基于物联网的智能电网故障监控系统研究

刘海妹

(湖南安全技术职业学院，湖南长沙410151)

基于物联网的智能电网故障监控系统研究

刘海妹

(湖南安全技术职业学院，湖南长沙410151)

作为电力系统的发展方向，智能电网是通过先进的传感和测量技术、设备和控制技术以及决策支持系统技术的应用，实现电网安全可靠运行的目标。而对智能电网而言，电网的自愈特征是其主要特征之一。为了实现智能电网的自愈功能，提高对电网故障的监控管理是必要措施。分析了智能电网故障决策所面临的主要技术问题，并利用物联网技术构建了基于无线传感网的智能电网故障决策管理系统。系统利用ZigBee技术来构建无线传感网，节点采用CC2530，节点之间采用簇状—树型结构及其算法，提高了故障决策的准确性。

智能电网；故障分析；物联网

电力作为国家的支柱能源，在国民经济的可持续发展中起着重要作用。近年来，我国逐渐建起了以特高压为骨干网架和以各级电网为分区的中国特色电网。而与此同时，基于节能减排目的的风力发电、太阳能发电、燃料电池发电等分布式发电也逐渐加入公共电网。面对这一局面，传统的电力网络以及控制措施已经难以支持如此多的发展要求。

针对电力系统发展面临的这些挑战，智能电网被认为是有效的解决方案。智能电网是以先进的信息、通信和控制技术为手段，以坚强电网的网架为基础，构建贯穿发电、输电、变电、配电、用电和调度全部环节和全电压等级的电网可持续发展体系[1-2]。

为了保证智能电网的顺利运行，加强对智能电网的故障决策管理是一项重要的工作。本文在分析智能电网故障决策主要技术的基础上，构建了以无线传感网为核心的电网故障处理系统，提高了系统的自愈能力。

1 智能电网故障监控系统功能分析

一个完善的智能电网故障监测系统，需要具有以下功能：(1)监测电力线路上的存在短路、接地、过负荷、断线、停电、三相不平衡、盗割、过温等故障点的运行情况，以最快的速度切断、隔离故障点，并利用智能算法将电力线路切换至安全线路上；(2)监测线路负荷中的各项电流参数(负荷运行电流、短路动作电流、线路首半波尖峰电流、接地动作电流、稳态零序电流和暂态零序尖峰突变电流等)，及时分析电流参数，保存历史数据并绘制曲线，用于事故分析和事前预警；(3)监测各线路及接头部分温度、电场数据，保存历史数据并绘制曲线，用于事故分析和事前预警；(4)利用上位机算法，对现场数据进行汇总计算，计算的结果用于控制决策。

目前，国内外在输电线路中进行故障定位的基本原理是：对于发生故障时电压、电流的测量值，依据所采用的约束条件(输电线路故障发生后和故障距离具有某种数学关系的电气量称之为约束条件)通过数学计算得出故障距离，从而定位出故障点。当电力系统发生故障时，各种电气量(电流、电压、阻抗、相角等)都会立即发生剧烈的变化，从信号的角度来看，可以将其称之为突变信号，这些信号中包含着丰富的故障信息，需要利用算法对突变量进行分析，小波变换理论就是其中最常用的算法之一。

小波变换是对时间(空间)频率的局部化进行分析，它通过伸缩平移运算对信号(函数)逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，从而实现算法自动适应时频信号分析的要求，达到聚焦信号的工作目标。

由于小波变换在时域和频域上具有良好的局部化的性质，因此极大地提升了利用故障分量或者利用突变量来进行继电保护技术的准确性，不但能够准确反映故障发生的时间、位置等信息，而且能够有效地对电力系统或设备进行实时、有效的状态监测和故障诊断。

图1 监控系统总体结构图

2 智能电网故障监控系统总体设计

本监控系统主要由以下三部分组成，图1为监控系统总体结构图。

(1)ZigBee无线传感器网络

ZigBee无线传感器网络的监视区域中，主要包括各类传感器，如电流、电压、温度、湿度等。传感器和ZigBee无线模块组成的ZigBee终端节点以星型或网状拓扑结构连接到监测网络。

ZigBee网络按照节点适当的距离部署在监视区域中，将电力线路或设备的运行数据发送到网络协调器节点。

ZigBee无线传感网络的受控区域中，主要包括各类的受控设备，如继电器、断路器等，同样以星型网的拓扑结构组成，在协调器的周围，通过解析协调器的无线数据达到受控的目的。

ZigBee节点采用CC2530处理器。TI公司的CC2530内部集成了标准增强型8051微处理器和性能优越的RF收发器。当发射功率为1 mW，接收灵敏度为-94 dBm时的误码率仅为1%。此外，CC2530允许芯片无线下载以及空中升级，具有不同的运行模式，使得它尤其适合超低功耗要求的系统，运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。图2为TI公司所提供的CC2530的原理图。

图2 CC2530核心板原理图

(2)监控系统网关

网关的作用主要体现在数据的交换与传输，表现在上行和下行两个方面：上行数据传输，主要是通过串口收集协调器的传感器采集数据，或者是状态反馈数据通过本身的网络功能传输至互联网的服务器上；上行数据传输，主要是接收互联网上发来的控制命令，并通过串口转发到ZigBee网络的协调器。

另外，网关的实现可以提高系统的扩展性，例如无线局域网、蓝牙或Wifi的使用，会提高数据的传输性能。

本系统所选用的网关采用32位S3C6410作为RISC微处理器，选用64位内部总线架构，总线包括AXI、AHB和APB总线组成，还具有强大的硬件加速器，可方便地移植Linux操作系统，带有丰富的USB接口及网卡接口，带有2G及3G接口，完全可以满足监控系统的需要。同时系统还配备了Motorola32位单片机作为系统性能的扩充，配置了大容量的FLASH ROM和RAM完成数据的临时存储功能，使系统拥有了较强的数据处理能力和较快的处理速度。

(3)监控系统服务器

服务器是监控系统的远程监控中心，它的功能直接决定着整个系统的稳定性。服务器中的数据也分为上行和下行，上行数据来自于网关，网关通过通信网络将协调器的汇总数据传送过来。在本设计中，网关可能采用以太网，也可以采用3G网，因此网关处理器均提供了相应的模块功能；下行数据所传输的是一些控制命令，这些控制命令通过网关及协调器传输至终端节点，用来操纵执行机构产生相应的开关动作。

服务器的另一个重要的作用是利用小波变换算法对运行数据进行计算，及时发现故障信息，并发出预警报告。同时，利用ZigBee协议栈中自带的智能算法，对运行的线路进行及时的调整和切换。

(4)监控系统客户端

客户端可以采用PC机、手机等多种形式，主要的功能是远程监控及发布简单命令。这些命令发送至服务器，由服务器解析后发送至下位机实现功能操作。

本设计所设计的客户端是基于安卓的手机客户端，具体功能模块如图3所示。

与服务器的连接程序如下所示：

void Server::incomingConnection(int handle)

{ServerThread*thread=new

//为客户端创建线程

ServerThread(handle,this,mainWin,this->clientNum);

//添加的客户端列表中

this->mainWin->socket_add(thread->socket);

this->clientNum++;

thread->start();}

图3 客户端功能模块图

3 总结

本设计利用无线传感网构建了智能电网故障监控系统，该系统以ZigBee节点为底层数据采集节点，以S3C6410芯片作为系统网关，上层故障分析程序采用小波变换，并开发了手机端的多线程控制系统作为客户端程序。

经实际测试，系统具有工作稳定、灵活性强、扩展性好的特点，同时由于嵌入式技术的使用，提高了数据处理的精度和实时性，保证了系统可靠性。

[1]张永健.电网监控与调度自动化[M]．北京：中国电力出版社，2011：3-5.

[2]王进强．含分布式电源的配电网故障定位的应用研究[D]．广州：广东工业大学，2011：124-125.

Research of smart grid fault monitoring system based on Internet of things

As the development direction of power system,the smart grid was through the use of advanced sensor and measuring technology,equipment and control technology and application of decision support system technology.To realize the goal of safe and reliable operation of the power grid，and for the smart grid,the grid self-healing character was one of the main features. In order to realize the smart grid self-healing function, improving of the failure monitoring management of power grid was the necessary measures.The main technical problem faced of the smart grid failures decision was analyzed,and the smart grid fault decision system was built based wireless LAN by using the things technology.Wireless sensor network was built using ZigBee technology.CC2530 was used by wireless sensor network's node,and clusters of-tree structure was used as the network structure and algorithm,the accuracy of the fault decision was improved.

smart grid;failure analysis;internet of things

TM 712

A

1002-087 X(2015)10-2275-02

2015-07-03

湖南省教育厅科学研究课题(基于物联网的智能电网故障监控管理系统研究)

刘海妹(1981—)，女，河北省人，讲师，硕士，主要研究方向为电子与通信。