基于物聯網技術的變電站智能輔助監控系統研究

張 亮，張 源，馮希寧，萬文華，崔 瀅

（1.國網寧夏電力公司檢修公司，寧夏銀川 750011；2.寧夏中科恒瑞智能科技有限公司，寧夏銀川 750011）

0 引言

智能變電站在國內逐漸成熟與普及，相應的監控系統也呈現出智能化的發展趨勢，讓變電站達到“無人值班”的效果。在變電站中，它不僅能夠完成對時效有較高要求的監測任務，還能完成對時效要求相對較差的監測內容，如設備工作狀態。

1 物聯網技術優勢

變電站的智能輔助系統，可以基于已有的功能，巧妙地應用計算機、通信等手段，促使各系統之間建立有效聯系，支持電力信息及時穩定傳送與使用，有利于優化現代電力控制效果以及調度安排水平。物聯網技術在國內若干科技領域中都表現出良好的施工狀態，其變電站的控制系統下能借助設置不同的傳感裝置，有效及時采集到變電站工作中產生的各類資料，通過數據整合，利于相關工作者隨時了解變電站的情況以及系統施工風險。通過物聯網技術的合理融入，能夠實現技術和工作規范的協調統一，并解決管理系統建設、成本剖析與運行安全等方面的問題，創造出完備、有序的管理條件[1]。

2 智能輔助監控系統的設計

2.1 無線芯片

輔助監控系統中，配置的硬件分成3 類，即協調器、路由器與終端裝置，三者硬件的通信單元相同，不同的是程序功能與外接電路。本文討論的監控系統，所選擇的無線芯片可實現在投入較少材料成本的前提下構建所需的網絡節點。該芯片擁有RF（射頻）收發器以及強大的CPU，片內支持編程閃存，而且RAM 有8 kB，此外還具備諸多可用功能。同時，多種運行模式使其能用在具有超低功耗標準的系統中，各模式也能在較短時間內完成轉換，控制能源消耗量。

2.2 無線通信

在輔助監控系統上，無線傳感網絡選擇Mesh 架構，可配備一個協調器、若干路由器與終端。首先，協調器需啟動無線網絡，在選定信道及網絡ID 后完成啟動操作，并協助安全層與應用層之間進行綁定。其中，啟動與配置網絡屬于該設備的主要工作，在此之后便相當于路由器，后續的網絡動作，對此無明顯的依賴性。其次，路由器是支持其他裝置接入網絡，為維系工作狀態一般通過主電源進行供電。最后，終端設備的狀態對整個系統沒有直接影響，應選擇電池輸送電能且占用空間不大。

不同硬件的架構是有區別的，具體如下：

（1）協調器。其是FFD 設備，輔助監控系統中可以把網關功能與之結合起來，此項功能可將協調器獲得的數據，利用以太網、串口等傳送到外網。在主協調器中，涉及到電源、網關與無線通信，其中的無線通信，保障協調器的正常使用。而協調器功能是借助無線芯片搭配外圍芯片、天線組合達成，射頻信號經過放大處理后由天線發出，而網關功能將采集到的數據實施管理及轉發。

（2）路由器。其支持終端設備的通信，在設備啟動時會就近連接路由器、將對應數據傳送至協調器，并把后者的反饋內容傳輸給終端。借助路由器還能為工作者的定位提供參考數據，根據終端的信號強弱程度分析終端定位以及參考點之間的相對點位。通常情況下路由器保持工作狀態，所以選擇主電源進行供電，同樣通過無線芯片搭配外圍芯片、天線組合實現自身功能。

（3）監控終端。其負責采集傳感裝置測量的信息，利用路由器傳送至協調器，而后借助網關傳達給變電站的智能管理系統，完成對應的業務處理。監控終端一般屬于周期性“休眠”狀態，所以能選擇電池供電的模式。

（4）工作者的定位終端。其是基于相對位置信息，確定二維層面上的位置。輔助管理系統將工作者定位資料，實時發送到監控云臺上，后者按照位置數據改變視頻角度，對工作者進行跟蹤式拍攝。另外，借助相對位置資料完成業務區域劃分，構建起電子圍欄。由于定位終端需要保持實時的運行狀態且是工作者自己攜帶在身上，所以要選擇電池供電（表1）。

表1 硬件設備參數

在智能化的輔助監控系統下，根據電源供電需要與工作場合的差異，總結出3 個運行模式，分別為所用變供電、電池與感應電流的取能線圈。在變電站運行中，線纜與開關、母排節點實施線上監控，以掌握溫度情況。對于該類監控的終端，能選擇感應電流的則采用能線圈完成供電，這樣不僅能解決常規的布線問題，還能避免電池換新操作的問題。取能電源包括取能鐵心和線圈、補償鐵心、沖擊保護模塊等，取能鐵心與補償鐵心均需運用軟磁材料，并且前者初始磁導率相對偏高，二者為反向串聯，在遇到大電流時通過感應電動勢的有效抵消、控制熱耗量[2]。

變電站的高壓開關柜屬于封閉式的強磁干擾空間，因此，裝配于該空間中的傳感單元，需運用有效舉措，避免電磁干擾?；诳垢蓴_問題，電磁兼容方法是具備可行性的?，F實設計時，需從干擾源、耦合情況、敏感度入手，結合元器件、加工技術、運行條件等進行決策。基于電磁干擾狀況，選擇濾波及接地等方法。高壓開關柜在發生事故的同時，會發生明顯的電磁暫態，這對系統會產生強烈的干擾。為解決以上問題，建議電路印制板處理中采用下述抗干擾方法：①控制電源線與地線阻抗噪聲，通過擴大地線尺寸、控制導線電阻值，讓地線支持通過的電流，實現合理化增加；②通過使接電線形成閉合回路，能縮短整體環路，控制線路阻抗，降低干擾問題；③印制板上布置若干集成電路，在部分元件耗電明顯時，地線處會產生明顯的電位差，集成器件對應電源線與地線，連接去耦合電容，繼而縮短電源傳送長度；④電源的設置按照電流情況，應使導線尺寸盡可能地擴大，并且使電源新與地線的布置方向需和數據線相同，這也利于提高抗噪聲的水平。

2.3 系統軟件

輔助監控系統的開發條件是：同時允許若干單片機與可視化的開發條件；將連接及編譯等諸多工具集約在一起，保障系統應用的便利性；支持調試匯編語言；監控CPU 及內存等當前狀態，并實現單步運行模式，切實讓相應處理及模擬操作更為快捷。在系統中，傳感裝置的采集、協議棧、通信等均屬于系統軟件需處理的問題。其中，采集工作能利用無線芯片中MCU 實現；協議棧運行于操作系統中，根據任務調度安排，借助相應的事件觸發，開展調度動作，各任務中涉及到若干事件，并且各自擁有唯一的事件號。在某事件出現后，隨即生成事件號，由此進入任務處理環節。鑒于變電站智能監控在節點通用性以及標準化的方面考量，需選擇兼容性突出的協議棧，本文討論的協議棧的主體結構是：APP 為應用層目錄，是使用者構建的各個項目區域；HAL 為硬件層目錄，包括和硬件相關的配置信息及操作函數；MAC 則保存參數配置的資料；HWK 為網絡層目錄，包含系統相應層的配置資料與函數接口文件等；OSAL 屬于操作系統，為整個協議棧的關鍵核心。

3 智能輔助監控系統的功能實現

以設備的溫度監控為例，在變電站的日常運維中應當強調的參數量為：對實時性有較高標準的參數，如電流、電壓，可選擇有線的穩定輸送；而對于實時性沒有嚴格標準的高壓裝置工作狀態參數，如觸頭溫度、環境條件等，對應的檢測事項較多，并且綜合絕緣性能、現場布線條件等，不適宜選擇有線模式，可利用無線網絡進行數據傳送。在變電站中，開關觸點及母排等極易出現發熱的情況，以往的管理模式下均會借助人工的方法采取紅外測溫處理，任務量較多，同時不能保障隨時掌握各節點的溫度變化。在智能輔助監控下，在關鍵發熱區域布置溫度傳感裝置，依托于無線網掌握各節點的溫度狀態，完整保留記錄信息。在設備溫度超出初始設定的區間或溫度變化太過突然，系統均會發出警報，提醒運維工作者按照采集到的溫度信息，執行針對性的處理操作。該監控系統在精度、抗干擾性、功耗及應用年限方面都有良好表現，能長時間用于環境較差的工作場景。

例如，高壓開關柜屬于現代電力系統下比較關鍵的高壓成套裝置，根據線路方案，將一次設備與二次設備集中于柜內，這種布置方式不僅能省去部分空間、降低設備的安裝難度，還可以優化空間環境。變電站中可針對變壓器以及線路實施保護管控。

本文討論的觸頭為開關柜內靜觸頭與斷路裝置觸頭，后者是梅花狀結構。開關柜運行中，電流通過觸頭后，出現熱損耗，借助傳導及輻射、對流等，分散在介質中。接觸點的空氣對流速度較慢，在熱分析中僅需關注內部的傳導散熱問題，不必考慮輻射及對流的干擾。因此，直接把測溫模塊布置于觸頭上即可。關于開關柜中的觸點溫度，因為觸點之間的距離較小，無足夠空間布置測溫標簽，因此采取延伸至外部的方式，將信號發送單元布置在斷路器，延伸傳感裝置則直接安裝在梅花觸頭處。在測溫標簽開始運行后，無線傳感單元會對其定時喚醒。在標簽成功喚醒后，通過測溫傳感裝置獲取的溫度信號，會轉換成數字信息，經過最近的路由器，發送至管理系統。后者收到所有觸點傳感裝置采集的溫度信息，保留完整記錄，生成變化曲線。如果曲線超出設定上限以及發生上升幅度過大的情況，則自動發出警報[3]。

4 結束語

通過上述分析可以看出，將物聯網融入到智能變電站的開發，能夠實現對站內設備工作狀態的有效監控，進一步加深智能化的程度，給站內的全方位調控提供技術保障，這對于國內電力領域建設有著重要意義。