基于无线传感器网络的智能变电站环境远程监测∗

谢连科 张 永 马新刚 张国英 臧玉魏

（国网山东省电力公司电力科学研究院 济南 250002）

1 引言

随着智能电网的发展，无线传感器网络（WSN）在实现电力系统状态监测和状态检修方面发挥着重要作用［1］。目前已应用于智能变电站领域的设备维护、安全监测和温度监测等多个方面［2～4］。WSN在智能变电站中的成功应用，为智能变电站探索新的通信方式提供了参考。

WSN可以根据不同的需要选择不同的传感器，也可以根据实际的通信延迟或带宽要求选择不同的射频通信技术［5］，如 ZigBee、WiFi和 PLC。 由于这些技术非常适合于监测智能变电站的状态参数，因此本文对将WSN和GPRS应用于智能变电站远程监测的总体方案进行了初步研究。但是对于具体设备的在线监测方案、WSN节点的设计以及网关节点与站点之间的传输通信算法，并未具体涉及。本文将通过WSN的网络架构、智能变电站的远程监测系统的总体方案设计对这些技术进行详细的介绍，希望为WSN和GPRS在智能变电站中的应用提供一定的参考。

2 WSN的体系结构及其特点

WSN由三个网络组件组成:传感器节点、汇聚节点和管理节点。图1是WSN的典型架构图［6］。

图1 WSN的典型架构

与传统的无线网络相比，WSN具有以下优点，因此更适合智能变电站。

1）根据智能组合变电站的实际应用要求，可以对其组网方案、传感器节点、网关节点、软件系统和网络协议进行不同的设计［7］。可以根据不同的应用选择不同的WSN技术，这是WSN相对传统无线网络最显着的特点。

2）WSN能够满足较大规模的网络节点设计［8］。为了从智能变电站的高压室、变压器室、低压室获得准确的物理量，需要安排大量的传感器节点。大规模的WSN一方面可以减少了各个监测室的监测盲区，另一方面冗余节点的存在降低了对单个节点精度的依赖性。

3）在智能变电站中传感器节点的增加或减少会使拓扑动态变化。传感器节点可以自动配置和管理WSN的自组织能力［9］。

4）WSN支持多跳路由［10］。WSN节点和节点之间的通信距离有限，因此扩大传输范围通常是由普通的传感器节点所支持的多跳路由完成的。在WSN中每个节点都具有接收和转发信息的功能。

5）WSN以数据为中心。当主监控系统需要查询事件时，可以直接通知事件到网络，而不是在某个变电站中找到某个传感器节点。获取信息后，网络将向主监视系统回复查询结果［11］。

3 在线监测系统总体方案设计

智能变电站由现场设备层、通信层和站层组成。三层之间没有规定的通信拓扑或有限的物理通信接口［12～13］。智能变电站内部采用WSN组网技术布局传感器节点，智能变电站与主监控系统的网络通讯控制设备之间采用GPRS和Internet进行通讯。互联网用于网络通信控制设备与站级主监控系统之间的连接。图2是智能变电站在线监测系统的完整网络方案。

3.1 WSN节点的设计

首先是对传感器节点的设计。

所有需要在智能变电站传输数据的设备都可以设计成传感器节点。它们不仅可以是具有无线路由器功能的短路指示器或电缆故障指示器，而且可以是附属于一次电气设备的温度、湿度和压力传感器，也可以是其他测量仪器或监测模块。

图2 智能变电站在线监测系统总体方案

传感器节点的设计方案通常以MCU+RF为基础，但需要考虑MCU与RF匹配，封装体积大小等问题。SOC系统（System-on-a-Chip，SOC）将关键组件集成到一个芯片上，在这种情况下，问题可以得到很好的解决。MCU内核处理器芯片采用CC2530。CC2530芯片具有高性能的发送和接收，256 KB的闪存和20 KB的擦除周期，可支持无线更新和大型应用。扩展接口可以根据需要安装其他传感器，也可以连接LED电路状态指示灯，方便查找哪些节点工作正常，哪些节点工作不正常。

传感器节点功率不足的问题可以通过专用变压器（CT）与备用电池的结合来解决。专用CT采用电磁感应原理从变电站线路取电，经过整流器、滤波器和调节器后，可以为传感器节点供电。当专用CT正常供电时，其工作电压高于电池电压，则二极管断开。当变电站停电时，小型CT不供电，二极管处于导通状态，保持监测系统正常工作。传感器节点的结构如图3所示。

其次是网关节点的设计。

网关节点也称为汇聚节点，对于WSN至关重要，是内网和外网之间的“桥梁”，可以设计成专门的网关设备，也可以设计成具有额外的监控功能的节点。本文中的网关节点是一个基于ZigBee协议和TCP/IP协议的专用ZigBee网关设备，没有集成专门的监测功能。

图3 传感器节点的设计框图

网关节点的硬件由专门的CT、GPRS模块，微处理器和协调器［14］组成。SOC芯片采用CC2530，GRPS芯片为SIM300，微处理器芯片为C8051F120。上述三种器件之间的通信通过RS232串行线交叉连接。在C8051F120中有64个数字I/O引脚、128KB闪存、8448BRAM和两个称为UART0和UART1的串行通信接口［15～16］。这两个串行通信接口主要用于执行控制命令和传送数据指令，UATR0负责与GPRS通信，UART1负责与协调器通信。SIM300嵌入了TCP/IP协议，并通过AT指令与计算机建立网络，使得节点能够在通信层上实现智能变电站与网络通信控制设备之间的通信。网关节点结构如图4所示。

图4 网关节点的设计框图

3.2 基于WSN的现场设备层网络体系结构设计

智能变电站中的WSN可以分为2层和3层组网结构。根据高压室、变压器室和低压室分为三个组。每个簇产生一个簇首节点，每个簇首节点负责将时隙分配给簇内的传感器节点。簇首节点可以通过算法选择，也可以选择具有良好通信和数据处理能力的专用传感器节点。簇首节点一方面从子节点收集通信数据并发送到网关节点，另一方面从网关节点接收命令并发送给子节点。在这种情况下，顶层网络由簇首节点构成，底层网络由头节点和子节点组成。网络结构可以有效减少子节点间不必要的数据传输，通过减少路由跳数的方式提高传输效率，现场设备层网络结构如图5所示。

图5 现场设备层的网络结构

3.3 基于GPRS的通信层网络体系结构设计

通信层主要由通信网络和网络通信控制设备组成，是现场设备层和站级之间的“桥梁”。网络通信控制设备具有许多下行链路通信接口和上行链路网络接口。一方面用于收集智能变电站的通信数据，并将其发送到站层主监控系统，实现远程信号和远程测量的功能。另一方面接收主监控系统的指令，发送给智能变电站，实现远程控制和远程调整功能。

智能变电站需要同时在站层和主监控中心进行监控。如果使用有线网络，建立互联多个智能变电站的网络非常困难，成本也很高，初期投资很大，所以GPRS被用于将网关节点连接到互联网中心。互联网中心与协议转换后的网络通信控制设备相连，实现通过互联网向控制中心远程登录。反过来网络通讯控制设备也可以通过互联网和GPRS实现对WSN的远程监控。互联网将为每个网关节点设备分配一个IP地址，在这种情况下，每个网关节点设备将成为互联网中的“计算机”节点。通信层网络的结构如图6所示。

图6 通信层的网络结构

4 变电站在线监测系统的设计

在智能变电站的建设过程中，变压器的智能化改造是一个重要的环节。智能变压器与普通变压器之间工作原理相同，但在变压器设计阶段，应考虑将必要的智能传感器和执行器集成到变压器内部或焊接到变压器外部。

4.1 监测内容和传感器的选择

变电站的在线监测主要包括对变压器运行状态和变电室环境的监测。变压器室的环境监测主要是关于温湿度的测量。状态量的测量主要通过相应的智能传感器来检测。传感器名称及其功能如表1所示。

表1 电力变压器监测系统的传感器及其功能

4.2 传感器节点的布局

整个监测网络由多个传感器节点组成，传感器节点布局良好是准确监测设备运行状态的前提。传感器节点布局应遵循三个原则:一是传感器节点不影响变压器的正常工作；其次，WSN没有监测盲区，还需要一定的冗余配置；第三，要考虑经济问题，减少功能相近的节点，避免不必要的浪费。

微电流传感器和高频电流互感器（HFCT）总是封装在变压器套管的适配器中。微电流传感器用于采集变压器铁芯或变压器套管端屏的接地电流。因此，是否存在变压器铁芯多重接地可以通过变压器铁芯的接地电流来反映。HFCT采用脉冲电流法测量变压器本体或变压器套管的局部放电电流。

无线振动传感器安装在变压器表面，用于获取变压器或某些设备的振动信号。依据振动信号可以分析得出设备的运行状态。高频声学传感器安装在变压器的外部，用于检测局部放电产生的瞬态声信号。高频声学传感器的优点是可以在变压器运行时进行安装。

智能变压器在生产时就在绕组中集成了绕组的光纤温度探头传感器，用于测量绕组温度。PT100铂电阻温度传感器和气体传感器安装在油箱内，用于检测油温和变压器油中溶解气体的浓度。变压器油中的水分含量很低，一般都在100ppm以下，所以传统的湿度传感器无法检测出，应选用高分子膜传感器MMT162。高分子膜传感器在低湿度条件下也具有高灵敏度（0%～30%RH）。变压器套管的绝缘状况可以由介质损耗的大小来反映。套管绝缘失效时介质损耗增加，介质损耗的大小可以通过变压器套管端屏的母线电压和接地电流来计算。

温湿度传感器应安装在变压器室内，用于检测变压器运行环境的温湿度。变压器室内的风机可在高温时自动开启，低温时自动关闭。同时考虑到变压器智能化设计或改造过程中将智能传感器植入油箱。所以，一方面，传感器节点的使用寿命应超过变压器的使用寿命或具有免检的性质；另一方面在每个监控区域内应设置两组传感器节点，以实现冗余配置。

传感器节点的经济性主要有两个方面决定:一个是无线传感器节点的硬件成本；另一个是需要采集的数据量。由于传感器节点的布局由变压器和变压器室的结构特征决定，所以无线传感器节点的硬件成本是固定的。不过可以依靠优化路由协议和规划网络拓扑结构，达到减少不必要的数据传输的效果。

5 在线监测系统的亟待解决的问题

5.1 变电设备的智能化改造

将WSN和GPRS应用到智能变电站的首要条件是完成对变电站设备本身的智能化改造。所有的数据传输设备都可以设计成WSN的传感器节点，既可以是电子式电流互感器或电子式电压互感器等电气参数的测量传感器，也可以是测量非电气参数的传感器，也可以是其他智能仪器。具有无线路由功能的传感器节点可以直接向簇首节点发送信号，无线路由功能的节点可以通过无线路由设备的扩展来解决。但是对于必须安装在设备内部的传感器节点，相关的集成设计应在设备生产之前完成。

5.2 网络安全

WSN潜在的安全隐患主要来源于两个方面:一个是来自电磁干扰，另一个来自人为干扰。无论是在数据采集和传输过程中，应用于智能变电站的WSN都可能因为电磁干扰而发生故障。因此，产品设计时应考虑电磁兼容性的问题。同时，由于WSN节点的自组织和智能变电站自身结构的灵活性，使得联网网络延伸到智能变电站。这些联网网络可以成为攻击传感器网络或者构成传感器节点来窃听和发送数据的跳板。

5.3 时钟同步

在智能变电站中，任务的完成通常需要多个传感器节点的协作。数据融合是这种合作的一个实例，其主要目的是收集来自不同传感器节点的数据以合并成有意义的结果。这要求传感器节点同时将物理参数传送到网关节点。然后，控制中心根据这些数据评估智能变电站的运行状态。如果时钟不同步，则评估不准确。传感器节点的节能实现也需要传感器节点之间的同步匹配。

6 结语

1）本文提出了基于WSN和GPRS的智能变电站在线监测系统的总体方案。该方案完成了传感器节点、网关节点和通信层网络体系结构的设计。

2）针对传感器节点和网关节点功率不足的问题，结合专用CT取得变电站线路与蓄电池的功率，当变电站线路通电时，由专用CT供电；当变电站线路发生故障时，由蓄电池供电。这两种方法的结合可以完美地为安全监测和设备维护提供可靠的数据支持，使智能变电站监测系统发挥应有的作用。

3）为提高变电站节点之间的数据传输效率，提出了两层和三层网络结构。依据高压室、变压器室和低压室将传感器节点分为三簇。每个簇固定或自动生成一个簇首节点。顶层网络由簇首节点构成，底层网络由传感器网络的头节点和子节点构成。这种网络结构可以有效地减少子节点间不必要的数据传输，通过减少路由跳数的方式提高传输效率。

4）讨论了智能变电站中的传感器的选择和传感器节点的优化布局。同时在每个监控区域设置两组传感器节点，这就意味着通过适当的冗余配置提高了监控的可靠性。

5）针对目前智能组合变电站建设情况和WSN技术水平，指出将WSN组网技术应用于智能变电站仍存在的技术问题。这些问题主要包括变电站智能化改造、网络安全和时钟同步。