基于傳感器網絡的配電網保護測控技術

廣東省輸變電工程公司 秦 理

基于傳感器網絡的配電網保護測控技術

廣東省輸變電工程公司 秦 理

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

輸電走廊;簇內傳感器節點;簇頭節點;監控預警

0 引言

目前,電力傳輸線路的故障經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濟損失.配電網自愈能力有待改進,配電網系統故障診斷與定位水平偏低.自愈是智能電網的主要特征之一,當故障發生時,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生.盡管近年來配電網開展了一系列故障診斷信息系統的建設,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,監測節點部署受成本限制;盡管積累了大量的配電網歷史故障數據,但目前數據處理手段能力很有限,只能對數據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,從而導致電力系統故障定位不夠精準.

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

1 支撐多任務類型的傳感器網絡架構

考慮整個輸電走廊像一條"狹長的帶子",以及傳感器節點的布置方案,各個桿塔的簇頭節點之間形成第 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點之間的數據,各自維護它們相互之間的路由,負責報文的轉發,通過"接力"的方式將數據傳遞給變電站.按照配電網的網絡構造,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點,支撐電網保護測控綜合智能系統的無線傳感器網絡架構如圖1所示.

圖1 電網保護傳感器網絡架構

各簇頭節點負責本地傳感數據的采集以及數據的塔間傳送,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,使用較小的發射功率,f2頻率主要用于塔間數據的多跳傳送,使用較大的發射功率.各簇頭節點只是負責數據的本地融合以及傳送,不具有感知功能.

2 簇內傳感器節點硬件模塊化設計

低成本是無線傳感節點要在電網災害實時監測中能實用的必須條件.同時,節點成本的降低能夠使監測區域的單位面積內安置更多的傳感節點,從而增加系統監測的精度和穩定性.同時節點應該盡量小,盡量不影響監測對象原來的特性,節點的通信距離滿足一定要求,一般單個節點的通信距離至少有 50m,數據轉發傳輸主要有簇頭節點負責,因此簇內傳感器無需支持多跳技術以及數據轉發功能.數據采集與處理模塊是傳感器節點的核心,負責傳感信號的采集、數據處理、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,數據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功耗直接關系到電池供電的傳感器節點的工作周期的長短.鑒于 DSP在數字信號處理方面的優越性能,考慮到不同型號 DSP 的性能參數及成本,綜合配電網保護測控的需求,初步選擇采用 TI 公司的 DSP芯片 TMS320F2812 負責數據的采集處理.

圖2 TMS320F2812芯片ADC模塊結構

(2)塔間通信的簇頭節點硬件設計

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

3 傳感器節點軟件設計

由于本地通信簇內傳感器節點只需要負責環境感知的任務,不需進行數據轉發,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.對于簇頭節點,擔負主要的數據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.

作為一個基于GIS的電網監測數據管理系統,數據的獲取、存儲、維護是系統實現的一個重點.屬性數據則主要是電網監測數據.考慮到電力系統數據量龐大,數據關系復雜,如果將所有參數數據直接.本系統的后臺電網監測數據庫是基于CIM規范建立的,在CIM規范中,IEC61970的301部分定義了與EMS相關的電力系統參數模型.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);根據傳感器節點的經緯度位置信息將其融入到已經生成的輸電電網圖中.另外,針對新線路的生成、已有線路的調整以及新傳感器節點的部署,需要對電網圖進行同步的更新.

4 總結

基于傳感器網絡的配電網保護測控綜合智能系統可應用于配電網災害智能監測預警與自動保護控制、配電網運行故障智能診斷與控制、配電網設備運行狀態智能監控與管理、配電網電力質量與穩定性的智能監測與控制等多個配電網智能化建設領域,研究開發基于傳感器網絡的配電網保護測控綜合智能系統,為積極推進傳感器網絡在智能電網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.