礦區變電站運行全過程信息監測系統

仇晨光，張 浩，閆朝陽，柴 赟

(國網江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210013)

1 總體設計

礦區變電站運行全過程信息監測系統主要由數據采集層、數據分析層、數據管理層和預警層構成。每個功能層都有相對應的模塊結構，礦區變電站運行全過程信息監測系統的組成結構圖如圖1所示。

圖1 礦區變電站運行全過程信息監測系統結構Fig.1 Structure of information monitoring system for the whole process of substation operation in mining area

2 硬件設計

2.1 S3C2440芯片

在本文設計的系統中，采用ARM9系列處理器中S3C2440芯片作為核心芯片。該芯片功能強大，在使用過程中耗能較低，主頻率可達到533 MHz，并具備16 KB的指令緩存和數據緩存功能，能夠完全滿足系統運行需求。滿足了對智能管理和監視的要求。通過S3C2440芯片讀取單板硬件地址，可提供不同通道的專用DMA，具有總線請求接口和通道IIS總線音頻編碼器接口，可兼容SD主接口協議和MMC卡協議，實現對內部數據和燒寫程序的控制。采用I2C界面進行管理指令交互，通過網絡端口對礦區變電站運行全過程信息進行遠程監測，若礦區變電站出現運行異常，可通過GPIO發送對應的報警信號[8]。

S3C2440芯片參數：尺寸3.3 mm×4.5 mm×2.8 mm；最低工作溫度-30 ℃；最高工作溫度100 ℃；最小電源電壓1.5 V；最大電源電壓6 V。

2.2 通信AD9361芯片

AD9361芯片能夠同時完成信號的發射與接收，可以滿足二次發射的需求；操作頻率較廣，可覆蓋70 MHz～6 GHz范圍，發射與接收信道帶寬在200 kHz～56 MHz。AD9361芯片內置有高密度的功放、混頻器、本振產生、濾波器、 ADC/DAC等功能，將接收的模擬信號經過選擇器后進入LNA，再進入混合器，用PLL部件輸入本振信號，對不同信號進行解調[9]；再經過一個放大器和最大帶寬為56 MHz的模擬低通濾波器，縮短信號取樣時間，使所輸出的數據具有適當的數據頻率。

AD9361芯片參數：頻率70 MHz～6 GHz；輸出功率8 dBm；最低工作溫度-40 ℃；最高工作溫度85 ℃；最小電源電壓1.267 V；最大電源電壓1.33 V；接口類型3-Wire、4-Wire和SPI。

2.3 多傳感器采集模塊

數據采集模塊由多個傳感器節點構成，高壓開關運行全過程信息監測模塊的傳感器節點主要是HY5W-110 kV型號避雷器監測傳感器、AR0130CSSC00SPBA0-DR型號開關視頻監測傳感器、JDM-2型號機械特性監測傳感器、WFS-D8-UHF-E型號局部放電監測傳感器、NAP-57A型號氣體密度與微水監測傳感器。變壓器運行全過程信息監測模塊的傳感器節點主要為JYJC-64G型號套管絕緣監測傳感器、APS12450LLHALT-1SLA型號鐵芯狀態電流監測傳感器[10]。各個傳感器參數見表1。

4）訓練方式、手段及步驟：將學生分成幾個小組（5人一組），每個小組確定說話的類型，小組內進行談論，要求每位學生都參與，說話時間至少3分鐘；小組訓練結束后，教師在隨機抽取各小組幾名學生，進行即興說話，學生和老師按照既定標準進行的評分和點評。

表1 傳感器參數Tab.1 Sensor parameters

2.4 監測數據解析重組模塊

監測數據解析重組模塊主要由高壓開關與變壓器子IED構成，IED是智能監測裝置的英文縮寫。高壓開關與變壓器子IED與傳感器節點相對應[11]，傳感器節點采集目標設備的運行數據后，便會傳輸至數據處理層的監測數據解析重組模塊，此模塊驅動高壓開關與變壓器子IED，將獲取的監測信息進行分類整理存儲后發送至數據管理層[12]。此模塊可將采集的監測信息實施解析、數據預處理與數據分類存儲、數據重組。監測數據解析重組模塊的硬件結構主要分為電源單元、電源管理單元、ZigBee無線單元、GSM單元、內存管理單元等。其中，數據解析重組模塊的硬件結構如圖2所示。

圖2中，MCU是性能卓越的工業級處理器，可實現數據解析，且運行功耗極小。ZigBee單元是協調器節點，可實現無線網絡的建立與維護。如果監測的信息存在異常，便會傳輸報警信號發送至預警層，進行聲光報警提示、警鈴提示等。

3 軟件設計

3.1 數據處理流程設計

通過傳感器節點采集到礦區變電站運行全過程信息數據后，需要對運行全過程信息數據進行處理，獲取有效的礦區變電站運行全過程信息數據包，與過往運行參數信息進行比對，分析數據包是否為變電站正常運行下的全過程信息數據，根據數據分析結果判斷變電站是否存在運行異常的情況。礦區變電站運行全過程信息數據處理流程圖如圖3所示。

圖2 監測數據解析重組模塊Fig.2 Analysis and reorganization module of monitoring data

圖3 運行信息數據處理流程Fig.3 Operation information data processing flow chart

3.2 監測過程信息傳輸程序設計

礦區變電站運行全過程信息監測系統運行時，傳感器會通過ZigBee無線通信網絡把需傳輸監測信息傳輸至監控主機的串口通信緩沖單元[13]；通信緩沖單元在接收傳感器裝置采集的監測信息后，將此信息與監控主機下達的通信信息實施緩沖處理后，發送至實施信息緩沖單元，實時信息緩沖單元把監測數據實施解析處理后存儲在對應文件里，更新礦區變電站運行全過程信息監測系統客戶端的數據顯示與圖形變化信息反饋至用戶。礦區變電站運行全過程信息監測系統中，監測過程信息流程如圖4所示。

圖4 監測過程信息流示意Fig.4 Schematic diagram of monitoring process information flow

3.3 ZigBee無線網絡

礦區變電站運行全過程信息監測系統可自主實現變電站運行全過程信息采集、監測、異常診斷等基礎功能。系統所應用的ZigBee無線網絡結構如圖5所示。

圖5 ZigBee無線網絡結構Fig.5 ZigBee wireless network structure

如圖5所示，ZigBee無線網絡結構為網狀結構，ZigBee技術具有低功耗、低成本的應用優勢，該網絡通信模式下，本文系統使用了ZigBee協議棧，此協議可以保證無線設備在功耗與成本都較小的前提下，實現礦區變電站監測現場—礦區變電站監測客戶端的雙向信息傳輸[14]。比如可以將礦區變電站監測現場的信息傳輸至礦區變電站監測客戶端，礦區變電站監測客戶端也可以下達預警信號傳輸至礦區變電站監測現場[15]。該協議棧使用了基于RETX值的ZigBee無線網絡路由選擇方法，有效實現礦區變電站監測信息的高效傳輸。

由于ZigBee無線網絡需要依靠電磁波來傳輸數據信息，在無線信道處理環節中，加強無線信號處理能力，增加射頻信號濾波處理過程，提高ZigBee無線網絡信號處理能力，增加抗干擾能力。濾波器誤差計算為：

e(m)=d(n)-r

(1)

式中，d為射頻干擾信號；n為射頻信號函數；r為濾波信號頻率。

將濾波器誤差結果代入ZigBee無線網絡輸入信號的函數中，得到修正后均方誤差差值：

E=m(d)2-f(n)t

(2)

式中，m為待估參數；f為參數空間；t為濾波信號頻率。

將結果輸入射頻信號矩陣，減少信號干擾，提高ZigBee無線網絡信號處理能力。

3.4 ZigBee無線網絡路由選擇方法

ZigBee無線通信網絡結構中，路由的選擇模式存在靈活性，如果某個路由出現異常，變電站運行監測信息便會傳輸在其他路由上[16-18]。RETX值為ZigBee無線網絡路由中接收信號強度顯示值與期望發包數之和，選擇ZigBee無線網絡路由傳輸礦區變電站監測信息時，層至層的鏈路就是RETX總和較小的值所在路由。

通過某個鏈路成功傳輸一組礦區變電站監測信息而需要發送包的數量來計算正向鏈路收包率與反向鏈路收包率。使用指數加權移動平均算法，對ZigBee無線網絡的信息傳輸特征進行分析，以提高信息傳輸的準確性。根據信息移動窗口的礦區變電站監測信息接收信號強度，獲得該信息移動窗口中的接收信號強度顯示均值，對接收信號強度進行評價，根據評價值來掌握礦區變電站監測信息傳輸鏈路通信狀態[19-20]。在礦區變電站監測信息傳輸時，端至端的鏈路就是RETX值總和較小的值所在路由。按照此方法選擇的路由，網絡擁塞率較小，信息傳輸實時性較高。

4 實驗分析

為了測試本文系統的應用效果，以變電站內12號主變壓器為監測對象，采用本文系統對12號主變壓器運行全過程信息實施監測。

4.1 礦區變壓器運行全過程監測效果

本文系統對該礦區變電站的變壓器實施運行全過程監測時，測點編碼與監測內容對應如下。c1：12號主變壓器溫度；c2：12號主變壓器低壓側電流；c3：12號主變壓器低壓側功率；c4：12號主變壓器中壓側電流；c5：12號主變壓器中壓側功率；c6：12號主變壓器高壓側電流；c7：12號主變壓器高壓側功率。得到12號變壓器運行全過程信息監測結果，c1測點溫度為45.38 ℃，低壓側c2測點電流為255.60 A，c3測點功率為18.56 W；中壓側c4測點電流為157.12 A，c5測點功率為31.95 W；高壓側c6測點電流121.94 A，c7測點功率為48.71 W，均無異常。

通過本文系統，對12號變壓器運行全過程的溫度信息進行監測，結果如圖6所示。

圖6 溫度變化詳情Fig.6 Details of temperature change

由圖6中可知，該礦區變電站的變壓器全過程信息監測結果中，主變壓器有2條溫度曲線，2條溫度曲線為相同的主變壓器2個傳感器監測數據，2條溫度曲線顯示的是監測目標的監測溫度。若2個傳感器監測溫度的溫差較大，便是傳感器出現異常。在不存在異常的工作模式中，系統2個傳感器監測溫度的溫差差異較小，2個溫度計的溫差為0～1 ℃，表示該礦區變電站的變壓器溫度監測結果可靠。

4.2 礦區高壓開關運行全過程監測效果

本文系統對該礦區12號變壓器高壓開關柜間斷放電變化、內部氣隙放電變化和懸浮點位放電變化進行監測，采樣率20 GS/s，結果如圖7所示。由圖7可知，本文系統對該礦區高壓開關柜間斷放電、內部氣隙放電、懸浮點位監測后，監測結果較為明確，波動信息直接顯示。

4.3 系統網絡吞吐率測試結果

變電站運行全過程信息量較大，而監測實時性又較為重要，為此，系統網絡吞吐率十分重要，直接影響監測信息的傳輸實時性，本文系統在監測該礦區變電站高壓開關、變壓器信息時的網絡吞吐率測試結果如圖8所示。

圖7 該礦區高壓開關柜間斷放電模式監測結果Fig.7 Monitoring results of intermittent discharge mode of high voltage switchgear in the mining area

圖8 本文系統網絡吞吐率測試結果Fig.8 Network throughput test results of system in this paper

由圖8可知，本文系統在監測該礦區變電站高壓開關、變壓器信息時，網絡吞吐率大于40 Kbit/s，原因是本文系統中使用了基于RETX值的ZigBee無線網絡路由選擇方法，該方法在選取監測信息傳輸路由時，會分析路徑的實際通信狀態，以此選取最可靠最匹配的監測信息傳輸路由，以此提高了系統網絡吞吐率。

5 結語

研究礦區變電站運行全過程信息監控問題，并設計了礦區變電站運行全過程信息監測系統。

(1)本文系統監測該礦區變電站的變壓器運行全過程信息時，對主變壓器低壓側、中壓側、高壓側的電流與功率、主變壓器的溫度都顯示的清晰明了。

(2)本文系統對該礦區高壓開關柜間斷放電、內部氣隙放電、懸浮點位監測后，監測結果較為明確，波動信息直接顯示。

(3)本文系統在監測該礦區變電站高壓開關、變壓器信息時，網絡吞吐率大于40 Kbit/s，系統網絡吞吐率較高。