基于WSN的電力設(shè)備熱點(diǎn)溫度預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊莉莉 方劍

青海省電力公司信息通信公司，青海 西寧 810600

引言

現(xiàn)有的電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電、變電、配電、用電等方面不同功能的設(shè)備結(jié)合而成，某些關(guān)鍵電力設(shè)備產(chǎn)生故障可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生破壞性故障。這不僅會(huì)對電力系統(tǒng)相關(guān)企業(yè)造成一定的經(jīng)濟(jì)利益損失，更是會(huì)對全體用電用戶造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。而電力設(shè)備的故障與老化往往伴隨著異常發(fā)熱，因此研發(fā)一種無線監(jiān)控裝置，由人為檢查接點(diǎn)發(fā)熱，變?yōu)榻狱c(diǎn)自動(dòng)報(bào)告發(fā)熱，保障全天候在線監(jiān)測電力設(shè)備發(fā)熱隱患[1]。論文研究的熱點(diǎn)預(yù)警系統(tǒng)旨在實(shí)時(shí)掌控電力設(shè)備運(yùn)行溫度，完成對監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)分析，了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對可能發(fā)生的事故進(jìn)行預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除安全隱患，以提高電網(wǎng)運(yùn)行安全可靠性[2]。

1 熱點(diǎn)預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)說明

圖1 熱點(diǎn)預(yù)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，熱點(diǎn)溫度預(yù)警系統(tǒng)由測溫裝置、多功能無線數(shù)據(jù)采集上位機(jī)、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理軟件等組成。測溫裝置與上位機(jī)的通信擬采用433MHz射頻技術(shù)，避免了布線困難，測溫裝置組成自組織網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)獲取溫度信息的目標(biāo)；上位機(jī)與管理計(jì)算機(jī)之間的通信選用232與485通信，提供兩種傳輸方式，數(shù)據(jù)傳輸距離比較近時(shí)選用232串口傳輸方式，比較遠(yuǎn)時(shí)選用485模差傳輸方式；并預(yù)留GPRS傳輸接口，方便以后數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳與升級；管理計(jì)算機(jī)與值班管理人員的計(jì)算機(jī)使用本地局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)互相通信。

通過在變電站戶外接頭處安裝無線測溫裝置，可將接頭處的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸緝?nèi)安裝的無線數(shù)據(jù)采集上位機(jī)。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)管理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘后，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)告警、數(shù)據(jù)趨勢曲線展示等功能。

2 熱點(diǎn)溫度預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 測溫裝置硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示，測溫裝置主要由MCU、溫度傳感器、射頻芯片、電源電路四個(gè)部分組成。溫度傳感器將采樣區(qū)溫度形成一個(gè)與其成正比的電壓信號(hào)，由MCU的AD采集引腳讀出該電壓幅值，轉(zhuǎn)化回溫度，進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算后由射頻芯片發(fā)出，最終傳輸至上位機(jī)處。溫度監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的MCU選用PIC系列8位CMOS單片機(jī)，PIC18F13K22-E/SS，具有功耗低、自編程、10位AD等諸多優(yōu)點(diǎn)適合熱點(diǎn)溫度預(yù)警系統(tǒng)的需求[3]。射頻接收芯片選用nRF905高性能單片式無線收發(fā)芯片，可工作于433Mhz頻道，具備ShockBurstTM工作模式，可自動(dòng)處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便、功耗非常低。

圖2 測溫裝置硬件原理圖

2.2 上位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

圖3 上位機(jī)硬件原理圖

上位機(jī)節(jié)點(diǎn)與測溫裝置相比減少了溫度傳感器模塊，其余沿用測溫裝置的硬件設(shè)計(jì)：由MCU控制射頻芯片的電源，降低系統(tǒng)能耗；通過射頻芯片接收測溫裝置發(fā)送的溫度信息與告警信息，緩存處理后轉(zhuǎn)發(fā)給管理服務(wù)器或管理人員的電腦。

圖4為測溫裝置的硬件設(shè)計(jì)，上位機(jī)的設(shè)計(jì)與其相似，無需贅言。

3 系統(tǒng)管理軟件設(shè)計(jì)

管理軟件是整個(gè)系統(tǒng)與管理人員的橋梁，主要分為以下幾個(gè)模塊：

1）基礎(chǔ)信息管理模塊：主要管理站內(nèi)設(shè)備的基本信息，包括測溫裝置所處設(shè)備的基本臺(tái)賬、運(yùn)行檢修信息等。通過數(shù)據(jù)共享和手工錄入兩種方式獲取數(shù)據(jù)，可與PMS等符合SG186規(guī)范的信息系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接口的方式獲取數(shù)據(jù)。

2）監(jiān)測點(diǎn)管理模塊：主要負(fù)責(zé)管理變電站內(nèi)安裝的測溫監(jiān)控裝置基本情況。包括裝置安裝位置、裝置投運(yùn)日期、設(shè)備型號(hào)、使用年限等管理信息。

圖4 測溫裝置硬件圖

3）在線監(jiān)測數(shù)據(jù)管理模塊：主要管理實(shí)時(shí)測溫?cái)?shù)據(jù)，在變電站接線圖上實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測點(diǎn)溫度信息，以圖形化的操作方式查詢各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)、歷史、測溫點(diǎn)溫度信息。

4）數(shù)據(jù)規(guī)范性驗(yàn)證模塊：主要是負(fù)責(zé)將收集到系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確性校驗(yàn)，可以通過用戶自行設(shè)置比較數(shù)據(jù)來源，校驗(yàn)閾值等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)智能化驗(yàn)證。

5）設(shè)備預(yù)警管理模塊：主要是管理測溫裝置的溫度預(yù)警閾值，可進(jìn)行組合型的設(shè)備預(yù)警，如溫度值與溫度異變速度結(jié)合等進(jìn)行設(shè)備溫度預(yù)警，能夠在設(shè)備溫度變化初期及時(shí)提醒。

6）統(tǒng)計(jì)分析模塊：利用數(shù)據(jù)挖掘的技術(shù)和思路，將庫內(nèi)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以特殊規(guī)則提煉出潛在的關(guān)系與信息，如分析設(shè)備一段時(shí)間內(nèi)溫度突變情況反應(yīng)設(shè)備故障、分析同類設(shè)備在相同環(huán)境和運(yùn)行方式下的不同溫度情況反應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等。

4 結(jié)論與展望

論文著眼于電力設(shè)備及電纜接頭部位可能存在的發(fā)熱隱患，設(shè)計(jì)了一個(gè)熱點(diǎn)溫度預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)的測溫裝置使用了433MHz的WSN進(jìn)行組網(wǎng)，有效避免了戶外布線的問題，組成的自組織網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)溫度信息的自動(dòng)獲取與實(shí)時(shí)預(yù)警功能；后臺(tái)管理軟件實(shí)現(xiàn)了對電力設(shè)備運(yùn)行溫度的實(shí)時(shí)掌控，對監(jiān)測信息的深度挖掘，并了解了設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，對可能發(fā)生的事故進(jìn)行預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除安全隱患，提高了電網(wǎng)的可靠性。

[1]盧瑛,吳國忠.智能型高壓電氣設(shè)備溫度監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[J]. 中國電力,2010,v.43;No.49603:55-58.

[2]楊林貴. 變電站熱點(diǎn)溫度監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北京電力高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2012,29(3):180-181.

[3]PIC18F13K22/LF13K22/PIC18F14K22/LF14K22:8位PIC單片機(jī)(MCU)系列[J]. 世界電子元器件,2009,No.08:26.