廣東省輸變電工程公司 秦 理

基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)保護(hù)測(cè)控技術(shù)

廣東省輸變電工程公司 秦 理

為加強(qiáng)配電網(wǎng)對(duì)自然災(zāi)害的智能監(jiān)測(cè)、預(yù)警、應(yīng)急保護(hù)與防御能力,部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)滿足配電網(wǎng)保護(hù)測(cè)控的需要.網(wǎng)絡(luò)中部署著大量的溫度、濕度、張力強(qiáng)度、設(shè)備狀態(tài)等各類監(jiān)控傳感器,并且通過(guò)無(wú)線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.每個(gè)桿塔位置可部署一個(gè)簇頭,從而形成分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).對(duì)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(cè)線路斷裂、監(jiān)測(cè)到異常位移等.可大幅提高配電網(wǎng)的運(yùn)行管理與控制水平、災(zāi)害預(yù)警與防御能力.

輸電走廊;簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn);簇頭節(jié)點(diǎn);監(jiān)控預(yù)警

0 引言

目前,電力傳輸線路的故障經(jīng)常會(huì)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(jìn)行查找,無(wú)論是給供電部門(mén)還是用戶都造成很大的經(jīng)濟(jì)損失.配電網(wǎng)自愈能力有待改進(jìn),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(dāng)故障發(fā)生時(shí),在沒(méi)有或少量人工干預(yù)下, 能夠快速隔離故障、自我恢復(fù),避免大面積停電的發(fā)生.盡管近年來(lái)配電網(wǎng)開(kāi)展了一系列故障診斷信息系統(tǒng)的建設(shè),并取得一定的成績(jī),但目前故障診斷的準(zhǔn)確性和故障信息的綜合利用仍不夠理想.主要問(wèn)題在于:運(yùn)營(yíng)成本偏高,監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行較初步的處理和分析,不能挖掘出其中更深層次的知識(shí),從而導(dǎo)致電力系統(tǒng)故障定位不夠精準(zhǔn).

加強(qiáng)配電網(wǎng)對(duì)自然災(zāi)害的智能監(jiān)測(cè)、預(yù)警、應(yīng)急保護(hù)與防御能力.部署傳感器監(jiān)測(cè)模塊可為低溫雨雪冰凍災(zāi)害、臺(tái)風(fēng)、地震、山體滑坡等傳統(tǒng)電網(wǎng)災(zāi)害提供多方面的信息監(jiān)控,同時(shí)包括電網(wǎng)雷害信息的監(jiān)測(cè)與雷擊防范;

1 支撐多任務(wù)類型的傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

考慮整個(gè)輸電走廊像一條"狹長(zhǎng)的帶子",以及傳感器節(jié)點(diǎn)的布置方案,各個(gè)桿塔的簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)之間的數(shù)據(jù),各自維護(hù)它們相互之間的路由,負(fù)責(zé)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā),通過(guò)"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(luò)構(gòu)造,各輸電線路由各變電站呈輻射狀延伸,因此變電站可設(shè)置匯聚節(jié)點(diǎn),支撐電網(wǎng)保護(hù)測(cè)控綜合智能系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示.

圖1 電網(wǎng)保護(hù)傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

各簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)本地傳感數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)據(jù)的塔間傳送,設(shè)計(jì)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(diǎn)只是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的本地融合以及傳送,不具有感知功能.

2 簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)硬件模塊化設(shè)計(jì)

低成本是無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)要在電網(wǎng)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中能實(shí)用的必須條件.同時(shí),節(jié)點(diǎn)成本的降低能夠使監(jiān)測(cè)區(qū)域的單位面積內(nèi)安置更多的傳感節(jié)點(diǎn),從而增加系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的精度和穩(wěn)定性.同時(shí)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該盡量小,盡量不影響監(jiān)測(cè)對(duì)象原來(lái)的特性,節(jié)點(diǎn)的通信距離滿足一定要求,一般單個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信距離至少有 50m,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸主要有簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé),因此簇內(nèi)傳感器無(wú)需支持多跳技術(shù)以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能.數(shù)據(jù)采集與處理模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的核心,負(fù)責(zé)傳感信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)處理、融合以及與無(wú)線模塊的通信.

(1)電源模塊電路設(shè)計(jì)

各個(gè)芯片的工作電壓由電源轉(zhuǎn)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(hào)調(diào)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(jī)的 I/O 電源是 3.3V,內(nèi)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(guān)系到電池供電的傳感器節(jié)點(diǎn)的工作周期的長(zhǎng)短.鑒于 DSP在數(shù)字信號(hào)處理方面的優(yōu)越性能,考慮到不同型號(hào) DSP 的性能參數(shù)及成本,綜合配電網(wǎng)保護(hù)測(cè)控的需求,初步選擇采用 TI 公司的 DSP芯片 TMS320F2812 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集處理.

圖2 TMS320F2812芯片ADC模塊結(jié)構(gòu)

(2)塔間通信的簇頭節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

簇頭節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)塔間數(shù)據(jù)多跳傳輸、本地通信簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)收集以及多源異質(zhì)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(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì),同時(shí)需要進(jìn)行自我信息標(biāo)識(shí),即自身編號(hào)、所在桿塔位置、數(shù)據(jù)采集時(shí)間等.簇頭節(jié)點(diǎn)主要由電源模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)與處理模塊以及無(wú)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(qiáng)的計(jì)算能力要求,采用ARM11嵌入式芯片,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)與處理.另外,在簇頭節(jié)點(diǎn)中,無(wú)線通信模塊為雙頻率設(shè)計(jì),頻率f1負(fù)責(zé)與本地通信簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的通信,頻率f2負(fù)責(zé)塔間數(shù)據(jù)的傳輸.

3 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

由于本地通信簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)只需要負(fù)責(zé)環(huán)境感知的任務(wù),不需進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),計(jì)算任務(wù)與通信任務(wù)都很輕,且硬件設(shè)計(jì)上采用單片機(jī)作為處理器,因此軟件功能上比較簡(jiǎn)單.對(duì)于簇頭節(jié)點(diǎn),擔(dān)負(fù)主要的數(shù)據(jù)處理任務(wù)與通信傳輸任務(wù),因此設(shè)計(jì)采用基于ARM11平臺(tái)的剪裁TinyOS嵌入式系統(tǒng).

作為一個(gè)基于GIS的電網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)、維護(hù)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重點(diǎn).屬性數(shù)據(jù)則主要是電網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).考慮到電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)量龐大,數(shù)據(jù)關(guān)系復(fù)雜,如果將所有參數(shù)數(shù)據(jù)直接.本系統(tǒng)的后臺(tái)電網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)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(guān)的電力系統(tǒng)參數(shù)模型.首先完成兩個(gè)端點(diǎn)的定位,即確定出兩個(gè)node點(diǎn)(也就是線路的首尾廠站);根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)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(duì)新線路的生成、已有線路的調(diào)整以及新傳感器節(jié)點(diǎn)的部署,需要對(duì)電網(wǎng)圖進(jìn)行同步的更新.

4 總結(jié)

基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)保護(hù)測(cè)控綜合智能系統(tǒng)可應(yīng)用于配電網(wǎng)災(zāi)害智能監(jiān)測(cè)預(yù)警與自動(dòng)保護(hù)控制、配電網(wǎng)運(yùn)行故障智能診斷與控制、配電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控與管理、配電網(wǎng)電力質(zhì)量與穩(wěn)定性的智能監(jiān)測(cè)與控制等多個(gè)配電網(wǎng)智能化建設(shè)領(lǐng)域,研究開(kāi)發(fā)基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)保護(hù)測(cè)控綜合智能系統(tǒng),為積極推進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能電網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用與研究具有極其重要的意義.

[1]李文升,220kV GIS用電子式電流電壓互感器在午山數(shù)字化變電站中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,5.

[2]尹小奪,閆鵬.基于通信管理機(jī)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)改造方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].陜西電力,2008,9.

[3]王剛,孟垂懿,鄒全平.變電站自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約相互轉(zhuǎn)換的研究[J].沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,3.

[4]曹一家,劉毅,高振興.一種大規(guī)模電網(wǎng)故障診斷的多智能體信息融合模型與方法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2010,30(7):14-18.

[5]王家林,夏立,吳正國(guó),楊宣訪.電力系統(tǒng)故障診斷研究現(xiàn)狀與展望[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(18):210-216.

[6]張志毅,袁榮湘,楊同忠,等.基于粗糙集和小生境遺傳算法的電網(wǎng)故障診斷規(guī)則提取[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2009,24(1)158-163.

秦理(1984-),碩士,就職于廣東省輸變電工程公司,主要研究方向?yàn)樽冸娬菊{(diào)試、智能電網(wǎng).