王澤忠，王 軍

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200）

0 引 言

變電站是銜接智能電網(wǎng)的發(fā)電、輸電、配電、用電以及調(diào)度各大環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，對(duì)變電站進(jìn)行智能化監(jiān)測(cè)可有效提高電網(wǎng)系統(tǒng)的平穩(wěn)性[1]。對(duì)于一般的變電站而言，監(jiān)測(cè)、報(bào)警與災(zāi)后處理都是相互獨(dú)立的，這樣的系統(tǒng)需要更多的工作人員，成本較高，因此建立智能化的集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯得極其重要[2]。

物聯(lián)網(wǎng)作為一種常用的通信技術(shù)，它可以有效整合物理設(shè)備和信息，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將大大提高系統(tǒng)的運(yùn)行效能[3,4]?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能變電站保留了傳統(tǒng)變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能，新添了很多分布式新能源的接口，子系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)能及時(shí)傳至系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制[5]。

1 智能變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)智能變電站的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由過(guò)程層、間隔層以及站控層3層組成[6]。每一層各自負(fù)責(zé)不同的任務(wù)，共同協(xié)作完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)視以及控制。

過(guò)程層簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)指的就是系統(tǒng)中用于檢測(cè)的智能化電氣設(shè)備，這些智能設(shè)備主要是由一次設(shè)備和智能組件組成[7]。光磁效應(yīng)的互感現(xiàn)象能夠?qū)崿F(xiàn)能源的重復(fù)利用，這個(gè)發(fā)現(xiàn)將被用于一次設(shè)備上，從而實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備的智能化。與此同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用使得間隔層與過(guò)程層之間利用光信號(hào)完成通信變的具有可操作性。另一方面，集成電路的發(fā)展也為提升變電站的自動(dòng)化水平提供了良好的途徑[8]。

間隔層主要是由一些二次裝置組成，包括繼電保護(hù)裝置和故障錄波裝置等，主要負(fù)責(zé)完成過(guò)程層與設(shè)備之間的信息交換。站控層的主要功能是將全站的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行匯總，并及時(shí)將這些信息傳輸至調(diào)度中心[9]。當(dāng)接收到上級(jí)命令時(shí)，它還需將這些信息轉(zhuǎn)發(fā)至間隔層和過(guò)程層進(jìn)行處理。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的所有功能，還可以實(shí)現(xiàn)電源的分布管理，它的硬件系統(tǒng)在原有基礎(chǔ)上加入了分布式新能源接口[10]。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主體上可分為3個(gè)模塊。第一個(gè)模塊是傳感器監(jiān)控模塊，主要負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)其他部分行動(dòng)的依據(jù)；第二個(gè)是智能集控管理模塊，主要負(fù)責(zé)利用智能算法對(duì)采集到的信息進(jìn)行分析與處理；第三個(gè)是數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)交互模塊，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)起來(lái)，形成系統(tǒng)化的管理?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)有3個(gè)，一是負(fù)責(zé)建立無(wú)線局域網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收；二是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，并將這些數(shù)據(jù)存在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)；三是負(fù)責(zé)GPRS協(xié)議的轉(zhuǎn)換。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)按CC2530的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到CC2530的發(fā)出功率不足以滿足系統(tǒng)的需要，因此需要射頻模塊CC25910放大信號(hào)。在近場(chǎng)區(qū)，無(wú)線射頻模塊電磁輻射強(qiáng)度H可以表達(dá)為：

式中，I為射頻模塊的工作電流；A為電路的橫截面積，D為發(fā)射距離。

進(jìn)場(chǎng)區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度E表達(dá)為：

式中，f為無(wú)線模塊的工作頻率。

當(dāng)遠(yuǎn)距離發(fā)射時(shí)，該模塊的磁場(chǎng)效應(yīng)可忽略不計(jì)，電場(chǎng)強(qiáng)度可近似為：

在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)截面積為40 mm×50 mm，工作電流為40 mA，工作頻率為2.4 GHz，遠(yuǎn)近場(chǎng)的分界點(diǎn)為0.11 m，將上述數(shù)據(jù)代入式（3），得出的數(shù)據(jù)不足以對(duì)電力設(shè)備產(chǎn)生干擾，由此可以得出ZigBee無(wú)線模塊發(fā)出的電磁信號(hào)不會(huì)導(dǎo)致電站設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的工作對(duì)電的需求量大，因此最好采取自給供電的方式。本文選擇交流互感方式供電，將電流互感器安裝在母線上，母線再對(duì)電流進(jìn)行一些整流、濾波以及穩(wěn)壓等處理后將電流傳至系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件的模塊框圖如圖2所示。

圖2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)框圖

2.2 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要采用終端節(jié)點(diǎn)，主要功能有以下3個(gè)。一是負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)，二是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，三是在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)異常時(shí)可以及時(shí)報(bào)警，為系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)提供了良好的保障。

終端節(jié)點(diǎn)的主要組成部分包括傳感器部分、通信模塊CC2530以及電源。無(wú)線通信模塊是系統(tǒng)的通信接口，既負(fù)責(zé)采集傳感器的數(shù)據(jù)和一些控制信號(hào)的交換，也負(fù)責(zé)將收集到的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。電源模塊是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的能量保障，一般情況下使用微型電池。終端節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖3所示。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)框圖

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

3.1 傳感網(wǎng)監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

為了收集電纜溝水位數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)對(duì)排水節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)了變壓器油溫、變壓器繞組溫度以及電纜頭的溫度，采集了SF6微水密度和泄露電流的數(shù)據(jù)，從而可以監(jiān)測(cè)SF6泄露節(jié)點(diǎn)和避雷器絕緣節(jié)點(diǎn)。為了達(dá)到監(jiān)測(cè)圖像和啟動(dòng)報(bào)警機(jī)制的目的，系統(tǒng)安裝了攝像頭和聲光報(bào)警器。

在數(shù)據(jù)的采集過(guò)程中，高溫、高壓以及磁場(chǎng)等會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)采集工作產(chǎn)生干擾，因此在各個(gè)傳感器上安裝了抗干擾元件。

3.2 智能集控管理模塊

智能集控管理模塊的主要工作是將監(jiān)控模塊得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并將分析結(jié)果發(fā)送至監(jiān)控模塊，與此同時(shí)，智能集控管理模塊還需將數(shù)據(jù)和分析結(jié)果通過(guò)GPRS傳送至數(shù)據(jù)庫(kù)。

智能集控管理模塊還具有報(bào)警功能，當(dāng)系統(tǒng)工作運(yùn)轉(zhuǎn)不正常時(shí)，該模塊主動(dòng)將系統(tǒng)異常運(yùn)轉(zhuǎn)類(lèi)型與導(dǎo)致系統(tǒng)異常的位置一起發(fā)送給系統(tǒng)維護(hù)者，這有助于快速的獲取系統(tǒng)異常信息并及時(shí)做出處理。

3.3 數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)交互模塊

數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)交互模塊主要由兩個(gè)部分組成，一部分是數(shù)據(jù)庫(kù)，它主要是負(fù)責(zé)集控管理模塊上傳的數(shù)據(jù)信息，并將這些信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。另一部分是客戶機(jī)，屬于該系統(tǒng)的用戶不僅可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)版瀏覽關(guān)于系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況的信息，還可以通過(guò)下載手機(jī)軟件或從微信公眾號(hào)中獲取系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

4 智能變電站軟件設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能變電站系統(tǒng)的功能在于對(duì)變電站的故障進(jìn)行分析與判斷，使得工作人員可以及時(shí)進(jìn)行處理，保障變電站工作人員及設(shè)備的安全，提高變電站的穩(wěn)定性。變電站的軟件系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)影響變電站工作的各個(gè)參數(shù)，如變壓器溫度、負(fù)載以及鐵芯接地電流等。將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)分析數(shù)據(jù)，判斷變電器的工作狀態(tài)。軟件功能分析如圖4所示。

圖4 軟件功能分析

軟件系統(tǒng)的具體運(yùn)轉(zhuǎn)流程如圖5所示。

圖5 軟件運(yùn)行流程

5 結(jié) 論

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高效能力實(shí)現(xiàn)了智能變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中人與物以及物與物之間的信息交換，有效地提高了變電站監(jiān)測(cè)的智能化程度。該系統(tǒng)主要采用分布式的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，對(duì)傳感器獨(dú)立供電，提高了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性。隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，智能變電站的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必然會(huì)占據(jù)越來(lái)越重要的地位。