基于物聯網技術的變電站地網分布式監測系統研究

全杰雄，溫才權，黃永豐，楊拯，劉英男

（1.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司梧州局，廣西 梧州 543002；2.山東大學電氣工程學院，山東 濟南 250061）

隨著西電東送和南北互供的全國聯網戰略的實現，我國電網均需建設大量超/特高壓輸變電系統。電壓等級提高的同時，輸送容量也越來越大，造成變電站的短路電流也相應的增加，從過去的幾千安已增加到63 kA[1]。雖然接地電阻達到了相關的要求[2]，即控制在0.5 Ω以下，但短路點與一次接地網也會產生上百伏電壓。變電站一次接地網和二次接地網在主控樓通過粗電纜一點連接，站內電流和電壓二次回路連接設備繁多，控制保護電纜由小室屏柜延伸到室外一次設備，戶外電纜絕緣損壞的幾率大[3]，易出現二次接地線纜屏蔽層與一次接地網多點連接，當一次設備受到雷擊或短路故障時，產生的上百伏電壓作用在二次接地網上，對變電站控制保護系統產生巨大沖擊，嚴重時導致保護拒動誤動，降低供電可靠性[4-5]。一二次地網多點連接，只有在雷擊或短路時才會出現故障特征信號，人工查找費時費力，自動化程度低[6-8]。

為解決上述問題，該文設計了一種基于物聯網的變電站地網分布式智能監測系統，分布式采集多處一二次接地網位置電壓，實現一二次地網多點連接故障智能監測。

1 總體方案

變電站接地網架構如圖1 所示[9]，粗網狀線為變電站一次地網，細網狀線為變電站二次地網，二次設備通過銅排連接二次地網，一次地網與二次地網正常情況下電纜一點連接。一二次接地網智能監測裝置采集一二次接地網之間電壓，通過監測不同電壓等級設備區的一二次地網電壓變化，可預警一二次地網是否有多點連接。

圖1 變電站接地網架構

基于物聯網技術的變電站一二次接地網智能監測系統架構如圖2 所示，監測系統具有現場二次接地網電壓數據采集和錄波、局域網無線傳輸、站內數據匯集、以太網傳輸、后臺預警及監測等功能。系統結構包括感知層、網絡層和應用層。

圖2 智能監測系統架構

感知層主要進行一二次接地網電壓采集和預處理，通過局域無線網將信息上傳。網絡層中站內匯集控制單元主要負責將局域無線網絡上傳的數據[10-12]，通過以太網轉發至上位機監控系統。應用層由系統監控后臺組成，通過對網絡層接收數據加以處理，進行一二次接地網安全預警。

2 硬件設計

該系統主要設計了變電站二次接地網電壓采集錄波的硬件電路，主要包括STM32F103ZET6 硬件最小系統、地網電壓采集電路、RS485 通信電路和LoRa局域通信模塊接口電路四部分。

2.1 STM32F103ZET6硬件最小系統設計

該系統采用STM32F103ZET6 作為主控芯片，該芯片是ARM 32 位的Cortex-M3 核心的CPU，具有運行速度快、存儲量大、功耗低和各種功能接口數量眾多的特點，最高工作頻率為72 MHz。

2.2 地網電壓采集電路設計

設計的地網交流電壓采樣范圍為AC 0～500 V，交流電壓采樣精度為1%。一二次地網之間電壓正常時，電壓為毫伏級別，發生雷擊或短路后，地網電壓可達到上百伏，為準確測量地網電壓，電路采用兩檔采集輸入判斷。一二次接地網電壓采集電路架構如圖3 所示。

圖3 地網電壓采集電路架構

電壓采集濾波電路如圖4 所示，采用壓敏電和氣體放電管進行電路過壓保護。第一檔采樣點為AC_V1，第二檔采樣點為V1_IN。第一檔電壓通過如圖5 所示的電壓隔離放大電路進入STM32 的ADC 引腳，第二檔電壓通過如圖6 所示的兩級放大電路進入STM32 的ADC 引腳。軟件采樣時，同時采樣兩檔輸出AD 數據，設備先用第二檔數據，當第二檔數據接近飽和后，自動采用第一檔數據，通過兩檔電壓設計，實現小電壓和大電壓的自動量程切換測量。

圖4 地網電壓采集濾波電路

圖5 第一檔電壓隔離放大電路

圖6 第二檔電壓兩級放大電路

2.3 RS485通信電路設計

現場監測主機采用RS485 通信方式獲取接地網電壓采集數據，采用電平轉換芯片SN75LBC184 設計RS485 電路，該芯片完成TTL 電平與RS485 電平的轉換，PCB 板上具備4 位接線端子，便于連接監測主機。

2.4 LoRa局域通信模塊接口設計

監測主機通過LoRa 局域無線通信，將現場數據匯總傳輸至站級監控后臺，LoRa 局域無線模塊采用E32-433T30D，該模塊采用SX1278 芯片方案[13-14]，發射功率1 W，采用LoRa擴頻技術，測試距離為8 000 m，具有FEC 前向糾錯功能，抗干擾能力強。

3 系統軟件設計

整個系統軟件設計包括電壓采集程序設計、故障預警程序設計和上位機軟件設計。

3.1 電壓采集程序設計

STM32 系統軟件采用嵌入式集成系統開發環境IAR Embedded Workbench 進行開發，采用C 語言設計數據采集主程序[15-17]。

STM32F103ZET6 芯片自帶有12 位模數轉換器，采用1 kHz 速率進行電壓模數轉化，實現高速高精度采集一二次接地網電壓。

電壓采集程序流程如圖7 所示，設備上電工作后，開始高速采集二次地網對一次地網電壓，并緩存1 s 時間內的采集數據。電壓采集后，裝置判斷電壓幅值，當電壓小于閾值時，若裝置有告警就清除告警，繼續采集電壓；若電壓大于閾值，裝置告警，并對數據進行存儲；數據存儲方法是將故障前一刻緩存的1 s 數據進行存儲，與故障后數據存儲的59 s 數據合并，每條故障記錄存儲電壓數據錄波時長為1 min。

圖7 電壓采集存儲流程

3.2 故障預警程序設計

STM32 獲取采樣信息后，根據采樣信息判斷電壓是否大于或等于預設電壓閾值。當電壓大于或等于預設電壓閾值時，說明存在二次地網異常，主控制器控制存儲裝置存儲采樣信息，通過告警裝置輸出告警信息。此外，主控制器還可以同時生成告警記錄，并控制存儲裝置存儲該告警記錄。

設電壓閾值為V，實時采集電壓值為Vt。故障預警流程如圖8 所示，設備以1 kHz 采樣頻率采集電壓，每次采集完后進行電壓判斷：

圖8 故障預警流程

1）當Vt＜V時，查看當前告警狀態，無告警繼續采集電壓，若有告警即清除告警、生成故障復歸記錄、完成后繼續采集并判斷電壓；

2）當Vt≥V時，查看當前告警狀態，無告警就生成故障復歸記錄、存儲數據、繼續采集并判斷電壓，有告警，要判斷告警持續時間，若告警時間小于59 s，存儲數據、繼續采集電壓并判斷電壓；若告警時間大于59 s、繼續采集電壓并判斷電壓。

3.3 上位機軟件設計

上位機和監測主機之間基于TCP協議通信，上位機軟件利用Visual Studio開發平臺完成，通過C#.NET的窗體應用程序開發系統軟件。系統上位機軟件主要由三部分組成：軟件參數設置模塊、數據監測、地網電壓預警。詳細模塊功能如圖9 所示。

圖9 上位機功能模塊

4 系統測試

通過電壓源模擬地網電壓變化，測試監測系統的監測準確性，在交流電壓變化過程中，監測主機根據電壓閾值進行判斷分析，監測預警界面如圖10所示。

圖10 地網電壓監測數據異常報警

5 結束語

該文開發了一種基于物聯網技術的變電站一二次地網電壓分布式智能監測系統。通過局域和廣域無線通信設計，便于現場安裝部署，可預警變電站一二次接地網多點連接的故障。