基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能變電站環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測?

謝連科 張 永 馬新剛 張國英 臧玉魏

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院 濟(jì)南 250002）

1 引言

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）在實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和狀態(tài)檢修方面發(fā)揮著重要作用［1］。目前已應(yīng)用于智能變電站領(lǐng)域的設(shè)備維護(hù)、安全監(jiān)測和溫度監(jiān)測等多個方面［2～4］。WSN在智能變電站中的成功應(yīng)用，為智能變電站探索新的通信方式提供了參考。

WSN可以根據(jù)不同的需要選擇不同的傳感器，也可以根據(jù)實(shí)際的通信延遲或帶寬要求選擇不同的射頻通信技術(shù)［5］，如 ZigBee、WiFi和 PLC。 由于這些技術(shù)非常適合于監(jiān)測智能變電站的狀態(tài)參數(shù)，因此本文對將WSN和GPRS應(yīng)用于智能變電站遠(yuǎn)程監(jiān)測的總體方案進(jìn)行了初步研究。但是對于具體設(shè)備的在線監(jiān)測方案、WSN節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)以及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與站點(diǎn)之間的傳輸通信算法，并未具體涉及。本文將通過WSN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、智能變電站的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)對這些技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的介紹，希望為WSN和GPRS在智能變電站中的應(yīng)用提供一定的參考。

2 WSN的體系結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

WSN由三個網(wǎng)絡(luò)組件組成:傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。圖1是WSN的典型架構(gòu)圖［6］。

圖1 WSN的典型架構(gòu)

與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)相比，WSN具有以下優(yōu)點(diǎn)，因此更適合智能變電站。

1）根據(jù)智能組合變電站的實(shí)際應(yīng)用要求，可以對其組網(wǎng)方案、傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)［7］?？梢愿鶕?jù)不同的應(yīng)用選擇不同的WSN技術(shù)，這是WSN相對傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)最顯著的特點(diǎn)。

2）WSN能夠滿足較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［8］。為了從智能變電站的高壓室、變壓器室、低壓室獲得準(zhǔn)確的物理量，需要安排大量的傳感器節(jié)點(diǎn)。大規(guī)模的WSN一方面可以減少了各個監(jiān)測室的監(jiān)測盲區(qū)，另一方面冗余節(jié)點(diǎn)的存在降低了對單個節(jié)點(diǎn)精度的依賴性。

3）在智能變電站中傳感器節(jié)點(diǎn)的增加或減少會使拓?fù)鋭討B(tài)變化。傳感器節(jié)點(diǎn)可以自動配置和管理WSN的自組織能力［9］。

4）WSN支持多跳路由［10］。WSN節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的通信距離有限，因此擴(kuò)大傳輸范圍通常是由普通的傳感器節(jié)點(diǎn)所支持的多跳路由完成的。在WSN中每個節(jié)點(diǎn)都具有接收和轉(zhuǎn)發(fā)信息的功能。

5）WSN以數(shù)據(jù)為中心。當(dāng)主監(jiān)控系統(tǒng)需要查詢事件時，可以直接通知事件到網(wǎng)絡(luò)，而不是在某個變電站中找到某個傳感器節(jié)點(diǎn)。獲取信息后，網(wǎng)絡(luò)將向主監(jiān)視系統(tǒng)回復(fù)查詢結(jié)果［11］。

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

智能變電站由現(xiàn)場設(shè)備層、通信層和站層組成。三層之間沒有規(guī)定的通信拓?fù)浠蛴邢薜奈锢硗ㄐ沤涌冢?2～13］。智能變電站內(nèi)部采用WSN組網(wǎng)技術(shù)布局傳感器節(jié)點(diǎn)，智能變電站與主監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊控制設(shè)備之間采用GPRS和Internet進(jìn)行通訊?；ヂ?lián)網(wǎng)用于網(wǎng)絡(luò)通信控制設(shè)備與站級主監(jiān)控系統(tǒng)之間的連接。圖2是智能變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)的完整網(wǎng)絡(luò)方案。

3.1 WSN節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

首先是對傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

所有需要在智能變電站傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備都可以設(shè)計(jì)成傳感器節(jié)點(diǎn)。它們不僅可以是具有無線路由器功能的短路指示器或電纜故障指示器，而且可以是附屬于一次電氣設(shè)備的溫度、濕度和壓力傳感器，也可以是其他測量儀器或監(jiān)測模塊。

圖2 智能變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案通常以MCU+RF為基礎(chǔ)，但需要考慮MCU與RF匹配，封裝體積大小等問題。SOC系統(tǒng)（System-on-a-Chip，SOC）將關(guān)鍵組件集成到一個芯片上，在這種情況下，問題可以得到很好的解決。MCU內(nèi)核處理器芯片采用CC2530。CC2530芯片具有高性能的發(fā)送和接收，256 KB的閃存和20 KB的擦除周期，可支持無線更新和大型應(yīng)用。擴(kuò)展接口可以根據(jù)需要安裝其他傳感器，也可以連接LED電路狀態(tài)指示燈，方便查找哪些節(jié)點(diǎn)工作正常，哪些節(jié)點(diǎn)工作不正常。

傳感器節(jié)點(diǎn)功率不足的問題可以通過專用變壓器（CT）與備用電池的結(jié)合來解決。專用CT采用電磁感應(yīng)原理從變電站線路取電，經(jīng)過整流器、濾波器和調(diào)節(jié)器后，可以為傳感器節(jié)點(diǎn)供電。當(dāng)專用CT正常供電時，其工作電壓高于電池電壓，則二極管斷開。當(dāng)變電站停電時，小型CT不供電，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，保持監(jiān)測系統(tǒng)正常工作。傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其次是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)也稱為匯聚節(jié)點(diǎn)，對于WSN至關(guān)重要，是內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)之間的“橋梁”，可以設(shè)計(jì)成專門的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，也可以設(shè)計(jì)成具有額外的監(jiān)控功能的節(jié)點(diǎn)。本文中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是一個基于ZigBee協(xié)議和TCP/IP協(xié)議的專用ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)備，沒有集成專門的監(jiān)測功能。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)框圖

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件由專門的CT、GPRS模塊，微處理器和協(xié)調(diào)器［14］組成。SOC芯片采用CC2530，GRPS芯片為SIM300，微處理器芯片為C8051F120。上述三種器件之間的通信通過RS232串行線交叉連接。在C8051F120中有64個數(shù)字I/O引腳、128KB閃存、8448BRAM和兩個稱為UART0和UART1的串行通信接口［15～16］。這兩個串行通信接口主要用于執(zhí)行控制命令和傳送數(shù)據(jù)指令，UATR0負(fù)責(zé)與GPRS通信，UART1負(fù)責(zé)與協(xié)調(diào)器通信。SIM300嵌入了TCP/IP協(xié)議，并通過AT指令與計(jì)算機(jī)建立網(wǎng)絡(luò)，使得節(jié)點(diǎn)能夠在通信層上實(shí)現(xiàn)智能變電站與網(wǎng)絡(luò)通信控制設(shè)備之間的通信。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)框圖

3.2 基于WSN的現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能變電站中的WSN可以分為2層和3層組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)高壓室、變壓器室和低壓室分為三個組。每個簇產(chǎn)生一個簇首節(jié)點(diǎn)，每個簇首節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將時隙分配給簇內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)。簇首節(jié)點(diǎn)可以通過算法選擇，也可以選擇具有良好通信和數(shù)據(jù)處理能力的專用傳感器節(jié)點(diǎn)。簇首節(jié)點(diǎn)一方面從子節(jié)點(diǎn)收集通信數(shù)據(jù)并發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，另一方面從網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收命令并發(fā)送給子節(jié)點(diǎn)。在這種情況下，頂層網(wǎng)絡(luò)由簇首節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，底層網(wǎng)絡(luò)由頭節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)組成。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以有效減少子節(jié)點(diǎn)間不必要的數(shù)據(jù)傳輸，通過減少路由跳數(shù)的方式提高傳輸效率，現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場設(shè)備層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.3 基于GPRS的通信層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通信層主要由通信網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)通信控制設(shè)備組成，是現(xiàn)場設(shè)備層和站級之間的“橋梁”。網(wǎng)絡(luò)通信控制設(shè)備具有許多下行鏈路通信接口和上行鏈路網(wǎng)絡(luò)接口。一方面用于收集智能變電站的通信數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送到站層主監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信號和遠(yuǎn)程測量的功能。另一方面接收主監(jiān)控系統(tǒng)的指令，發(fā)送給智能變電站，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程調(diào)整功能。

智能變電站需要同時在站層和主監(jiān)控中心進(jìn)行監(jiān)控。如果使用有線網(wǎng)絡(luò)，建立互聯(lián)多個智能變電站的網(wǎng)絡(luò)非常困難，成本也很高，初期投資很大，所以GPRS被用于將網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接到互聯(lián)網(wǎng)中心?；ヂ?lián)網(wǎng)中心與協(xié)議轉(zhuǎn)換后的網(wǎng)絡(luò)通信控制設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)通過互聯(lián)網(wǎng)向控制中心遠(yuǎn)程登錄。反過來網(wǎng)絡(luò)通訊控制設(shè)備也可以通過互聯(lián)網(wǎng)和GPRS實(shí)現(xiàn)對WSN的遠(yuǎn)程監(jiān)控。互聯(lián)網(wǎng)將為每個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備分配一個IP地址，在這種情況下，每個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備將成為互聯(lián)網(wǎng)中的“計(jì)算機(jī)”節(jié)點(diǎn)。通信層網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 通信層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4 變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在智能變電站的建設(shè)過程中，變壓器的智能化改造是一個重要的環(huán)節(jié)。智能變壓器與普通變壓器之間工作原理相同，但在變壓器設(shè)計(jì)階段，應(yīng)考慮將必要的智能傳感器和執(zhí)行器集成到變壓器內(nèi)部或焊接到變壓器外部。

4.1 監(jiān)測內(nèi)容和傳感器的選擇

變電站的在線監(jiān)測主要包括對變壓器運(yùn)行狀態(tài)和變電室環(huán)境的監(jiān)測。變壓器室的環(huán)境監(jiān)測主要是關(guān)于溫濕度的測量。狀態(tài)量的測量主要通過相應(yīng)的智能傳感器來檢測。傳感器名稱及其功能如表1所示。

表1 電力變壓器監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器及其功能

4.2 傳感器節(jié)點(diǎn)的布局

整個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由多個傳感器節(jié)點(diǎn)組成，傳感器節(jié)點(diǎn)布局良好是準(zhǔn)確監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的前提。傳感器節(jié)點(diǎn)布局應(yīng)遵循三個原則:一是傳感器節(jié)點(diǎn)不影響變壓器的正常工作；其次，WSN沒有監(jiān)測盲區(qū)，還需要一定的冗余配置；第三，要考慮經(jīng)濟(jì)問題，減少功能相近的節(jié)點(diǎn)，避免不必要的浪費(fèi)。

微電流傳感器和高頻電流互感器（HFCT）總是封裝在變壓器套管的適配器中。微電流傳感器用于采集變壓器鐵芯或變壓器套管端屏的接地電流。因此，是否存在變壓器鐵芯多重接地可以通過變壓器鐵芯的接地電流來反映。HFCT采用脈沖電流法測量變壓器本體或變壓器套管的局部放電電流。

無線振動傳感器安裝在變壓器表面，用于獲取變壓器或某些設(shè)備的振動信號。依據(jù)振動信號可以分析得出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。高頻聲學(xué)傳感器安裝在變壓器的外部，用于檢測局部放電產(chǎn)生的瞬態(tài)聲信號。高頻聲學(xué)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是可以在變壓器運(yùn)行時進(jìn)行安裝。

智能變壓器在生產(chǎn)時就在繞組中集成了繞組的光纖溫度探頭傳感器，用于測量繞組溫度。PT100鉑電阻溫度傳感器和氣體傳感器安裝在油箱內(nèi)，用于檢測油溫和變壓器油中溶解氣體的濃度。變壓器油中的水分含量很低，一般都在100ppm以下，所以傳統(tǒng)的濕度傳感器無法檢測出，應(yīng)選用高分子膜傳感器MMT162。高分子膜傳感器在低濕度條件下也具有高靈敏度（0%～30%RH）。變壓器套管的絕緣狀況可以由介質(zhì)損耗的大小來反映。套管絕緣失效時介質(zhì)損耗增加，介質(zhì)損耗的大小可以通過變壓器套管端屏的母線電壓和接地電流來計(jì)算。

溫濕度傳感器應(yīng)安裝在變壓器室內(nèi)，用于檢測變壓器運(yùn)行環(huán)境的溫濕度。變壓器室內(nèi)的風(fēng)機(jī)可在高溫時自動開啟，低溫時自動關(guān)閉。同時考慮到變壓器智能化設(shè)計(jì)或改造過程中將智能傳感器植入油箱。所以，一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)的使用壽命應(yīng)超過變壓器的使用壽命或具有免檢的性質(zhì)；另一方面在每個監(jiān)控區(qū)域內(nèi)應(yīng)設(shè)置兩組傳感器節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)冗余配置。

傳感器節(jié)點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)性主要有兩個方面決定:一個是無線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件成本；另一個是需要采集的數(shù)據(jù)量。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的布局由變壓器和變壓器室的結(jié)構(gòu)特征決定，所以無線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件成本是固定的。不過可以依靠優(yōu)化路由協(xié)議和規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，達(dá)到減少不必要的數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч?/p>

5 在線監(jiān)測系統(tǒng)的亟待解決的問題

5.1 變電設(shè)備的智能化改造

將WSN和GPRS應(yīng)用到智能變電站的首要條件是完成對變電站設(shè)備本身的智能化改造。所有的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備都可以設(shè)計(jì)成WSN的傳感器節(jié)點(diǎn)，既可以是電子式電流互感器或電子式電壓互感器等電氣參數(shù)的測量傳感器，也可以是測量非電氣參數(shù)的傳感器，也可以是其他智能儀器。具有無線路由功能的傳感器節(jié)點(diǎn)可以直接向簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號，無線路由功能的節(jié)點(diǎn)可以通過無線路由設(shè)備的擴(kuò)展來解決。但是對于必須安裝在設(shè)備內(nèi)部的傳感器節(jié)點(diǎn)，相關(guān)的集成設(shè)計(jì)應(yīng)在設(shè)備生產(chǎn)之前完成。

5.2 網(wǎng)絡(luò)安全

WSN潛在的安全隱患主要來源于兩個方面:一個是來自電磁干擾，另一個來自人為干擾。無論是在數(shù)據(jù)采集和傳輸過程中，應(yīng)用于智能變電站的WSN都可能因?yàn)殡姶鸥蓴_而發(fā)生故障。因此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮電磁兼容性的問題。同時，由于WSN節(jié)點(diǎn)的自組織和智能變電站自身結(jié)構(gòu)的靈活性，使得聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)延伸到智能變電站。這些聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可以成為攻擊傳感器網(wǎng)絡(luò)或者構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)來竊聽和發(fā)送數(shù)據(jù)的跳板。

5.3 時鐘同步

在智能變電站中，任務(wù)的完成通常需要多個傳感器節(jié)點(diǎn)的協(xié)作。數(shù)據(jù)融合是這種合作的一個實(shí)例，其主要目的是收集來自不同傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以合并成有意義的結(jié)果。這要求傳感器節(jié)點(diǎn)同時將物理參數(shù)傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。然后，控制中心根據(jù)這些數(shù)據(jù)評估智能變電站的運(yùn)行狀態(tài)。如果時鐘不同步，則評估不準(zhǔn)確。傳感器節(jié)點(diǎn)的節(jié)能實(shí)現(xiàn)也需要傳感器節(jié)點(diǎn)之間的同步匹配。

6 結(jié)語

1）本文提出了基于WSN和GPRS的智能變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案。該方案完成了傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和通信層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2）針對傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)功率不足的問題，結(jié)合專用CT取得變電站線路與蓄電池的功率，當(dāng)變電站線路通電時，由專用CT供電；當(dāng)變電站線路發(fā)生故障時，由蓄電池供電。這兩種方法的結(jié)合可以完美地為安全監(jiān)測和設(shè)備維護(hù)提供可靠的數(shù)據(jù)支持，使智能變電站監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮應(yīng)有的作用。

3）為提高變電站節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸效率，提出了兩層和三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。依據(jù)高壓室、變壓器室和低壓室將傳感器節(jié)點(diǎn)分為三簇。每個簇固定或自動生成一個簇首節(jié)點(diǎn)。頂層網(wǎng)絡(luò)由簇首節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，底層網(wǎng)絡(luò)由傳感器網(wǎng)絡(luò)的頭節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以有效地減少子節(jié)點(diǎn)間不必要的數(shù)據(jù)傳輸，通過減少路由跳數(shù)的方式提高傳輸效率。

4）討論了智能變電站中的傳感器的選擇和傳感器節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化布局。同時在每個監(jiān)控區(qū)域設(shè)置兩組傳感器節(jié)點(diǎn)，這就意味著通過適當(dāng)?shù)娜哂嗯渲锰岣吡吮O(jiān)控的可靠性。

5）針對目前智能組合變電站建設(shè)情況和WSN技術(shù)水平，指出將WSN組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能變電站仍存在的技術(shù)問題。這些問題主要包括變電站智能化改造、網(wǎng)絡(luò)安全和時鐘同步。