基于物联网技术的变电站智能辅助监控系统研究

2022-08-24冯希宁万文华

设备管理与维修 2022年14期

关键词：传感路由器辅助

张亮，张源，冯希宁，万文华，崔滢

（1.国网宁夏电力公司检修公司，宁夏银川 750011；2.宁夏中科恒瑞智能科技有限公司，宁夏银川 750011）

0 引言

智能变电站在国内逐渐成熟与普及，相应的监控系统也呈现出智能化的发展趋势，让变电站达到“无人值班”的效果。在变电站中，它不仅能够完成对时效有较高要求的监测任务，还能完成对时效要求相对较差的监测内容，如设备工作状态。

1 物联网技术优势

变电站的智能辅助系统，可以基于已有的功能，巧妙地应用计算机、通信等手段，促使各系统之间建立有效联系，支持电力信息及时稳定传送与使用，有利于优化现代电力控制效果以及调度安排水平。物联网技术在国内若干科技领域中都表现出良好的施工状态，其变电站的控制系统下能借助设置不同的传感装置，有效及时采集到变电站工作中产生的各类资料，通过数据整合，利于相关工作者随时了解变电站的情况以及系统施工风险。通过物联网技术的合理融入，能够实现技术和工作规范的协调统一，并解决管理系统建设、成本剖析与运行安全等方面的问题，创造出完备、有序的管理条件[1]。

2 智能辅助监控系统的设计

2.1 无线芯片

辅助监控系统中，配置的硬件分成3 类，即协调器、路由器与终端装置，三者硬件的通信单元相同，不同的是程序功能与外接电路。本文讨论的监控系统，所选择的无线芯片可实现在投入较少材料成本的前提下构建所需的网络节点。该芯片拥有RF（射频）收发器以及强大的CPU，片内支持编程闪存，而且RAM 有8 kB，此外还具备诸多可用功能。同时，多种运行模式使其能用在具有超低功耗标准的系统中，各模式也能在较短时间内完成转换，控制能源消耗量。

2.2 无线通信

在辅助监控系统上，无线传感网络选择Mesh 架构，可配备一个协调器、若干路由器与终端。首先，协调器需启动无线网络，在选定信道及网络ID 后完成启动操作，并协助安全层与应用层之间进行绑定。其中，启动与配置网络属于该设备的主要工作，在此之后便相当于路由器，后续的网络动作，对此无明显的依赖性。其次，路由器是支持其他装置接入网络，为维系工作状态一般通过主电源进行供电。最后，终端设备的状态对整个系统没有直接影响，应选择电池输送电能且占用空间不大。

不同硬件的架构是有区别的，具体如下：

（1）协调器。其是FFD 设备，辅助监控系统中可以把网关功能与之结合起来，此项功能可将协调器获得的数据，利用以太网、串口等传送到外网。在主协调器中，涉及到电源、网关与无线通信，其中的无线通信，保障协调器的正常使用。而协调器功能是借助无线芯片搭配外围芯片、天线组合达成，射频信号经过放大处理后由天线发出，而网关功能将采集到的数据实施管理及转发。

（2）路由器。其支持终端设备的通信，在设备启动时会就近连接路由器、将对应数据传送至协调器，并把后者的反馈内容传输给终端。借助路由器还能为工作者的定位提供参考数据，根据终端的信号强弱程度分析终端定位以及参考点之间的相对点位。通常情况下路由器保持工作状态，所以选择主电源进行供电，同样通过无线芯片搭配外围芯片、天线组合实现自身功能。

（3）监控终端。其负责采集传感装置测量的信息，利用路由器传送至协调器，而后借助网关传达给变电站的智能管理系统，完成对应的业务处理。监控终端一般属于周期性“休眠”状态，所以能选择电池供电的模式。

（4）工作者的定位终端。其是基于相对位置信息，确定二维层面上的位置。辅助管理系统将工作者定位资料，实时发送到监控云台上，后者按照位置数据改变视频角度，对工作者进行跟踪式拍摄。另外，借助相对位置资料完成业务区域划分，构建起电子围栏。由于定位终端需要保持实时的运行状态且是工作者自己携带在身上，所以要选择电池供电（表1）。

表1 硬件设备参数

在智能化的辅助监控系统下，根据电源供电需要与工作场合的差异，总结出3 个运行模式，分别为所用变供电、电池与感应电流的取能线圈。在变电站运行中，线缆与开关、母排节点实施线上监控，以掌握温度情况。对于该类监控的终端，能选择感应电流的则采用能线圈完成供电，这样不仅能解决常规的布线问题，还能避免电池换新操作的问题。取能电源包括取能铁心和线圈、补偿铁心、冲击保护模块等，取能铁心与补偿铁心均需运用软磁材料，并且前者初始磁导率相对偏高，二者为反向串联，在遇到大电流时通过感应电动势的有效抵消、控制热耗量[2]。

变电站的高压开关柜属于封闭式的强磁干扰空间，因此，装配于该空间中的传感单元，需运用有效举措，避免电磁干扰。基于抗干扰问题，电磁兼容方法是具备可行性的。现实设计时，需从干扰源、耦合情况、敏感度入手，结合元器件、加工技术、运行条件等进行决策。基于电磁干扰状况，选择滤波及接地等方法。高压开关柜在发生事故的同时，会发生明显的电磁暂态，这对系统会产生强烈的干扰。为解决以上问题，建议电路印制板处理中采用下述抗干扰方法：①控制电源线与地线阻抗噪声，通过扩大地线尺寸、控制导线电阻值，让地线支持通过的电流，实现合理化增加；②通过使接电线形成闭合回路，能缩短整体环路，控制线路阻抗，降低干扰问题；③印制板上布置若干集成电路，在部分元件耗电明显时，地线处会产生明显的电位差，集成器件对应电源线与地线，连接去耦合电容，继而缩短电源传送长度；④电源的设置按照电流情况，应使导线尺寸尽可能地扩大，并且使电源新与地线的布置方向需和数据线相同，这也利于提高抗噪声的水平。

2.3 系统软件

辅助监控系统的开发条件是：同时允许若干单片机与可视化的开发条件；将连接及编译等诸多工具集约在一起，保障系统应用的便利性；支持调试汇编语言；监控CPU 及内存等当前状态，并实现单步运行模式，切实让相应处理及模拟操作更为快捷。在系统中，传感装置的采集、协议栈、通信等均属于系统软件需处理的问题。其中，采集工作能利用无线芯片中MCU 实现；协议栈运行于操作系统中，根据任务调度安排，借助相应的事件触发，开展调度动作，各任务中涉及到若干事件，并且各自拥有唯一的事件号。在某事件出现后，随即生成事件号，由此进入任务处理环节。鉴于变电站智能监控在节点通用性以及标准化的方面考量，需选择兼容性突出的协议栈，本文讨论的协议栈的主体结构是：APP 为应用层目录，是使用者构建的各个项目区域；HAL 为硬件层目录，包括和硬件相关的配置信息及操作函数；MAC 则保存参数配置的资料；HWK 为网络层目录，包含系统相应层的配置资料与函数接口文件等；OSAL 属于操作系统，为整个协议栈的关键核心。

3 智能辅助监控系统的功能实现

以设备的温度监控为例，在变电站的日常运维中应当强调的参数量为：对实时性有较高标准的参数，如电流、电压，可选择有线的稳定输送；而对于实时性没有严格标准的高压装置工作状态参数，如触头温度、环境条件等，对应的检测事项较多，并且综合绝缘性能、现场布线条件等，不适宜选择有线模式，可利用无线网络进行数据传送。在变电站中，开关触点及母排等极易出现发热的情况，以往的管理模式下均会借助人工的方法采取红外测温处理，任务量较多，同时不能保障随时掌握各节点的温度变化。在智能辅助监控下，在关键发热区域布置温度传感装置，依托于无线网掌握各节点的温度状态，完整保留记录信息。在设备温度超出初始设定的区间或温度变化太过突然，系统均会发出警报，提醒运维工作者按照采集到的温度信息，执行针对性的处理操作。该监控系统在精度、抗干扰性、功耗及应用年限方面都有良好表现，能长时间用于环境较差的工作场景。

例如，高压开关柜属于现代电力系统下比较关键的高压成套装置，根据线路方案，将一次设备与二次设备集中于柜内，这种布置方式不仅能省去部分空间、降低设备的安装难度，还可以优化空间环境。变电站中可针对变压器以及线路实施保护管控。

本文讨论的触头为开关柜内静触头与断路装置触头，后者是梅花状结构。开关柜运行中，电流通过触头后，出现热损耗，借助传导及辐射、对流等，分散在介质中。接触点的空气对流速度较慢，在热分析中仅需关注内部的传导散热问题，不必考虑辐射及对流的干扰。因此，直接把测温模块布置于触头上即可。关于开关柜中的触点温度，因为触点之间的距离较小，无足够空间布置测温标签，因此采取延伸至外部的方式，将信号发送单元布置在断路器，延伸传感装置则直接安装在梅花触头处。在测温标签开始运行后，无线传感单元会对其定时唤醒。在标签成功唤醒后，通过测温传感装置获取的温度信号，会转换成数字信息，经过最近的路由器，发送至管理系统。后者收到所有触点传感装置采集的温度信息，保留完整记录，生成变化曲线。如果曲线超出设定上限以及发生上升幅度过大的情况，则自动发出警报[3]。