廣東省輸變電工程公司 秦 理

基于傳感器網(wǎng)絡的配電網(wǎng)保護測控技術

廣東省輸變電工程公司 秦 理

為加強配電網(wǎng)對自然災害的智能監(jiān)測、預警、應急保護與防御能力,部署無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)來滿足配電網(wǎng)保護測控的需要.網(wǎng)絡中部署著大量的溫度、濕度、張力強度、設備狀態(tài)等各類監(jiān)控傳感器,并且通過無線的方式進行數(shù)據(jù)通信.每個桿塔位置可部署一個簇頭,從而形成分級網(wǎng)絡結構.對突發(fā)的、異常的、具有巨大隱患的緊急數(shù)據(jù)信息(如監(jiān)測線路斷裂、監(jiān)測到異常位移等.可大幅提高配電網(wǎng)的運行管理與控制水平、災害預警與防御能力.

輸電走廊;簇內傳感器節(jié)點;簇頭節(jié)點;監(jiān)控預警

0 引言

目前,電力傳輸線路的故障經(jīng)常會影響到電力的傳送,有的故障由于很難查找,需要很多人力物力進行查找,無論是給供電部門還是用戶都造成很大的經(jīng)濟損失.配電網(wǎng)自愈能力有待改進,配電網(wǎng)系統(tǒng)故障診斷與定位水平偏低.自愈是智能電網(wǎng)的主要特征之一,當故障發(fā)生時,在沒有或少量人工干預下, 能夠快速隔離故障、自我恢復,避免大面積停電的發(fā)生.盡管近年來配電網(wǎng)開展了一系列故障診斷信息系統(tǒng)的建設,并取得一定的成績,但目前故障診斷的準確性和故障信息的綜合利用仍不夠理想.主要問題在于:運營成本偏高,監(jiān)測節(jié)點部署受成本限制;盡管積累了大量的配電網(wǎng)歷史故障數(shù)據(jù),但目前數(shù)據(jù)處理手段能力很有限,只能對數(shù)據(jù)進行較初步的處理和分析,不能挖掘出其中更深層次的知識,從而導致電力系統(tǒng)故障定位不夠精準.

加強配電網(wǎng)對自然災害的智能監(jiān)測、預警、應急保護與防御能力.部署傳感器監(jiān)測模塊可為低溫雨雪冰凍災害、臺風、地震、山體滑坡等傳統(tǒng)電網(wǎng)災害提供多方面的信息監(jiān)控,同時包括電網(wǎng)雷害信息的監(jiān)測與雷擊防范;

1 支撐多任務類型的傳感器網(wǎng)絡架構

考慮整個輸電走廊像一條"狹長的帶子",以及傳感器節(jié)點的布置方案,各個桿塔的簇頭節(jié)點之間形成第 2 層,稱之為塔間層(intertap cluster,ITC),這一層主要按要求處理與傳遞各簇頭節(jié)點之間的數(shù)據(jù),各自維護它們相互之間的路由,負責報文的轉發(fā),通過"接力"的方式將數(shù)據(jù)傳遞給變電站.按照配電網(wǎng)的網(wǎng)絡構造,各輸電線路由各變電站呈輻射狀延伸,因此變電站可設置匯聚節(jié)點,支撐電網(wǎng)保護測控綜合智能系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡架構如圖1所示.

圖1 電網(wǎng)保護傳感器網(wǎng)絡架構

各簇頭節(jié)點負責本地傳感數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)據(jù)的塔間傳送,設計采用兩種頻率f1、f2,其中,f1頻率主要用于本地簇類的通信,使用較小的發(fā)射功率,f2頻率主要用于塔間數(shù)據(jù)的多跳傳送,使用較大的發(fā)射功率.各簇頭節(jié)點只是負責數(shù)據(jù)的本地融合以及傳送,不具有感知功能.

2 簇內傳感器節(jié)點硬件模塊化設計

低成本是無線傳感節(jié)點要在電網(wǎng)災害實時監(jiān)測中能實用的必須條件.同時,節(jié)點成本的降低能夠使監(jiān)測區(qū)域的單位面積內安置更多的傳感節(jié)點,從而增加系統(tǒng)監(jiān)測的精度和穩(wěn)定性.同時節(jié)點應該盡量小,盡量不影響監(jiān)測對象原來的特性,節(jié)點的通信距離滿足一定要求,一般單個節(jié)點的通信距離至少有 50m,數(shù)據(jù)轉發(fā)傳輸主要有簇頭節(jié)點負責,因此簇內傳感器無需支持多跳技術以及數(shù)據(jù)轉發(fā)功能.數(shù)據(jù)采集與處理模塊是傳感器節(jié)點的核心,負責傳感信號的采集、數(shù)據(jù)處理、融合以及與無線模塊的通信.

(1)電源模塊電路設計

各個芯片的工作電壓由電源轉換芯片提供.在本系統(tǒng)中,主要含有 5V、3.3V、1.8V三種電源.其中,信號調理電路采用 5V工作電源,數(shù)據(jù)采集與處理模塊中的C8051F33X系列單片機的 I/O 電源是 3.3V,內核電源則為 1.8V.在本系統(tǒng)中,5V 的外部電源電源直接供給電源芯片 AMS1117,可以輸出 3.3V 和 1.8V 的電源電壓.

睡眠模式及掉電模式的最大靜態(tài)功耗直接關系到電池供電的傳感器節(jié)點的工作周期的長短.鑒于 DSP在數(shù)字信號處理方面的優(yōu)越性能,考慮到不同型號 DSP 的性能參數(shù)及成本,綜合配電網(wǎng)保護測控的需求,初步選擇采用 TI 公司的 DSP芯片 TMS320F2812 負責數(shù)據(jù)的采集處理.

圖2 TMS320F2812芯片ADC模塊結構

(2)塔間通信的簇頭節(jié)點硬件設計

簇頭節(jié)點主要負責塔間數(shù)據(jù)多跳傳輸、本地通信簇內傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)收集以及多源異質數(shù)據(jù)的本地融合,不具備感知環(huán)境參數(shù)的能力.同樣,簇頭節(jié)點采用模塊化設計,同時需要進行自我信息標識,即自身編號、所在桿塔位置、數(shù)據(jù)采集時間等.簇頭節(jié)點主要由電源模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)與處理模塊以及無線通信模塊組成.其中,數(shù)據(jù)收發(fā)與處理模塊具有較強的計算能力要求,采用ARM11嵌入式芯片,負責數(shù)據(jù)的收發(fā)與處理.另外,在簇頭節(jié)點中,無線通信模塊為雙頻率設計,頻率f1負責與本地通信簇內傳感器節(jié)點的通信,頻率f2負責塔間數(shù)據(jù)的傳輸.

3 傳感器節(jié)點軟件設計

由于本地通信簇內傳感器節(jié)點只需要負責環(huán)境感知的任務,不需進行數(shù)據(jù)轉發(fā),計算任務與通信任務都很輕,且硬件設計上采用單片機作為處理器,因此軟件功能上比較簡單.對于簇頭節(jié)點,擔負主要的數(shù)據(jù)處理任務與通信傳輸任務,因此設計采用基于ARM11平臺的剪裁TinyOS嵌入式系統(tǒng).

作為一個基于GIS的電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),數(shù)據(jù)的獲取、存儲、維護是系統(tǒng)實現(xiàn)的一個重點.屬性數(shù)據(jù)則主要是電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù).考慮到電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)量龐大,數(shù)據(jù)關系復雜,如果將所有參數(shù)數(shù)據(jù)直接.本系統(tǒng)的后臺電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫是基于CIM規(guī)范建立的,在CIM規(guī)范中,IEC61970的301部分定義了與EMS相關的電力系統(tǒng)參數(shù)模型.首先完成兩個端點的定位,即確定出兩個node點(也就是線路的首尾廠站);根據(jù)傳感器節(jié)點的經(jīng)緯度位置信息將其融入到已經(jīng)生成的輸電電網(wǎng)圖中.另外,針對新線路的生成、已有線路的調整以及新傳感器節(jié)點的部署,需要對電網(wǎng)圖進行同步的更新.

4 總結

基于傳感器網(wǎng)絡的配電網(wǎng)保護測控綜合智能系統(tǒng)可應用于配電網(wǎng)災害智能監(jiān)測預警與自動保護控制、配電網(wǎng)運行故障智能診斷與控制、配電網(wǎng)設備運行狀態(tài)智能監(jiān)控與管理、配電網(wǎng)電力質量與穩(wěn)定性的智能監(jiān)測與控制等多個配電網(wǎng)智能化建設領域,研究開發(fā)基于傳感器網(wǎng)絡的配電網(wǎng)保護測控綜合智能系統(tǒng),為積極推進傳感器網(wǎng)絡在智能電網(wǎng)建設中的應用與研究具有極其重要的意義.

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秦理(1984-),碩士,就職于廣東省輸變電工程公司,主要研究方向為變電站調試、智能電網(wǎng).