仇晨光，張 浩，閆朝陽，柴 赟

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210013)

1 總體設(shè)計(jì)

礦區(qū)變電站運(yùn)行全過程信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)分析層、數(shù)據(jù)管理層和預(yù)警層構(gòu)成。每個(gè)功能層都有相對(duì)應(yīng)的模塊結(jié)構(gòu)，礦區(qū)變電站運(yùn)行全過程信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 礦區(qū)變電站運(yùn)行全過程信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of information monitoring system for the whole process of substation operation in mining area

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 S3C2440芯片

在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)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(qiáng)大，在使用過程中耗能較低，主頻率可達(dá)到533 MHz，并具備16 KB的指令緩存和數(shù)據(jù)緩存功能，能夠完全滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求。滿足了對(duì)智能管理和監(jiān)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(qǐng)求接口和通道IIS總線音頻編碼器接口，可兼容SD主接口協(xié)議和MMC卡協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)和燒寫程序的控制。采用I2C界面進(jìn)行管理指令交互，通過網(wǎng)絡(luò)端口對(duì)礦區(qū)變電站運(yùn)行全過程信息進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，若礦區(qū)變電站出現(xiàn)運(yùn)行異常，可通過GPIO發(fā)送對(duì)應(yīng)的報(bào)警信號(hào)[8]。

S3C2440芯片參數(shù)：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(shí)完成信號(hào)的發(fā)射與接收，可以滿足二次發(fā)射的需求；操作頻率較廣，可覆蓋70 MHz～6 GHz范圍，發(fā)射與接收信道帶寬在200 kHz～56 MHz。AD9361芯片內(nèi)置有高密度的功放、混頻器、本振產(chǎn)生、濾波器、 ADC/DAC等功能，將接收的模擬信號(hào)經(jīng)過選擇器后進(jìn)入LNA，再進(jìn)入混合器，用PLL部件輸入本振信號(hào)，對(duì)不同信號(hào)進(jìn)行解調(diào)[9]；再經(jīng)過一個(gè)放大器和最大帶寬為56 MHz的模擬低通濾波器，縮短信號(hào)取樣時(shí)間，使所輸出的數(shù)據(jù)具有適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)頻率。

AD9361芯片參數(shù)：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(shù)據(jù)采集模塊由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，高壓開關(guān)運(yùn)行全過程信息監(jiān)測(cè)模塊的傳感器節(jié)點(diǎn)主要是HY5W-110 kV型號(hào)避雷器監(jiān)測(cè)傳感器、AR0130CSSC00SPBA0-DR型號(hào)開關(guān)視頻監(jiān)測(cè)傳感器、JDM-2型號(hào)機(jī)械特性監(jiān)測(cè)傳感器、WFS-D8-UHF-E型號(hào)局部放電監(jiān)測(cè)傳感器、NAP-57A型號(hào)氣體密度與微水監(jiān)測(cè)傳感器。變壓器運(yùn)行全過程信息監(jiān)測(cè)模塊的傳感器節(jié)點(diǎn)主要為JYJC-64G型號(hào)套管絕緣監(jiān)測(cè)傳感器、APS12450LLHALT-1SLA型號(hào)鐵芯狀態(tài)電流監(jiān)測(cè)傳感器[10]。各個(gè)傳感器參數(shù)見表1。

4）訓(xùn)練方式、手段及步驟：將學(xué)生分成幾個(gè)小組（5人一組），每個(gè)小組確定說話的類型，小組內(nèi)進(jìn)行談?wù)?，要求每位學(xué)生都參與，說話時(shí)間至少3分鐘；小組訓(xùn)練結(jié)束后，教師在隨機(jī)抽取各小組幾名學(xué)生，進(jìn)行即興說話，學(xué)生和老師按照既定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的評(píng)分和點(diǎn)評(píng)。

表1 傳感器參數(shù)Tab.1 Sensor parameters

2.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解析重組模塊

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解析重組模塊主要由高壓開關(guān)與變壓器子IED構(gòu)成，IED是智能監(jiān)測(cè)裝置的英文縮寫。高壓開關(guān)與變壓器子IED與傳感器節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)[11]，傳感器節(jié)點(diǎn)采集目標(biāo)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)后，便會(huì)傳輸至數(shù)據(jù)處理層的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解析重組模塊，此模塊驅(qū)動(dòng)高壓開關(guān)與變壓器子IED，將獲取的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行分類整理存儲(chǔ)后發(fā)送至數(shù)據(jù)管理層[12]。此模塊可將采集的監(jiān)測(cè)信息實(shí)施解析、數(shù)據(jù)預(yù)處理與數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)重組。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解析重組模塊的硬件結(jié)構(gòu)主要分為電源單元、電源管理單元、ZigBee無線單元、GSM單元、內(nèi)存管理單元等。其中，數(shù)據(jù)解析重組模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中，MCU是性能卓越的工業(yè)級(jí)處理器，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解析，且運(yùn)行功耗極小。ZigBee單元是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)。如果監(jiān)測(cè)的信息存在異常，便會(huì)傳輸報(bào)警信號(hào)發(fā)送至預(yù)警層，進(jìn)行聲光報(bào)警提示、警鈴提示等。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)處理流程設(shè)計(jì)

通過傳感器節(jié)點(diǎn)采集到礦區(qū)變電站運(yùn)行全過程信息數(shù)據(jù)后，需要對(duì)運(yùn)行全過程信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取有效的礦區(qū)變電站運(yùn)行全過程信息數(shù)據(jù)包，與過往運(yùn)行參數(shù)信息進(jìn)行比對(duì)，分析數(shù)據(jù)包是否為變電站正常運(yùn)行下的全過程信息數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果判斷變電站是否存在運(yùn)行異常的情況。礦區(qū)變電站運(yùn)行全過程信息數(shù)據(jù)處理流程圖如圖3所示。

圖2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解析重組模塊Fig.2 Analysis and reorganization module of monitoring data

圖3 運(yùn)行信息數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Operation information data processing flow chart

3.2 監(jiān)測(cè)過程信息傳輸程序設(shè)計(jì)

礦區(qū)變電站運(yùn)行全過程信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，傳感器會(huì)通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)把需傳輸監(jiān)測(cè)信息傳輸至監(jiān)控主機(jī)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(jiān)測(cè)信息后，將此信息與監(jiān)控主機(jī)下達(dá)的通信信息實(shí)施緩沖處理后，發(fā)送至實(shí)施信息緩沖單元，實(shí)時(shí)信息緩沖單元把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)施解析處理后存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)文件里，更新礦區(qū)變電站運(yùn)行全過程信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)客戶端的數(shù)據(jù)顯示與圖形變化信息反饋至用戶。礦區(qū)變電站運(yùn)行全過程信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，監(jiān)測(cè)過程信息流程如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)過程信息流示意Fig.4 Schematic diagram of monitoring process information flow

3.3 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)

礦區(qū)變電站運(yùn)行全過程信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可自主實(shí)現(xiàn)變電站運(yùn)行全過程信息采集、監(jiān)測(cè)、異常診斷等基礎(chǔ)功能。系統(tǒng)所應(yīng)用的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.5 ZigBee wireless network structure

如圖5所示，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，該網(wǎng)絡(luò)通信模式下，本文系統(tǒng)使用了ZigBee協(xié)議棧，此協(xié)議可以保證無線設(shè)備在功耗與成本都較小的前提下，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)變電站監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)—礦區(qū)變電站監(jiān)測(cè)客戶端的雙向信息傳輸[14]。比如可以將礦區(qū)變電站監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的信息傳輸至礦區(qū)變電站監(jiān)測(cè)客戶端，礦區(qū)變電站監(jiān)測(cè)客戶端也可以下達(dá)預(yù)警信號(hào)傳輸至礦區(qū)變電站監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)[15]。該協(xié)議棧使用了基于RETX值的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)路由選擇方法，有效實(shí)現(xiàn)礦區(qū)變電站監(jiān)測(cè)信息的高效傳輸。

由于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)需要依靠電磁波來傳輸數(shù)據(jù)信息，在無線信道處理環(huán)節(jié)中，加強(qiáng)無線信號(hào)處理能力，增加射頻信號(hào)濾波處理過程，提高ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)處理能力，增加抗干擾能力。濾波器誤差計(jì)算為：

e(m)=d(n)-r

(1)

式中，d為射頻干擾信號(hào)；n為射頻信號(hào)函數(shù)；r為濾波信號(hào)頻率。

將濾波器誤差結(jié)果代入ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)輸入信號(hào)的函數(shù)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(shù)；f為參數(shù)空間；t為濾波信號(hào)頻率。

將結(jié)果輸入射頻信號(hào)矩陣，減少信號(hào)干擾，提高ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)處理能力。

3.4 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)路由選擇方法

ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，路由的選擇模式存在靈活性，如果某個(gè)路由出現(xiàn)異常，變電站運(yùn)行監(jiān)測(cè)信息便會(huì)傳輸在其他路由上[16-18]。RETX值為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)路由中接收信號(hào)強(qiáng)度顯示值與期望發(fā)包數(shù)之和，選擇ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)路由傳輸?shù)V區(qū)變電站監(jiān)測(cè)信息時(shí)，層至層的鏈路就是RETX總和較小的值所在路由。

通過某個(gè)鏈路成功傳輸一組礦區(qū)變電站監(jiān)測(cè)信息而需要發(fā)送包的數(shù)量來計(jì)算正向鏈路收包率與反向鏈路收包率。使用指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均算法，對(duì)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸特征進(jìn)行分析，以提高信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。根據(jù)信息移動(dòng)窗口的礦區(qū)變電站監(jiān)測(cè)信息接收信號(hào)強(qiáng)度，獲得該信息移動(dòng)窗口中的接收信號(hào)強(qiáng)度顯示均值，對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)值來掌握礦區(qū)變電站監(jiān)測(cè)信息傳輸鏈路通信狀態(tài)[19-20]。在礦區(qū)變電站監(jiān)測(cè)信息傳輸時(shí)，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(wǎng)絡(luò)擁塞率較小，信息傳輸實(shí)時(shí)性較高。

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了測(cè)試本文系統(tǒng)的應(yīng)用效果，以變電站內(nèi)12號(hào)主變壓器為監(jiān)測(cè)對(duì)象，采用本文系統(tǒng)對(duì)12號(hào)主變壓器運(yùn)行全過程信息實(shí)施監(jiān)測(cè)。

4.1 礦區(qū)變壓器運(yùn)行全過程監(jiān)測(cè)效果

本文系統(tǒng)對(duì)該礦區(qū)變電站的變壓器實(shí)施運(yùn)行全過程監(jiān)測(cè)時(shí)，測(cè)點(diǎn)編碼與監(jiān)測(cè)內(nèi)容對(duì)應(yīng)如下。c1：12號(hào)主變壓器溫度；c2：12號(hào)主變壓器低壓側(cè)電流；c3：12號(hào)主變壓器低壓側(cè)功率；c4：12號(hào)主變壓器中壓側(cè)電流；c5：12號(hào)主變壓器中壓側(cè)功率；c6：12號(hào)主變壓器高壓側(cè)電流；c7：12號(hào)主變壓器高壓側(cè)功率。得到12號(hào)變壓器運(yùn)行全過程信息監(jiān)測(cè)結(jié)果，c1測(cè)點(diǎn)溫度為45.38 ℃，低壓側(cè)c2測(cè)點(diǎn)電流為255.60 A，c3測(cè)點(diǎn)功率為18.56 W；中壓側(cè)c4測(cè)點(diǎn)電流為157.12 A，c5測(cè)點(diǎn)功率為31.95 W；高壓側(cè)c6測(cè)點(diǎn)電流121.94 A，c7測(cè)點(diǎn)功率為48.71 W，均無異常。

通過本文系統(tǒng)，對(duì)12號(hào)變壓器運(yùn)行全過程的溫度信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)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(qū)變電站的變壓器全過程信息監(jiān)測(cè)結(jié)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(gè)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，2條溫度曲線顯示的是監(jiān)測(cè)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)溫度。若2個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)溫度的溫差較大，便是傳感器出現(xiàn)異常。在不存在異常的工作模式中，系統(tǒng)2個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)溫度的溫差差異較小，2個(gè)溫度計(jì)的溫差為0～1 ℃，表示該礦區(qū)變電站的變壓器溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠。

4.2 礦區(qū)高壓開關(guān)運(yùn)行全過程監(jiān)測(cè)效果

本文系統(tǒng)對(duì)該礦區(qū)12號(hào)變壓器高壓開關(guān)柜間斷放電變化、內(nèi)部氣隙放電變化和懸浮點(diǎn)位放電變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采樣率20 GS/s，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，本文系統(tǒng)對(duì)該礦區(qū)高壓開關(guān)柜間斷放電、內(nèi)部氣隙放電、懸浮點(diǎn)位監(jiān)測(cè)后，監(jiān)測(cè)結(jié)果較為明確，波動(dòng)信息直接顯示。

4.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)吞吐率測(cè)試結(jié)果

變電站運(yùn)行全過程信息量較大，而監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性又較為重要，為此，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)吞吐率十分重要，直接影響監(jiān)測(cè)信息的傳輸實(shí)時(shí)性，本文系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)該礦區(qū)變電站高壓開關(guān)、變壓器信息時(shí)的網(wǎng)絡(luò)吞吐率測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖7 該礦區(qū)高壓開關(guān)柜間斷放電模式監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.7 Monitoring results of intermittent discharge mode of high voltage switchgear in the mining area

圖8 本文系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)吞吐率測(cè)試結(jié)果Fig.8 Network throughput test results of system in this paper

由圖8可知，本文系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)該礦區(qū)變電站高壓開關(guān)、變壓器信息時(shí)，網(wǎng)絡(luò)吞吐率大于40 Kbit/s，原因是本文系統(tǒng)中使用了基于RETX值的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)路由選擇方法，該方法在選取監(jiān)測(cè)信息傳輸路由時(shí)，會(huì)分析路徑的實(shí)際通信狀態(tài)，以此選取最可靠最匹配的監(jiān)測(cè)信息傳輸路由，以此提高了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)吞吐率。

5 結(jié)語

研究礦區(qū)變電站運(yùn)行全過程信息監(jiān)控問題，并設(shè)計(jì)了礦區(qū)變電站運(yùn)行全過程信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

(1)本文系統(tǒng)監(jiān)測(cè)該礦區(qū)變電站的變壓器運(yùn)行全過程信息時(shí)，對(duì)主變壓器低壓側(cè)、中壓側(cè)、高壓側(cè)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(tǒng)對(duì)該礦區(qū)高壓開關(guān)柜間斷放電、內(nèi)部氣隙放電、懸浮點(diǎn)位監(jiān)測(cè)后，監(jiān)測(cè)結(jié)果較為明確，波動(dòng)信息直接顯示。

(3)本文系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)該礦區(qū)變電站高壓開關(guān)、變壓器信息時(shí)，網(wǎng)絡(luò)吞吐率大于40 Kbit/s，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)吞吐率較高。