基于物聯網技術與分層分布式結構的智能變電站在線監測系統設計

李穎杰， 黃勇光， 程鵬飛

(1.深圳供電局有限公司南方電網， 廣東，深圳 518000；2.深圳數字電網研究院有限公司， 廣東，深圳 518000)

0 引言

智能變電站在運行過程中采用全自動運行模式，在運行過程中會存在由于程序運行故障而影響變電站運行的情況，另外變電站中的電力設備在正常工作狀態下時刻受到電效應、機械效應等方面的影響，容易出現老化的問題，會嚴重影響到智能變電站的工作效率和效果。為了保證智能變電站安全穩定的運行，需要設計相應的實時監測系統[1]。

近年來中國的在線監測系統取得了較好的研究成果，其中包括基于ZigBee網絡的監控系統[2]、基于無線傳感器網絡的監控系統以及基于GIS平臺的監控系統。然而傳統智能變電站在線監控系統的監控范圍有限，為了解決上述問題，將物聯網技術與分層分布式結構結合在一起應用到傳統的智能變電站在線監控系統當中，其中物聯網技術主要是通過信息傳感設備與約定的協議，將任何物體與網絡相連接，實現實時信息的交互與共享。分層分布式結構是在結構上采用主從CPU協同工作的方式，將計算機中各個功能模塊之間采用網絡技術或串行方式實現數據的通信，并提高計算機處理并行多發事件的能力。將物聯網技術與分層分布式結構應用到智能變電站在線監測系統當中，可以在解決傳統系統監測問題的同時，提升系統的運行效率。

1 基于分層分布式結構的智能變電站在線監測硬件系統設計

智能變電站在線監測系統設計的目的是對全站電氣設備、安裝地點以及周邊環境進行全天候的常規視頻監控，同時能夠與其他子系統實現相互調動，從而實現智能變電站監測的報警聯動，滿足智能變電站云頂管理對安全的要求[3]。該系統的總體結構布局如圖1所示。

圖1 智能變電站在線監測系統總體布局框圖

利用物聯網技術和分層分布式結構分別從傳感器、信息通信等多個方面改裝并連接硬件設備[4]，實現對智能變電站在線監測硬件系統結構的設計，設計結果如圖2所示。

圖2 智能變電站在線監測硬件系統結構圖

1.1 無線物聯傳感器模塊

根據物聯網內數據的流向及其處理方式，可以將物聯網分為三層結構，分別為感知層、網絡層和應用層。其中感知層需要安裝的傳感器包括攝像頭、紅外線、讀寫器等具有感知功能的終端，該類傳感器可以采集物理事件和相關數據[5]。由于在此次設計的智能變電站在線監測系統中，數據是從智能變電站系統流向監測處理器的，因此可以在智能變電站環境內安裝溫度傳感器、濕度傳感器以及攝像頭等感知類傳感器設備。

1.2 分層分布式變電站通信體系

按照IEC61850變電站通信網絡和系統協議，將智能變電站通信體系分為變電站層、間隔層以及設備層，形成通信體系的分層分布式結構，如圖3所示。

在圖3中,變電站層就是物聯網傳感器模塊，間隔層按一次設備組織，一般按斷路器的間隔劃分，包括測量、控制和繼電保護部分[6]。在分層分布式通信網絡中，若要實現智能變電站數據的實時在線傳輸，需要制定相應的網絡通信協議[7]。此次選擇的網絡通信協議為IEC61850標準網絡協議，在此基礎上確定通信網絡邏輯節點和數據、構建硬件設備之間的邏輯關系，并連接通信服務器形成智能變電站與監測服務器之間的邏輯通路。

圖3 分層分布式結構圖

1.3 主控芯片與微處理器選型

選擇CC2530作為智能變電站在線監測系統的主控芯片，該芯片融合了收發器功能，同時也符合分層分布式通信網絡的協議標準，在運行過程中具有高效穩定的特點。由于智能變電站監測過程中除了數據之外，還有采集的大量視頻圖像，因此占用系統的內存空間較大[8]。為了保證系統在上述情況下依舊保持良好的運行效率，在主控芯片上內置一個增強型的8051MCU，該設備的內存容量為128GB，且可以直接進行閃存編程。由于在線監測系統的數據運算要求較高，因此選用型號為DSP的微處理器，該設備可以在無故障的狀態下長期連續工作，且不會受到外界電磁信號的干擾和影響。

2 智能變電站在線監測系統數據庫設計

在智能變電站在線監測系統中設計數據庫的目的是為軟件功能的實現提供數據支持，數據庫大體分為兩個部分，分別為歷史監測數據和實時監測數據，歷史監測數據可以提供查看與調用的功能，而實時監測數據用來反饋給監控指揮中心，也是用來判斷智能變電站是否處于正常運行狀態的判斷標準。在各個數據庫表中，又可以根據智能變電站的監測模塊將監測數據分為變壓器局部放電監測數據、電容型設備絕緣監測數據、避雷器絕緣監測數據等,以數據庫表中斷路器局部放電數據為例，確定數據庫表的存儲格式。

3 物聯網環境下的智能變電站在線監測軟件功能設計

針對智能變電站的運行要求，在硬件設備和數據庫的支持下設計在線監測的軟件功能需要實現的軟件功能分為兩個方面，分別為變電站電氣設備運行狀態的監測和運行環境的監測，根據得出的監測結果確定發生異常的位置，并執行報警程序。

3.1 物聯網技術在線采集實時數據

利用物聯網技術以及相應的硬件傳感器設備，智能變電站按照室內監控傳感器需要設置云臺和位置預設的功能，從而滿足變電站內視頻動態跟蹤的要求，保證監測數據與空間的完整性。將硬件系統中的傳感器設備安裝在云臺上，一般情況下云臺可以分為固定云臺和電動云臺兩種類型，針對固定云臺調整傳感器的水平和俯仰角度即可。而針對電動云臺可以實現擴展監控區域的目的，利用硬件系統中控制設備精確控制電動機自動運行定位，并可以利用相關的控制程序調整電動云臺的轉動頻率與續航時間。利用控制程序將傳感器與云臺設備調整到工作狀態，并與監測系統的數據庫之間形成通信鏈路，實時收集智能變電站環境中的相關數據和視頻圖像，通過壓縮編碼得出物理網技術下的監測數據采集結果。

3.2 并行數據傳輸

以分層分布式結構為依托，借助形成的數據傳輸通路，將智能變電站端采集到的數據傳輸到在線監測服務器端。為了提升系統的運行效率，可以利用分層分布式通信網絡結構實現數據的并行傳輸處理，具體的數據傳輸過程如圖4所示。

圖4 智能變電站在線監測數據傳輸流程圖

在數據傳輸之前首先需要對其進行信號調理，假設傳感器得出的在線采集數據結果為T1s、T2s和T3s，其中T1s為智能變電站電壓互感器的數據采集結果，T2s為電纜數據，T3s為信號調理保護單元，那么三者等效處理得出的傳輸參數可以表示為

Ts=T1sT2sT3s

(1)

且傳感器的采集結果滿足式(2)表示的約束條件:

Uis

Iis=TisUi+1s

-Ii+1s

(2)

其中,i的取值為1,2,3。式(2)中Ui和Ii分別為智能變電站時域信號變換得出的頻域電壓信號和頻域電流信號。經過信號調理后，在通信傳輸協議的約束下，實現實時監測數據的傳輸。

3.3 實現智能變電站在線監測功能

3.3.1 變電站環境監測

智能變電站站內環境的監測主要從三個方面執行，分別為變電站內戶外氣象要素的監測，監測指標包括大氣溫度、相對濕度、風向、風速、降水量以及大氣壓強等，另外就是對站內室內環境溫度以及濕度的監測，同時也需要考慮易浸水區域的漏水現象。以監測變電站中的相對濕度為例，將物聯網技術下采集到的濕度數據單獨提取出來，直接顯示在監測系統的主界面上，得到變電站環境濕度的監測結果。同理可以得出智能變電站其他環境指標的監測結果，在分層分布式結構的支持下實現數據的并行輸出，以保證在監測系統界面上可以同步更新不同的環境監測指標數據。

3.3.2 智能變電站故障監測與報警

智能變電站故障的監測主要是對站內電氣設備使用狀態的監測，在監測系統的后臺數據庫中設置電氣設備在正常運行狀態下的數據浮動范圍區間。為了給智能變電站的維修工作提供準確的數據支持，間接保證變電站的運行效率，在監測到故障后需要及時確定故障發生的位置。假設傳感器A、傳感器B和傳感器C監測到設備運行數據異常，則可以直接得出三個傳感器的位置坐標分別為xa,ya、xb,yb和xc,yc，假設設備故障位置為Ox,y，則可以得出傳感器與故障位置之間的距離：

da=x-xa2+y-ya2

db=x-xb2+y-yb2

dc=x-xc2+y-yc2

(3)

將式(3)中參數聯立，即可得出求解智能變電站設備故障位置的表達式為

x

y=2xa-xc2ya-yc

2xb-xc2yb-yc-1

x2a-x2c+y2a-y2c+d2c-d2a

x2b-x2c+y2b-y2c+d2c-d2b

(4)

在智能變電站電氣設備的監測過程中，明確標注出電氣設備的實時運行參數及當前運行狀態,當發現運行狀態為異?；蚬收蠣顟B時，啟動故障定位程序，在系統的主界面上輸出故障位置的具體坐標。

4 在線監測系統測試

此次實驗主要測試在線監測系統的監測功能，分別觀察設計系統在不同環境下的監測范圍。設置實驗的環境變量為干擾電波，此次系統測試實驗共分為8組，分別設置干擾電波強度為0 dB、0.5 dB、1.0 dB和5 dB。將本文所設計系統與文獻[3]進行比較,用相同的平臺開發，并放置在相同的實驗環境下。經過對環境變量的控制，分別得出2個監測系統在不同環境下的最大監測距離，并計算出2個系統的最大監測面積。經過統計與計算得出系統測試結果，如圖5所示。

圖5 系統測試對比結果

從圖5可以看出，2種在線監測系統在智能變電站環境下，干擾強度越大監測范圍越小。為保證實驗結果的精確性，在一個測試環境下進行多次實驗，取得的平均值為最終的測試結果。經過計算基于物聯網技術與分層分布式結構的智能變電站在線監測系統的監控范圍始終大于文獻[3]監測系統，設計的監測系統在干擾因素的影響下，監測范圍的縮小程度更小，量化監控結果可以發現設計監測系統的監測范圍擴大了約60.5%。

2種監測系統的抗干擾性能對比結果如圖6所示。

圖6 抗干擾性能對比結果

如圖6示，在10 min的監測過程中，文獻[3]經過縱向對比發現，設計的監測系統在干擾因素的影響下,系統承受的干擾量平均值為3.5 dB，而所設計系統的干擾量平均值為0.7 dB，證明該系統的抗干擾性能更強。

5 總結

在傳統智能變電站在線監測系統的基礎上，引入物聯網技術與分層分布式結構的概念，實現了對智能變電站各個設備的實時監測，并對設備在運行過程中可能出現的故障以及異常問題進行預警和報警，具有較強的適用性和安全性。將該系統應用到實際的智能變電站的運行工作當中，應用結果表明所設計系統的檢測范圍得到了明顯擴大，且抗干擾性能更強，可以有效地保證變電站的運行安全，因此具有較高的應用和研究價值。