變電站無(wú)線測(cè)溫技術(shù)的應(yīng)用分析與研究

龐偉生，李小暉，樊曉蘋，楊俊俊，孫永發(fā)

（海北供電公司，青海 海北 812200）

變電站無(wú)線測(cè)溫技術(shù)的應(yīng)用分析與研究

龐偉生，李小暉，樊曉蘋，楊俊俊，孫永發(fā)

（海北供電公司，青海 海北 812200）

伴隨城市建設(shè)對(duì)電力需求的日益增大，變電站中某些設(shè)備局部經(jīng)常要處于長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。它所導(dǎo)致的溫度偏高很容易引發(fā)火災(zāi)或爆炸等惡性事故，造成極為不利的經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)影響。因此有必要對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控。文章所提出的是融合了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)通信處理技術(shù)的WSN技術(shù)，它功耗成本低、分布式廣、易于鋪設(shè)、魯棒性強(qiáng)且監(jiān)測(cè)定點(diǎn)精度較高，已經(jīng)被現(xiàn)代區(qū)域變電站所廣泛采用。文中探討它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及它在變電站設(shè)備無(wú)線測(cè)溫方面的具體應(yīng)用。

WSN無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；無(wú)線測(cè)溫技術(shù)；變電站；結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)變電站設(shè)備測(cè)溫技術(shù)偏向于人工紅外溫度測(cè)試，它主要針對(duì)設(shè)備的接頭實(shí)施逐點(diǎn)測(cè)溫，其弊端就在于人工勞動(dòng)工作量較大且對(duì)人體具有直接輻射傷害，技術(shù)方面也存在錯(cuò)報(bào)、漏報(bào)現(xiàn)象。WSN（Wireless Sensor Network，無(wú)線測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)）這種新興溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控手段的出現(xiàn)就解決了上述問題，而且它簡(jiǎn)約的設(shè)備構(gòu)造也減少了對(duì)變電站的占用空間，安裝維護(hù)相對(duì)更加方便。如果將變電站全部無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)組合形成一套無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，就能充分彰顯它之于現(xiàn)代化智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)越性。

1 WSN的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)分析

1.1 WSN的基本特點(diǎn)分析

WSN屬于較為特殊的無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，它在結(jié)構(gòu)方面近似于無(wú)線自組網(wǎng)，是沒有固定基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)類型。但相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，它還具有許多突出特點(diǎn)。

（1）它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且資源有限，基本上它對(duì)節(jié)點(diǎn)的定位相對(duì)廉價(jià)，所以它的存儲(chǔ)、通信及計(jì)算能力相對(duì)有限。通常情況下，WSN都由計(jì)算、通信、傳感器電源這4大模塊共同構(gòu)成，由于傳感器節(jié)點(diǎn)一般都會(huì)采用電池供電，且在長(zhǎng)期設(shè)備運(yùn)行過程中很難更換電池，所以當(dāng)電量耗盡后該節(jié)點(diǎn)就會(huì)失去功能效用。基于此問題就形成了WSN必須最小化網(wǎng)絡(luò)能耗、最大化網(wǎng)絡(luò)壽命的基本特征。

（2）它擁有分布密集且無(wú)中心的大量節(jié)點(diǎn)，有時(shí)針對(duì)某一區(qū)域的監(jiān)測(cè)任務(wù)執(zhí)行可能會(huì)投入數(shù)萬(wàn)個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)相互之間都具有較高的通信銜接度。由于融合了獨(dú)立的路由功能與信息采集功能，因此它們提高了系統(tǒng)的抗毀性與容錯(cuò)性，任意節(jié)點(diǎn)都能隨時(shí)離開WSN，如此一來(lái)即使有部分節(jié)點(diǎn)失去效能也依然不會(huì)對(duì)整個(gè)設(shè)備正產(chǎn)運(yùn)作產(chǎn)生影響。

（3）它擁有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)拓?fù)湫阅堋Ｒ驗(yàn)閃SN本身是動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，所以它的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及功能是會(huì)隨時(shí)發(fā)生改變的。在這其中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可能因?yàn)楣收匣螂姵睾谋M而停止工作退出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行機(jī)制，也有可能被重新添加進(jìn)來(lái)，如此往復(fù)形成WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)循環(huán)，促成動(dòng)態(tài)體系。節(jié)點(diǎn)在WSN中的分布是按照分層協(xié)議及分布式算法協(xié)調(diào)形成的，也就是說(shuō)當(dāng)設(shè)備開始運(yùn)行以后所有節(jié)點(diǎn)就會(huì)快速、自動(dòng)組成獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，隨時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拓?fù)渥兓龀龌貞?yīng)，以確保WSN的活性。

（4）WSN是以數(shù)據(jù)管理為核心的，特別對(duì)技術(shù)觀察人員而言，所最關(guān)心的點(diǎn)就是傳感器節(jié)點(diǎn)所能感知到的具體數(shù)據(jù)參數(shù)。舉例來(lái)說(shuō)，在變電站節(jié)點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)用中，技術(shù)觀察人員所希望了解的問題就包括“穿墻套管的實(shí)際溫度”、“母線橋變壓器的溫度是否超標(biāo)”等。如果以數(shù)據(jù)管理為核心，WSN在設(shè)計(jì)方面就能夠更加人性化、智能化，真正將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)聯(lián)系起來(lái)，形成高性能數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)處理和傳輸更加方便，也同時(shí)讓W(xué)SN在運(yùn)作過程中更加透明化[1]。

1.2 WSN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

（1）節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析。WSN還是以網(wǎng)絡(luò)為主，它的大量傳感器節(jié)點(diǎn)被密集布置于所監(jiān)測(cè)的對(duì)象環(huán)境中，所以WSN沒有專門路由器節(jié)點(diǎn)。它的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)既是路由器節(jié)點(diǎn)，也是終端傳感節(jié)點(diǎn)。而且這些節(jié)點(diǎn)也能自動(dòng)組成網(wǎng)絡(luò)，啟動(dòng)多跳路由機(jī)制展開通信功能。所以從這方面來(lái)看，這種節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)在硬件能耗方面相當(dāng)?shù)?，且具有無(wú)線傳輸模式，而且它也支持多跳路由協(xié)議。

從WSN傳感節(jié)點(diǎn)來(lái)講，它主要包括了傳感器、處理器、無(wú)線收發(fā)器以及能量供應(yīng)4部分模塊。其中傳感器模塊主要負(fù)責(zé)變電站監(jiān)測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換，它可以將所測(cè)量到的物理量轉(zhuǎn)化為諸如電感、電阻、電容這樣的電子參數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電子特性變化目標(biāo)。然后將這些數(shù)據(jù)參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)處理轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；處理器模塊主要以WSN節(jié)點(diǎn)作為計(jì)算核心，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)包括節(jié)點(diǎn)設(shè)備控制、路由協(xié)議、同步定位、任務(wù)及功耗管理在內(nèi)的一切設(shè)備維護(hù)任務(wù)；無(wú)線通信模塊則實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信聯(lián)系，主要負(fù)責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù)等工作。無(wú)線通信由于設(shè)計(jì)高技術(shù)含量工作內(nèi)容，所以它的能耗最高，這就需要能量供應(yīng)模塊能夠盡可能采用太陽(yáng)能電池板，增加續(xù)航能力，而不是化學(xué)電池。因?yàn)檫@樣也可以延長(zhǎng)WSN技術(shù)設(shè)備的使用壽命。

（2）通信結(jié)構(gòu)分析。WSN的通信結(jié)構(gòu)也是一傳感器節(jié)點(diǎn)展開，不過這些節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)布置于被檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，通信功能所要實(shí)現(xiàn)的就是在區(qū)域內(nèi)收集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的相互網(wǎng)絡(luò)連接。傳感器同時(shí)也擁有強(qiáng)大的自組織功能，可以以多跳中繼方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)的信息采集及傳送。最后WSN會(huì)將節(jié)點(diǎn)匯聚將所收集數(shù)據(jù)全部傳送到計(jì)算機(jī)上以供技術(shù)觀察人員判斷并作出下一步設(shè)備運(yùn)行決策。

在變電站中，傳感器節(jié)點(diǎn)主要基于認(rèn)為設(shè)定位置進(jìn)行安放，這樣就能精確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到變電站設(shè)備的溫度變化。它所采用的并不是隨機(jī)布置節(jié)點(diǎn)，它的所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)安裝在WSN所要監(jiān)測(cè)的對(duì)象設(shè)備上，例如電容器、變壓器、穿墻套管等等，這樣就加快也精確了信息的收集與轉(zhuǎn)發(fā)效率[2]。

2 WSN在變電站無(wú)線測(cè)溫技術(shù)中的應(yīng)用

WSN在變電站中的無(wú)線測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用主要有如下步驟。首先要在站內(nèi)部署構(gòu)建測(cè)溫裝置網(wǎng)絡(luò)體系，實(shí)現(xiàn)體系基于數(shù)據(jù)采集及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)覆蓋的基本功能，以便于清晰測(cè)溫對(duì)象信息。然后將信息傳送到中控室從而進(jìn)行最終處理分析和管理。

一般來(lái)說(shuō)，WSN所采用的都是ISM頻段（Industrial Scientfic Mediacal Band）。它不需要申請(qǐng)頻點(diǎn)，而是通過系統(tǒng)中的256個(gè)或更多溫度傳感器、單體數(shù)據(jù)接收器和一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度節(jié)點(diǎn)控制，將溫度傳感器與數(shù)據(jù)接收器通過無(wú)線鏈路相連接，促成無(wú)線監(jiān)測(cè)體系。WSN在變電站的無(wú)線測(cè)溫工作主要以上層協(xié)議為核心支持，它確保通信網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)時(shí)段都只有一個(gè)站點(diǎn)處于數(shù)據(jù)發(fā)送傳輸狀態(tài)，這樣就能避免相互之間的數(shù)據(jù)信號(hào)干擾。這種站點(diǎn)輪換工作制度主要以逐點(diǎn)掃描來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、單元發(fā)送以及接收，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度數(shù)據(jù)的全天候監(jiān)測(cè)處理，能夠?qū)崟r(shí)把握變電站設(shè)備溫度變化，做到有備無(wú)患。

以某變電站為例，它就采用了WSN裝置來(lái)應(yīng)用于設(shè)備無(wú)線測(cè)溫功能。該變電站屬于35kV小型變電站，站內(nèi)分別在變壓器、電容器、母線橋、穿墻套管等部位安裝了45個(gè)測(cè)溫接點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)。主站起到中控室功能，且?guī)в醒b備了數(shù)據(jù)接收器的中央主機(jī)，它的工作流程如下：首先站變電站內(nèi)設(shè)備的WSN節(jié)點(diǎn)會(huì)在每10分鐘啟動(dòng)實(shí)施一次測(cè)溫，然后開啟無(wú)線收發(fā)模塊，等待主機(jī)輪詢信號(hào)以便于發(fā)送測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸完畢后進(jìn)入CPU低功耗狀態(tài)。如果變電站中存在溫度接近閾值的亞健康節(jié)點(diǎn)，則要縮短測(cè)溫間距，保證每1分鐘啟動(dòng)測(cè)溫一次，同時(shí)縮短主站輪詢時(shí)間，并就此節(jié)點(diǎn)實(shí)施重點(diǎn)溫控監(jiān)測(cè)[3]。

3 結(jié)束語(yǔ)

WSN技術(shù)具有多適應(yīng)性，且它的功耗更低、網(wǎng)絡(luò)容量更大，數(shù)據(jù)傳輸安全且兼容性，非常適合于目前許多中小型變電站使用。而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的興起也證明無(wú)線通信技術(shù)在未來(lái)必將成為工業(yè)領(lǐng)域所不可或缺的核心技術(shù)。

[1]喬礦生.無(wú)線測(cè)溫技術(shù)在變電站中的應(yīng)用[J].河北煤炭,2013, (1):56-58.

[2]張秋來(lái).WSN與AGENT在變電站無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)控制中的研究[D].天津大學(xué),2009.

[3]呂鋼,伍陸玖.無(wú)線測(cè)溫技術(shù)在變電站電力電纜的應(yīng)用[J].自動(dòng)化應(yīng)用,2014,(5):103-105.

O551.2

A

2096-2789（2016）12-0036-02

龐偉生（1975-），男，青海循化人，工程師，研究方向：高電壓技術(shù)。