大型變電站分布式自動化檢修系統設計

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(國網鐵嶺供電公司，遼寧 鐵嶺 112000)

大型變電站分布式自動化檢修系統設計

高云峰，李江，王新宇，高云霞

(國網鐵嶺供電公司，遼寧鐵嶺112000)

由于大型變電站中的磁場對人們身體健康產生不利影響，因此通常采取分布式自動化檢修系統對大型變電站進行檢修;但目前大型變電站分布式自動化檢修系統主要是通過給變電站中每一個相關設備安裝狀態檢測信號，利用串口將設備運行狀態數據傳輸到監控系統，監控系統根據運行狀態數據判定變電站中各設備狀態，并根據各設備的狀態向串口發送命令，串口執行相應操作，從而完成自動化檢修系統設計;但這種方法無法對變電站中需要檢修的節點進行定位，導致變電站設備檢修存在效率低的問題;為此，提出一種基于RSSI的大型變電站分布式自動化檢修系統設計方法，首先對大型變電站分布式自動化檢修系統的模塊進行設計，并分析各模塊功能，對大型變電站分布式自動化檢修系統各模塊電路進行設計，保證系統正常運行，在此基礎上，利用RSSI算法對系統軟件進行設計，保證系統能夠準確及時的對故障節點進行檢修，從而實現大型變電站分布式自動化檢修系統設計，實驗證明，所提方法設計的大型變電站分布式自動化檢修系統能夠準確對變電站中故障節點進行定位，保證檢修的準確性和及時性，為該課題的研究開拓新道路，推動該領域發展。

大型變電站；分布式；自動化檢修系統設計

0 引言

隨著電力需求量的增大，大型變電站的數量越來越多，成為人們生活中重要的基礎設施[1]。但是在對大型變電站進行檢修維護過程中，如果采用人工方法，勢必要接近變電站，而變電站中存在磁場，不利于人們的身體健康，因此目前大型變電站采用自動化檢修方法，利用分布式自動化檢修系統對大型變電站進行檢修維護[2-3]。根據大型變電站分布式自動化檢修系統的功能需求，要求大型變電站分布式自動化檢修系統具有實時性、準確性特點[4]。目前大多數大型變電站分布式自動化檢修系統設計從現有變電站分布式自動化檢修系統存在問題出發，對系統進行設計，將變電站分布式自動化檢修系統分為在線監測模塊、設備狀態分析診斷模塊及自動化檢修管理模塊3個模塊，并對實現系統的相關技術進行分析，從而完成變電站分布式自動化檢修系統設計[5]。這種方法成為當前解決該課題的重點方法，引起了專家學者的廣泛關注[6]，隨著對國家電網建設重視程度的加深，該課題逐漸成為當前研究的熱點課題，隨著研究的深入，產生了許多研究成果[7]。

文獻[8]提出了一種基于WEB平臺的變電站維修管理系統設計方法，通過對變電站自動化維修的需求進行分析探究，介紹了基于WEB平臺的變電站自動化維修管理系統的設計過程。通過對系統的設計開發工具及實現的技術的介紹與分析，對系統的相關模塊進行設計，并介紹相關模塊的內容功能，最后對系統的數據庫進行設計，從而完成變電站維修管理系統設計。但這種方法沒有對系統軟件進行相應的設計，導致對變電站的檢修效率低下。文獻[9]提出了一種基于Virtools的變電站虛擬檢修系統設計方法，首先利用Solidworks對變電站進行三維建模，并利用3ds Max對模型進行處理，對變電站中設備進行多次協調設置，保證能夠準確的對變電站中故障設備進行檢修，最后利用Virtools進行交互設計，從而完成系統設計，但這種方法的設計變電站虛擬檢修系統存在檢修耗時長的問題。文獻[10]提出了一種基于Agent的維修保障仿真系統設計與實現方法，首先對維修保障系統的需求進行分析，確定維修保障系統的運行流程，然后對維修保障系統中各Agent實體之間的連接關系進行描述，從而完成維修保障仿真系統模型的構建，根據系統的模型，實現維修保障仿真系統。但這種方法設計的系統存在結構復雜，不利于操作及后續維護工作的順利開展。

針對上述問題，提出了一種基于RSSI的大型變電站分布式自動化檢修系統設計方法，首先對大型變電站分布式自動化檢修系統的模塊進行設計，并分析各模塊的功能，并對本文設計的大型變電站分布式自動化檢修系統各模塊實現電路進行分析，在此基礎上，通過RSSI算法實現系統根的軟件設計，提高系統對大型變電站中故障節點定位的準確性，實驗證明，本文所提方法能夠有效提高系統對大型變電站檢修的準確性和及時性，為該領域的發展奠定了基礎。

1 大型變電站分布式自動化檢修系統總體設計

配電站自動化檢修符合以人為本的發展戰略，變電站分布式自動化檢修系統能夠及時準確對配電站中各組成部件的運行狀態數據進行采集分析，從而對變電站進行檢修維護。

本文設計的大型變電站分布式自動化檢修系統是由硬件和軟件兩部分組成，為保證系統正常運行，利用串口通信技術進行連接，本文設計的大型變電站分布式自動化檢修系統結構如圖1所示。

圖1 大型變電站分布式自動化檢修系統結構

通過圖1可以看出，本文將自動化檢修系統分為通信模塊、狀態顯示模塊、業務模塊、以及數據維護模塊4個模塊。

在本文所提大型變電站分布式自動化檢修系統中，將通信模塊定義為變電站各部件狀態數據的接收和發送，首先通過接收變電站個部件的運行狀態數據，并對其進行預處理，并將自動化檢修系統對變電站的處理命令傳送回變電站。在狀態顯示模塊，主要是對變電站中各部件的運行狀態數據進行監控，保證能夠及時準確的發現變電站故障。業務處理模塊主要功能是對接收到的變電站運行數據進行分析研究，確定變電站運行狀況，根據變電站運行狀況，下達變電站操作命令。數據維護模塊主要是對大型變電站分布式自動化檢修系統中的數據進行維護，主要包括管理人員數據、配電站數據維護、以及自動化檢修系統參數維護。

通過上述各模塊的設計，對大型變電站分布式自動化檢修系統模塊進行設計，保證設計的大型變電站分布式自動化檢測系統能夠滿足功能需求。

2 基于RSSI的大型變電站分布式自動化檢修系統設計

為了能夠使大型變電站分布式自動化檢修系統正常運行，本文對系統個模塊的電路進行設計，在此基礎上，利用RSSI定位方法，對變電站中故障進行定位，保證檢修的精度。

2.1 大型變電站分布式自動化檢修系統模塊電路設計

2.1.1 自動化檢修系統通信模塊電路設計

在大型變電站分布式自動化檢修系統中，通信模塊設計了兩個串口，分別為UART1和UART0。利用UART1實現通信模塊與配電站的連接，方便運行數據的傳輸。利用UART0實現通信模塊與運行數據處理模塊的連接，從而實現數據的傳輸處理。

在大型變電站分布式自動化檢修系統中，通信模塊占據重要地位，本文選用MSP430F449芯片作為大型變電站分布式自動化檢修系統的核心控制芯片，保證系統個模塊的正常運行。

2.1.2 自動化檢修系統A/D轉換電路設計

在本文中需要利用A/D轉換電路對大型變電站分布式自動化檢修系統傳輸的信號進行轉換，通過將模擬信號鉆化成數字信號，將配電站各部件運行狀態以數字的形式進行體現，由于輸入的運行狀態信號是實時的，輸出的命令信息是離散的，因此，只能對一系列選取時間點上對輸入的模擬信號進行取樣，并將取樣的數值轉化為輸出信號。常用的A/D轉換器包括前值濾波、采樣/保持電路、量化電路以及編碼電路4個部分電路。A/D轉換器可以分為逐次逼近型A/D轉換器、積分型A/D轉換器等，通過對各種A/D轉換器性能以及優缺點的分析，本文采用雙積分型ADC轉換器，利用其特點，完成大型變電站分布式自動化檢修系統A/D轉換電路設計。

2.1.3 自動化檢修系統模擬電路設計

由于在A/D轉換器進行轉換的過程中，需要將計數器清零。在通過通信系統進行狀態數據采集和輸出過程中，利用CD4052的2Y管腳，構建放電回路，然后利用A/D轉換電路，進行信號轉換。本文大型變電站分布式自動化檢修系統的模擬電路設計如圖2所示。

圖2 自動化檢修系統的模擬電路設計

通過圖2，實現大型變電站分布式自動化檢修系統的模擬電路設計。

2.1.4 自動化檢修系統業務模塊電路設計

業務模塊主要是對經過A/D轉換電路的變電站各部件運行信號進行分析，在對業務模塊電路進行分析的過程中，需要對數據進行計讀，本文利用10位二進計數器對運行數字信號進行解讀，從而進行分析，確定檢修系統的操作。

2.1.5 自動化檢修系統數據維護模塊電路設計

對大型變電站分布式自動化系統數據維護模塊中，包含的內容數據較多，考慮到RSSI的自身特點，本文采用動態隨機RAM方式，通過RAM對自動化檢修系統的相關參數進行設置，并對數據進行存儲。RAM一般包括存儲矩陣、地址譯碼器、讀/寫控制電路等部分，通過對指定的自動化檢修系統數據進行讀/寫操作，包括數據參數的設置與修改，本文中選用32×8的RAM。

2.1.6 自動化檢修系統狀態顯示模塊電路設計

大型變電站分布式自動化檢修系統狀態顯示模塊的主要功能是顯示變電站中各部件的運行狀態，目前大多數狀態顯示模塊通過數碼管顯示和液晶顯示。其中液晶顯示具有發光效率高、使用壽命長、抗干擾性強等優點，但存在顯示亮度低的問題，本文中，通過若干個發光二極管共同完成狀態顯示模塊，每個二極管表示一個變電站中部件，通過將發光二極管導通，顯示相應的運行狀態數據。

本文設計的自動化檢修系統狀態顯示模塊電路采用動態顯示技術，將業務模塊的運行狀態數據利用顯示模塊電路發送到顯示器進行顯示。

如圖3所示，通過將每個顯示管的7個端a、b、c、d、e、f、g分別連在一起，每個顯示管由K1、K2、K3、K4四個選通信號進行控制，被選通的顯示管顯示變電站各部件的運行狀態，從而實現自動化檢修系統狀態顯示模塊電路設計。

圖3 自動化檢修系統狀態顯示模塊電路設計

通過上述論述，對本文設計的大型變電站分布式自動化檢修系統各模塊的電路進行設計，保證系統正常運行。

2.2 大型變電站分布式自動化檢修系統軟件設計

為保證檢修的效率，需要及時對變電站中出現的故障的位置進行定位，本文選用RSSI算法，保證系統故障定位的準確性，具體過程如下所述。

首先對變電站中故障節點距離進行估算，設定Pij表示節點i所接受節點j發送信號的能量，則Pij用公式可以表示成：

Pij=Π0-10nplog10(dij/Δ0)

(1)

式中，dij表示節點i和節點j之間的實際距離；Π0表示接收到的距離節點Δ0的參考節點發送的信號強度，利用空間路徑損耗公式進行計算；np表示與環境相關的路徑損耗系數。在大型變電站分布式自動化檢修系統中，e(i,j)和e(k,l)分別表示對應的兩條邊，則存在關系式：

Pkl=Π0-10nplog10(dkl/Δ0)

(2)

將上述兩個公式進行聯立，當Δ0=1時，則有:

(3)

因此，得到e(i,j)和e(k,l)之間的距離可以表示為：

(4)

式中，由于dij和dkl可以通過測量得到，Π0是已知的，從而計算得到每段距離與距離之間的關系。

在不考慮任何影響因素的條件下，兩點之間的距離與所接收到的信號強度成反比，因此信號強度越小，兩節點之間的距離就越長。通過對整個變電站中所有RSSI值進行收集，并將收集的RSSI值匯集成集合，并從集合中尋早最小的RSSI值：

(5)

式中，由于Pmin對應的兩節點間的距離最長，因此可以記為dmax。利用公式(4)得到任意一邊e(i,j)對應的兩點之間距離dij可以表示為;

(6)

dmax表示節點之間距離的最大值，當節點之間的距離繼續增大時，兩節點見無法實現信號接收，便不能通信，因此dmax也接近于節點的通信半徑R，本文中，近似的看成dmax=R，利用公式(6)則可以估算出e(i,j)的距離：

(7)

利用上式，便可以近似地估算出變電站所有節點間的距離，但這種方法還存在一定的誤差。通過利用這些估計距離作為約束條件，將定位問題轉化為二次約束問題，利用規劃的方法對其進行求解，提高對變電站中故障節點定位的準確性，從而完成大型變電站分布式自動化檢修系統軟件設計。

3 實驗及結果分析

為證明本文提出的基于RSSI的大型變電站分布式自動化檢修系統設計方法的可行性，進行一次實驗。在網絡環境下搭建變電站檢修實驗平臺。通過觀察本文所提方法設計的大型變電站分布式自動化檢修系統的整體有效性，從而完成實驗。

3.1 實驗步驟

本文中，利用專業的設備將變電站分布俄式自動化檢修系統與實驗所用變電站進行連接，通過分析試驗結果，從而完成大型變電站分布式自動化檢修系統設計實驗。具體實驗步驟如下：

1)首先對比不同方法設計的自動化檢修系統對變電站中不同設備檢修耗時(min)，為保證實驗的準確性，對變電站中每一設備檢修進行了50次實驗，計算耗時平均值作為該方法設備檢修耗時；

2)對比3種方法設計的分布式自動化檢修系統對大型變電站進行檢修結果。

3.2 實驗結果分析

變電站中不同設備檢修耗時(s)對比，對比結果如表1所示。

表1 變電站中不同設備檢修耗時對比

通過表1可知，本文所提方法設計的分布式自動化檢修系統檢修耗時較短，由于本文采用了RSSI技術，可以準確快速的對變電站中故障設備進行定位，從而提高了檢修的效率。

然后對比3種方法設計的分布式自動化檢修系統對大型變電站進行檢修結果，對比結果如圖4所示。

圖4 3種方法設計的系統檢修效果

通過圖4可以看出，本文方法設計的分布式自動化檢修系統進行檢修后，電流的信噪比波動較小，因此本文方法檢修后變電站電流穩定，說明本文方法設計的系統檢修結果較好。綜上所述，本文所提方法設計的分布式自動化檢修系統檢修速度快，效果好，具有良好的使用價值。

4 結束語

隨著國家電網建設事業的發展，由于變電站在電網建設中發揮著重要作用，對其的重視程度正不斷加深，由于變電站中存在對人體危害性較強的電磁場，人工對變電站進行檢修會給檢修人員的身體帶來不利影響，變電站分布式自動化檢修系統應運而生。針對當前檢修系統存在的檢修效率低的問題，提出一種基于RSSI的大型變電站分布式自動化檢修系統設計方法，通過實驗證明，所提方法設計的自動化檢修系統檢修效率較高，但還存在著運行能耗大的問題，需要后續研究此課題的專家學者解決。

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DesignofDistributedAutomaticMaintenanceSystemforLargeSubstation

Gao Yunfeng,Li Jiang,Wang Xinyu,Gao Yunxia

(State Grid Tieling Power Electric Supply Company, Tieling 112000,China)

Because the magnetic field existing in the large substation has a negative impact on people's health, it is necessary to send a large-scale substation to the substation magnetic field, which is not conducive to the health of the people. Therefore, the large-scale substation is usually carried out by distributed automatic maintenance system The But the current large-scale substation distributed automatic maintenance system is mainly through the substation in each of the relevant equipment to install the state detection signal, the use of serial port equipment to run the state data transmission to the monitoring system, monitoring system based on operational status data to determine the substation equipment in the state, And according to the status of each device to send commands to the serial port, the serial port to perform the corresponding operation, thus completing the automated maintenance system design, but this method can not need to repair the substation nodes in the substation, resulting in substation equipment problems identified low accuracy, In this paper, a design method of distributed automatic maintenance system for large-scale substation based on RSSI is proposed. Firstly, the module of distributed automatic maintenance system of large substation is designed and analyzed, and the functions of each module are analyzed. In order to realize the system modules, Distributed automatic maintenance system, the circuit is designed to ensure the normal operation of the system. On this basis, the RSSI algorithm is used to design the software of the system to ensure that the system can repair the fault nodes accurately and timely. This paper proves that the distributed automatic maintenance system designed by the method proposed in this paper can accurately locate the fault nodes in the substation and ensure the accuracy and timeliness of the maintenance. For the purpose of this project, the author analyzes the design of the large-scale substation distributed automatic maintenance system The study pioneered new ways and promoted the development of the field.

large substation; distributed; automatic maintenance system design

2017-06-22；

2017-07-19。

高云峰(1976-)，男，黑龍江五大連池人，副高級工程師，主要從事電力工程方向的研究。

1671-4598(2017)10-0255-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.065

TP311

A