變電站通信設(shè)備機(jī)柜智能配電及微環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探討

荀思超，沈雨生，肖紅誼，魏林風(fēng)，王 軍

（國(guó)網(wǎng)江蘇電力公司鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224005）

0 引 言

通信設(shè)備智能配電技術(shù)是信息時(shí)代智能變電站配電技術(shù)的重要組成部分。由于變電站運(yùn)行的環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，變電站要處理的業(yè)務(wù)越來(lái)越多樣化，因此需要構(gòu)建合理的變電站通信配電技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)變電站通信設(shè)備配電設(shè)施的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，以保證變電站運(yùn)行和維護(hù)工作的穩(wěn)定性、便捷性以及安全性。目前，電力系統(tǒng)內(nèi)已出現(xiàn)多次因變電站二次設(shè)備室機(jī)房空調(diào)異常后室內(nèi)溫度升高，以及站內(nèi)二次設(shè)備保持運(yùn)行但通信設(shè)備啟動(dòng)自保護(hù)的現(xiàn)象，因此亟需開發(fā)針對(duì)變電站通信設(shè)備的智能配電和微環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)通信機(jī)柜的環(huán)境參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)單個(gè)通信設(shè)備柜溫濕度的自動(dòng)采集和傳輸。此外，加強(qiáng)通信設(shè)備的智能供電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有利于保證變電站通信設(shè)備的正常運(yùn)行。

1 變電站通信設(shè)備及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)

如圖1所示，變電站通信設(shè)備配電設(shè)施和環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由前端處理系統(tǒng)和后臺(tái)處理系統(tǒng)兩個(gè)部分組成。前端處理系統(tǒng)的主要任務(wù)是采集變電站內(nèi)各類儀器的運(yùn)行數(shù)據(jù)。安裝在變電站通信設(shè)備機(jī)柜內(nèi)的采集系統(tǒng)采集到的信息，經(jīng)過(guò)初步的預(yù)判斷和分析后上傳到電網(wǎng)中心服務(wù)器。后臺(tái)處理系統(tǒng)則主要負(fù)責(zé)收集和分析變電站內(nèi)通信設(shè)備機(jī)柜配電裝置和環(huán)境數(shù)據(jù)的變化并及時(shí)傳輸?shù)娇刂浦行摹蓚€(gè)部分相互配合，保證信息的采集和處理，從而為后續(xù)管理提供準(zhǔn)確的信息。

圖1 變電站通信設(shè)備智能配電和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行圖

2 變電站通信設(shè)備機(jī)柜智能配電及微環(huán)境監(jiān)測(cè)方案

2.1 電源設(shè)計(jì)

電力單位和技術(shù)人員需要加強(qiáng)對(duì)變電站智能化綜合方案實(shí)施和設(shè)計(jì)的重視。電力企業(yè)需要將智能化的電力設(shè)計(jì)方案和配電應(yīng)用設(shè)施推廣到變電站的實(shí)際建設(shè)過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)直流電綜合配電技術(shù)的研究。直流電源的發(fā)展趨勢(shì)是共享電源信息集成的重要基礎(chǔ)。這個(gè)過(guò)程中，需分析和討論適用于電源設(shè)計(jì)的信息數(shù)據(jù)，按照相應(yīng)的電壓標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)元件電源。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)操控輸電的強(qiáng)度，并監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，簡(jiǎn)化系統(tǒng)配置，最大限度地降低供電設(shè)計(jì)成本，從而減少供電安全問(wèn)題。

2.2 整合信息平臺(tái),智能化管理

電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是智能綜合變電設(shè)施。在實(shí)際方案設(shè)計(jì)中，要有效利用信息平臺(tái)。提高變電站的總體配電工作水平和運(yùn)行效率，需要通過(guò)搭建綜合的網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而這種信息平臺(tái)綜合了變電站的通信設(shè)施和監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)施。通過(guò)該信息平臺(tái)可以實(shí)時(shí)對(duì)變電站的通信設(shè)施發(fā)出指令，方便遠(yuǎn)程操控變電站內(nèi)的配電機(jī)柜，還可以及時(shí)監(jiān)測(cè)變電站內(nèi)機(jī)柜運(yùn)行數(shù)據(jù)的異常變化情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并修正。但是，變電站在實(shí)際運(yùn)行中產(chǎn)生了一系列安全和質(zhì)量問(wèn)題，導(dǎo)致工作人員在進(jìn)行維護(hù)和檢查時(shí)的耗時(shí)長(zhǎng)、效率低。由于傳統(tǒng)變電站具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜和設(shè)備多樣的特點(diǎn)，因此要根據(jù)變電站配電設(shè)備的特點(diǎn)具體問(wèn)題具體分析，構(gòu)建相應(yīng)的配電模型，加強(qiáng)變電站內(nèi)各運(yùn)行系統(tǒng)的信息管理與共享。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)框架的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為保證配電站監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，可以通過(guò)變電站內(nèi)配電線路與通信線路相結(jié)合的模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站相應(yīng)配件區(qū)域的集中監(jiān)測(cè)和管理，還可以減少變電站現(xiàn)場(chǎng)布線的工作量。通信后臺(tái)服務(wù)器、通信中間件服務(wù)器和通信傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了監(jiān)控系統(tǒng)框架的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，通信傳感器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是定期測(cè)量及分析處理變電站內(nèi)機(jī)柜的溫度和濕度。運(yùn)用ZigBee通信技術(shù)，可以在通信中間件服務(wù)器四周形成數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，將通信傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)酵ㄐ藕笈_(tái)服務(wù)器。配電站運(yùn)行和工作的維護(hù)人員可以通過(guò)后臺(tái)服務(wù)器上面?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)及時(shí)掌握配電設(shè)施的運(yùn)行情況，并通過(guò)分析電腦數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)分析結(jié)果上傳給監(jiān)控中心的管理人員，從而及時(shí)預(yù)報(bào)警處理溫濕度超標(biāo)的配點(diǎn)設(shè)施，方便及時(shí)派遣維修人員對(duì)配電機(jī)柜進(jìn)行降溫、除濕等工作，以達(dá)到及時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、分析控制數(shù)據(jù)以及處理配電問(wèn)題的目的。

2.4 硬件設(shè)計(jì)

2.4.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的主要功能是采集溫濕度信息、預(yù)判分析以及傳輸無(wú)線數(shù)據(jù)。如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)無(wú)線溫濕度傳感器通過(guò)CC2530搭建，由電源設(shè)備、傳感器設(shè)備、單片機(jī)設(shè)備以及無(wú)線通信設(shè)施組成。溫濕度信息的感知由SHT20傳感器實(shí)現(xiàn)，測(cè)量信號(hào)的數(shù)字化由CC2530模塊的A/D實(shí)現(xiàn)[1]。此外，該傳感器可以連接外部電源，便于在內(nèi)部電池受損的情況下繼續(xù)傳輸信息，方便傳感器的信號(hào)傳輸與使用。

圖2 設(shè)計(jì)原理與工作流程圖

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

管理配電服務(wù)區(qū)內(nèi)的傳感器用于協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)器的工作任務(wù)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)管理所屬區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)，主要通過(guò)工作范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸配電設(shè)施的工作數(shù)據(jù)，特別是溫度和濕度的變化數(shù)據(jù)，通過(guò)CAN線路傳給監(jiān)控控制系統(tǒng)，最終保證監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)傳輸。該監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于CC2530，由無(wú)線傳輸設(shè)備、單片機(jī)設(shè)備、電源設(shè)備以及CAN通信設(shè)備組成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)[2]，如圖3所示。

圖3 原件構(gòu)成和工作流程圖

3 變電站通信設(shè)備機(jī)柜智能配電及微環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 構(gòu)建嵌入式軟硬件平臺(tái)

將編譯插件通信框架、協(xié)議框架和媒體框架運(yùn)用于嵌入式目標(biāo)操作系統(tǒng)，通過(guò)向嵌入式目標(biāo)傳送編譯好的目標(biāo)程序和搭建建模框架實(shí)現(xiàn)插件的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)[3]。使用通用通信模塊和傳輸數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行建模，將對(duì)應(yīng)的通信處理插件添加在建模工具中還需要配置協(xié)議模塊和媒體模塊，并在目標(biāo)系統(tǒng)中載入設(shè)計(jì)好的插件模型文件。運(yùn)行文件中生成的通信服務(wù)系統(tǒng)能達(dá)到使用簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)模塊建立通信通道的目的。這種嵌入式通信平臺(tái)不是通過(guò)編寫代碼實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互傳遞，而是通過(guò)一種嵌入式建模系統(tǒng)來(lái)完成通信平臺(tái)的建立。這種智能配電通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接及變電站數(shù)據(jù)的上傳和接收，支持WLAN、VPN以及以太網(wǎng)端口的數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 通信數(shù)據(jù)的插件搭建

接口管理模塊和插件管理模塊相結(jié)合形成了通信數(shù)據(jù)的處理模塊。插件管理模塊的主要功能是能動(dòng)態(tài)加載協(xié)議類插件，接口管理類模塊的功能則是實(shí)現(xiàn)協(xié)議的交換回調(diào)和相關(guān)運(yùn)行插件框架的搭建，使得拓展協(xié)議模塊和應(yīng)用層接口中的數(shù)據(jù)能夠相通。根據(jù)預(yù)先調(diào)試好的配置，插件管理模塊可以自動(dòng)完成媒介插件的動(dòng)態(tài)加載過(guò)程，然后媒介插件和其他相關(guān)協(xié)議插件可以通過(guò)接口管理模塊進(jìn)行關(guān)聯(lián)，保證媒介插件和其他協(xié)議插件中的信息相互流通，最終搭建完整的通信數(shù)據(jù)插件。

3.3 搭建實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)

搭建變電站通信設(shè)備機(jī)柜智能配電及微環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟如下。首先，通過(guò)改變通信通道的模塊，將通信服務(wù)建模工具運(yùn)用于通信服務(wù)器處理插件。其次，由通信服務(wù)器處理接收來(lái)自通信服務(wù)建模工具傳送的服務(wù)協(xié)議框架修改通知。再次，系統(tǒng)內(nèi)的服務(wù)協(xié)議框架通過(guò)通信服務(wù)器傳輸?shù)呐渲米兓瘏?shù)，同步更改建模的配置數(shù)據(jù)。最后，更改好的配置數(shù)據(jù)通過(guò)通信服務(wù)器上傳到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

4 變電站通信設(shè)備柜智能配電及微環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的保障措施

4.1 安全技術(shù)措施

變電站通信設(shè)備智能配電技術(shù)的更新改革及新型變電站通信設(shè)備配電設(shè)施的使用，是提高電力系統(tǒng)安全性的重要保障[4]。因此，我國(guó)的變電站在近些年引進(jìn)了智能化的通信設(shè)備配電系統(tǒng)，并大批量淘汰了老舊的配電設(shè)施，提升了我國(guó)的智能配電安全技術(shù)水平。

4.2 構(gòu)建變電站智能通信配電及微環(huán)境監(jiān)控一體化網(wǎng)絡(luò)

4.2.1 構(gòu)建二次檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)

搭建與正常監(jiān)控系統(tǒng)相區(qū)別的信息來(lái)源檢測(cè)裝置，發(fā)現(xiàn)、收集并上傳正常監(jiān)控系統(tǒng)中遺漏的問(wèn)題和數(shù)據(jù)漏洞，以實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站通信設(shè)備配電設(shè)施進(jìn)行雙重監(jiān)測(cè)控制的目的。二次檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)與正常監(jiān)控系統(tǒng)的區(qū)別在于，它能夠收集正常監(jiān)控系統(tǒng)外的其他有效信息，并且在變電站正常監(jiān)控系統(tǒng)斷電的情況下正常工作運(yùn)行，是對(duì)變電站經(jīng)正常監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)補(bǔ)充，主要起查漏補(bǔ)缺和應(yīng)急監(jiān)控的作用。同時(shí)，它還能在線監(jiān)控正常的監(jiān)控系統(tǒng)，及時(shí)報(bào)告監(jiān)控系統(tǒng)的漏洞，實(shí)現(xiàn)雙向監(jiān)控。二次監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)處理可以更好地檢測(cè)目標(biāo)和數(shù)據(jù)源，防止信息和數(shù)據(jù)的誤傳或丟失，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕瑸樽冸娬就ㄐ旁O(shè)備智能配電和環(huán)境監(jiān)控一體化網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建奠定了良好的基礎(chǔ)。

4.2.2 構(gòu)建協(xié)同防護(hù)措施

采用自動(dòng)化配電技術(shù)搭建變電站通信設(shè)備配電設(shè)施與智能變電站的協(xié)同防護(hù)機(jī)制，可減少變電站通信機(jī)柜配電設(shè)施的重復(fù)配置工作，實(shí)現(xiàn)截流功能，防止超負(fù)荷分閘和合閘[5]。

4.2.3 構(gòu)建程序化系統(tǒng)

程序化控制系統(tǒng)也叫順序化控制系統(tǒng)。通過(guò)變電站內(nèi)的通信設(shè)備操作引導(dǎo)設(shè)施可以減少變電站工作人員的工作操作失誤，提高操作精度和效率，便于同時(shí)完成多個(gè)操作程序，從而建立一套完整的操作系統(tǒng)。

4.2.4 構(gòu)建自動(dòng)化報(bào)警系統(tǒng)

使用該系統(tǒng)后，控制中心往往會(huì)收到一些分類混亂的數(shù)據(jù)或會(huì)遺漏部分?jǐn)?shù)據(jù)的收集。自動(dòng)化報(bào)警系統(tǒng)的任務(wù)是及時(shí)清理和合并后臺(tái)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，減少信息傳輸過(guò)程中的故障問(wèn)題。

5 結(jié) 論

變電站通信設(shè)備柜智能配電及變電站微環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建，有利于變電站通信設(shè)備的安全穩(wěn)定的運(yùn)行。變電站開關(guān)柜溫濕度信息的在線監(jiān)測(cè)可以通過(guò)溫濕度信息幫助判斷變電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而提高整個(gè)變電站的安全性和可靠性。基于智能化通信設(shè)備配電及環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有供電連續(xù)性好、數(shù)據(jù)反饋及時(shí)以及運(yùn)行安全性和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)論是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)還是施工運(yùn)行環(huán)節(jié)，都應(yīng)提前做好規(guī)劃工作，合理采用相應(yīng)的技術(shù)和設(shè)備系統(tǒng)規(guī)模，更多地結(jié)合社會(huì)效益和發(fā)展效益。綜上所述，將通信機(jī)柜智能配電及環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于各類變電站，可以保證變電站通信設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性。