劉海妹

(湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410151)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)故障監(jiān)控系統(tǒng)研究

劉海妹

(湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410151)

作為電力系統(tǒng)的發(fā)展方向，智能電網(wǎng)是通過(guò)先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)、設(shè)備和控制技術(shù)以及決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的目標(biāo)。而對(duì)智能電網(wǎng)而言，電網(wǎng)的自愈特征是其主要特征之一。為了實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的自愈功能，提高對(duì)電網(wǎng)故障的監(jiān)控管理是必要措施。分析了智能電網(wǎng)故障決策所面臨的主要技術(shù)問(wèn)題，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了基于無(wú)線傳感網(wǎng)的智能電網(wǎng)故障決策管理系統(tǒng)。系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)來(lái)構(gòu)建無(wú)線傳感網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)采用CC2530，節(jié)點(diǎn)之間采用簇狀—樹型結(jié)構(gòu)及其算法，提高了故障決策的準(zhǔn)確性。

智能電網(wǎng)；故障分析；物聯(lián)網(wǎng)

電力作為國(guó)家的支柱能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展中起著重要作用。近年來(lái)，我國(guó)逐漸建起了以特高壓為骨干網(wǎng)架和以各級(jí)電網(wǎng)為分區(qū)的中國(guó)特色電網(wǎng)。而與此同時(shí)，基于節(jié)能減排目的的風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、燃料電池發(fā)電等分布式發(fā)電也逐漸加入公共電網(wǎng)。面對(duì)這一局面，傳統(tǒng)的電力網(wǎng)絡(luò)以及控制措施已經(jīng)難以支持如此多的發(fā)展要求。

針對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)展面臨的這些挑戰(zhàn)，智能電網(wǎng)被認(rèn)為是有效的解決方案。智能電網(wǎng)是以先進(jìn)的信息、通信和控制技術(shù)為手段，以堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)的網(wǎng)架為基礎(chǔ)，構(gòu)建貫穿發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度全部環(huán)節(jié)和全電壓等級(jí)的電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展體系[1-2]。

為了保證智能電網(wǎng)的順利運(yùn)行，加強(qiáng)對(duì)智能電網(wǎng)的故障決策管理是一項(xiàng)重要的工作。本文在分析智能電網(wǎng)故障決策主要技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了以無(wú)線傳感網(wǎng)為核心的電網(wǎng)故障處理系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的自愈能力。

1 智能電網(wǎng)故障監(jiān)控系統(tǒng)功能分析

一個(gè)完善的智能電網(wǎng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，需要具有以下功能：(1)監(jiān)測(cè)電力線路上的存在短路、接地、過(guò)負(fù)荷、斷線、停電、三相不平衡、盜割、過(guò)溫等故障點(diǎn)的運(yùn)行情況，以最快的速度切斷、隔離故障點(diǎn)，并利用智能算法將電力線路切換至安全線路上；(2)監(jiān)測(cè)線路負(fù)荷中的各項(xiàng)電流參數(shù)(負(fù)荷運(yùn)行電流、短路動(dòng)作電流、線路首半波尖峰電流、接地動(dòng)作電流、穩(wěn)態(tài)零序電流和暫態(tài)零序尖峰突變電流等)，及時(shí)分析電流參數(shù)，保存歷史數(shù)據(jù)并繪制曲線，用于事故分析和事前預(yù)警；(3)監(jiān)測(cè)各線路及接頭部分溫度、電場(chǎng)數(shù)據(jù)，保存歷史數(shù)據(jù)并繪制曲線，用于事故分析和事前預(yù)警；(4)利用上位機(jī)算法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果用于控制決策。

目前，國(guó)內(nèi)外在輸電線路中進(jìn)行故障定位的基本原理是：對(duì)于發(fā)生故障時(shí)電壓、電流的測(cè)量值，依據(jù)所采用的約束條件(輸電線路故障發(fā)生后和故障距離具有某種數(shù)學(xué)關(guān)系的電氣量稱之為約束條件)通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算得出故障距離，從而定位出故障點(diǎn)。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，各種電氣量(電流、電壓、阻抗、相角等)都會(huì)立即發(fā)生劇烈的變化，從信號(hào)的角度來(lái)看，可以將其稱之為突變信號(hào)，這些信號(hào)中包含著豐富的故障信息，需要利用算法對(duì)突變量進(jìn)行分析，小波變換理論就是其中最常用的算法之一。

小波變換是對(duì)時(shí)間(空間)頻率的局部化進(jìn)行分析，它通過(guò)伸縮平移運(yùn)算對(duì)信號(hào)(函數(shù))逐步進(jìn)行多尺度細(xì)化，最終達(dá)到高頻處時(shí)間細(xì)分，低頻處頻率細(xì)分，從而實(shí)現(xiàn)算法自動(dòng)適應(yīng)時(shí)頻信號(hào)分析的要求，達(dá)到聚焦信號(hào)的工作目標(biāo)。

由于小波變換在時(shí)域和頻域上具有良好的局部化的性質(zhì)，因此極大地提升了利用故障分量或者利用突變量來(lái)進(jìn)行繼電保護(hù)技術(shù)的準(zhǔn)確性，不但能夠準(zhǔn)確反映故障發(fā)生的時(shí)間、位置等信息，而且能夠有效地對(duì)電力系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 智能電網(wǎng)故障監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)主要由以下三部分組成，圖1為監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

(1)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視區(qū)域中，主要包括各類傳感器，如電流、電壓、溫度、濕度等。傳感器和ZigBee無(wú)線模塊組成的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)以星型或網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接到監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)按照節(jié)點(diǎn)適當(dāng)?shù)木嚯x部署在監(jiān)視區(qū)域中，將電力線路或設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的受控區(qū)域中，主要包括各類的受控設(shè)備，如繼電器、斷路器等，同樣以星型網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成，在協(xié)調(diào)器的周圍，通過(guò)解析協(xié)調(diào)器的無(wú)線數(shù)據(jù)達(dá)到受控的目的。

ZigBee節(jié)點(diǎn)采用CC2530處理器。TI公司的CC2530內(nèi)部集成了標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051微處理器和性能優(yōu)越的RF收發(fā)器。當(dāng)發(fā)射功率為1 mW，接收靈敏度為-94 dBm時(shí)的誤碼率僅為1%。此外，CC2530允許芯片無(wú)線下載以及空中升級(jí)，具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適合超低功耗要求的系統(tǒng)，運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。圖2為TI公司所提供的CC2530的原理圖。

圖2 CC2530核心板原理圖

(2)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)的作用主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的交換與傳輸，表現(xiàn)在上行和下行兩個(gè)方面：上行數(shù)據(jù)傳輸，主要是通過(guò)串口收集協(xié)調(diào)器的傳感器采集數(shù)據(jù)，或者是狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)通過(guò)本身的網(wǎng)絡(luò)功能傳輸至互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器上；上行數(shù)據(jù)傳輸，主要是接收互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)來(lái)的控制命令，并通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器。

另外，網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)可以提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性，例如無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙或Wifi的使用，會(huì)提高數(shù)據(jù)的傳輸性能。

本系統(tǒng)所選用的網(wǎng)關(guān)采用32位S3C6410作為RISC微處理器，選用64位內(nèi)部總線架構(gòu)，總線包括AXI、AHB和APB總線組成，還具有強(qiáng)大的硬件加速器，可方便地移植Linux操作系統(tǒng)，帶有豐富的USB接口及網(wǎng)卡接口，帶有2G及3G接口，完全可以滿足監(jiān)控系統(tǒng)的需要。同時(shí)系統(tǒng)還配備了Motorola32位單片機(jī)作為系統(tǒng)性能的擴(kuò)充，配置了大容量的FLASH ROM和RAM完成數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)功能，使系統(tǒng)擁有了較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和較快的處理速度。

(3)監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器

服務(wù)器是監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，它的功能直接決定著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。服務(wù)器中的數(shù)據(jù)也分為上行和下行，上行數(shù)據(jù)來(lái)自于網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將協(xié)調(diào)器的匯總數(shù)據(jù)傳送過(guò)來(lái)。在本設(shè)計(jì)中，網(wǎng)關(guān)可能采用以太網(wǎng)，也可以采用3G網(wǎng)，因此網(wǎng)關(guān)處理器均提供了相應(yīng)的模塊功能；下行數(shù)據(jù)所傳輸?shù)氖且恍┛刂泼?，這些控制命令通過(guò)網(wǎng)關(guān)及協(xié)調(diào)器傳輸至終端節(jié)點(diǎn)，用來(lái)操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

服務(wù)器的另一個(gè)重要的作用是利用小波變換算法對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障信息，并發(fā)出預(yù)警報(bào)告。同時(shí)，利用ZigBee協(xié)議棧中自帶的智能算法，對(duì)運(yùn)行的線路進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整和切換。

(4)監(jiān)控系統(tǒng)客戶端

客戶端可以采用PC機(jī)、手機(jī)等多種形式，主要的功能是遠(yuǎn)程監(jiān)控及發(fā)布簡(jiǎn)單命令。這些命令發(fā)送至服務(wù)器，由服務(wù)器解析后發(fā)送至下位機(jī)實(shí)現(xiàn)功能操作。

本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的客戶端是基于安卓的手機(jī)客戶端，具體功能模塊如圖3所示。

與服務(wù)器的連接程序如下所示：

void Server::incomingConnection(int handle)

{ServerThread*thread=new

//為客戶端創(chuàng)建線程

ServerThread(handle,this,mainWin,this->clientNum);

//添加的客戶端列表中

this->mainWin->socket_add(thread->socket);

this->clientNum++;

thread->start();}

圖3 客戶端功能模塊圖

3 總結(jié)

本設(shè)計(jì)利用無(wú)線傳感網(wǎng)構(gòu)建了智能電網(wǎng)故障監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以ZigBee節(jié)點(diǎn)為底層數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，以S3C6410芯片作為系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，上層故障分析程序采用小波變換，并開(kāi)發(fā)了手機(jī)端的多線程控制系統(tǒng)作為客戶端程序。

經(jīng)實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、靈活性強(qiáng)、擴(kuò)展性好的特點(diǎn)，同時(shí)由于嵌入式技術(shù)的使用，提高了數(shù)據(jù)處理的精度和實(shí)時(shí)性，保證了系統(tǒng)可靠性。

[1]張永健.電網(wǎng)監(jiān)控與調(diào)度自動(dòng)化[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2011：3-5.

[2]王進(jìn)強(qiáng)．含分布式電源的配電網(wǎng)故障定位的應(yīng)用研究[D]．廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2011：124-125.

Research of smart grid fault monitoring system based on Internet of things

As the development direction of power system,the smart grid was through the use of advanced sensor and measuring technology,equipment and control technology and application of decision support system technology.To realize the goal of safe and reliable operation of the power grid，and for the smart grid,the grid self-healing character was one of the main features. In order to realize the smart grid self-healing function, improving of the failure monitoring management of power grid was the necessary measures.The main technical problem faced of the smart grid failures decision was analyzed,and the smart grid fault decision system was built based wireless LAN by using the things technology.Wireless sensor network was built using ZigBee technology.CC2530 was used by wireless sensor network's node,and clusters of-tree structure was used as the network structure and algorithm,the accuracy of the fault decision was improved.

smart grid;failure analysis;internet of things

TM 712

A

1002-087 X(2015)10-2275-02

2015-07-03

湖南省教育廳科學(xué)研究課題(基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)故障監(jiān)控管理系統(tǒng)研究)

劉海妹(1981—)，女，河北省人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)殡娮优c通信。