設(shè)備與二次設(shè)備集中于柜內(nèi)，這種布置方式不僅能省去部分空間、降低設(shè)備的安裝難度，還可以優(yōu)化空間環(huán)境。變電站中可針對變壓器以及線路實(shí)施保護(hù)管控。

本文討論的觸頭為開關(guān)柜內(nèi)靜觸頭與斷路裝置觸頭，后者是梅花狀結(jié)構(gòu)。開關(guān)柜運(yùn)行中，電流通過觸頭后，出現(xiàn)熱損耗，借助傳導(dǎo)及輻射、對流等，分散在介質(zhì)中。接觸點(diǎn)的空氣對流速度較慢，在熱分析中僅需關(guān)注內(nèi)部的傳導(dǎo)散熱問題，不必考慮輻射及對流的干擾。因此，直接把測溫模塊布置于觸頭上即可。關(guān)于開關(guān)柜中的觸點(diǎn)溫度，因?yàn)橛|點(diǎn)之間的距離較小，無足夠空間布置測溫標(biāo)簽，因此采取延伸至外部的方式，將信號發(fā)送單元布置在斷路器，延伸傳感裝置則直接安裝在梅花觸頭處。在測溫標(biāo)簽開始運(yùn)行后，無線傳感單元會對其定時(shí)喚醒。在標(biāo)簽成功喚醒后，通過測溫傳感裝置獲取的溫度信號，會轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，經(jīng)過最近的路由器，發(fā)送至管理系統(tǒng)。后者收到所有觸點(diǎn)傳感裝置采集的溫度信息，保留完整記錄，生成變化曲線。如果曲線超出設(shè)定上限以及發(fā)生上升幅度過大的情況，則自動發(fā)出警報(bào)[3]。

4 結(jié)束語

通過上述分析可以看出，將物聯(lián)網(wǎng)融入到智能變電站的開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)對站內(nèi)設(shè)備工作狀態(tài)的有效監(jiān)控，進(jìn)一步加深智能化的程度，給站內(nèi)的全方位調(diào)控提供技術(shù)保障，這對于國內(nèi)電力領(lǐng)域建設(shè)有著重要意義。