基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站地網(wǎng)分布式監(jiān)測系統(tǒng)研究

全杰雄，溫才權(quán)，黃永豐，楊拯，劉英男

（1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司梧州局，廣西 梧州 543002；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

隨著西電東送和南北互供的全國聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)，我國電網(wǎng)均需建設(shè)大量超/特高壓輸變電系統(tǒng)。電壓等級提高的同時，輸送容量也越來越大，造成變電站的短路電流也相應(yīng)的增加，從過去的幾千安已增加到63 kA[1]。雖然接地電阻達(dá)到了相關(guān)的要求[2]，即控制在0.5 Ω以下，但短路點(diǎn)與一次接地網(wǎng)也會產(chǎn)生上百伏電壓。變電站一次接地網(wǎng)和二次接地網(wǎng)在主控樓通過粗電纜一點(diǎn)連接，站內(nèi)電流和電壓二次回路連接設(shè)備繁多，控制保護(hù)電纜由小室屏柜延伸到室外一次設(shè)備，戶外電纜絕緣損壞的幾率大[3]，易出現(xiàn)二次接地線纜屏蔽層與一次接地網(wǎng)多點(diǎn)連接，當(dāng)一次設(shè)備受到雷擊或短路故障時，產(chǎn)生的上百伏電壓作用在二次接地網(wǎng)上，對變電站控制保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大沖擊，嚴(yán)重時導(dǎo)致保護(hù)拒動誤動，降低供電可靠性[4-5]。一二次地網(wǎng)多點(diǎn)連接，只有在雷擊或短路時才會出現(xiàn)故障特征信號，人工查找費(fèi)時費(fèi)力，自動化程度低[6-8]。

為解決上述問題，該文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的變電站地網(wǎng)分布式智能監(jiān)測系統(tǒng)，分布式采集多處一二次接地網(wǎng)位置電壓，實(shí)現(xiàn)一二次地網(wǎng)多點(diǎn)連接故障智能監(jiān)測。

1 總體方案

變電站接地網(wǎng)架構(gòu)如圖1 所示[9]，粗網(wǎng)狀線為變電站一次地網(wǎng)，細(xì)網(wǎng)狀線為變電站二次地網(wǎng)，二次設(shè)備通過銅排連接二次地網(wǎng)，一次地網(wǎng)與二次地網(wǎng)正常情況下電纜一點(diǎn)連接。一二次接地網(wǎng)智能監(jiān)測裝置采集一二次接地網(wǎng)之間電壓，通過監(jiān)測不同電壓等級設(shè)備區(qū)的一二次地網(wǎng)電壓變化，可預(yù)警一二次地網(wǎng)是否有多點(diǎn)連接。

圖1 變電站接地網(wǎng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站一二次接地網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示，監(jiān)測系統(tǒng)具有現(xiàn)場二次接地網(wǎng)電壓數(shù)據(jù)采集和錄波、局域網(wǎng)無線傳輸、站內(nèi)數(shù)據(jù)匯集、以太網(wǎng)傳輸、后臺預(yù)警及監(jiān)測等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

圖2 智能監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

感知層主要進(jìn)行一二次接地網(wǎng)電壓采集和預(yù)處理，通過局域無線網(wǎng)將信息上傳。網(wǎng)絡(luò)層中站內(nèi)匯集控制單元主要負(fù)責(zé)將局域無線網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù)[10-12]，通過以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。應(yīng)用層由系統(tǒng)監(jiān)控后臺組成，通過對網(wǎng)絡(luò)層接收數(shù)據(jù)加以處理，進(jìn)行一二次接地網(wǎng)安全預(yù)警。

2 硬件設(shè)計

該系統(tǒng)主要設(shè)計了變電站二次接地網(wǎng)電壓采集錄波的硬件電路，主要包括STM32F103ZET6 硬件最小系統(tǒng)、地網(wǎng)電壓采集電路、RS485 通信電路和LoRa局域通信模塊接口電路四部分。

2.1 STM32F103ZET6硬件最小系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)采用STM32F103ZET6 作為主控芯片，該芯片是ARM 32 位的Cortex-M3 核心的CPU，具有運(yùn)行速度快、存儲量大、功耗低和各種功能接口數(shù)量眾多的特點(diǎn)，最高工作頻率為72 MHz。

2.2 地網(wǎng)電壓采集電路設(shè)計

設(shè)計的地網(wǎng)交流電壓采樣范圍為AC 0～500 V，交流電壓采樣精度為1%。一二次地網(wǎng)之間電壓正常時，電壓為毫伏級別，發(fā)生雷擊或短路后，地網(wǎng)電壓可達(dá)到上百伏，為準(zhǔn)確測量地網(wǎng)電壓，電路采用兩檔采集輸入判斷。一二次接地網(wǎng)電壓采集電路架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 地網(wǎng)電壓采集電路架構(gòu)

電壓采集濾波電路如圖4 所示，采用壓敏電和氣體放電管進(jìn)行電路過壓保護(hù)。第一檔采樣點(diǎn)為AC_V1，第二檔采樣點(diǎn)為V1_IN。第一檔電壓通過如圖5 所示的電壓隔離放大電路進(jìn)入STM32 的ADC 引腳，第二檔電壓通過如圖6 所示的兩級放大電路進(jìn)入STM32 的ADC 引腳。軟件采樣時，同時采樣兩檔輸出AD 數(shù)據(jù)，設(shè)備先用第二檔數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)诙n數(shù)據(jù)接近飽和后，自動采用第一檔數(shù)據(jù)，通過兩檔電壓設(shè)計，實(shí)現(xiàn)小電壓和大電壓的自動量程切換測量。

圖4 地網(wǎng)電壓采集濾波電路

圖5 第一檔電壓隔離放大電路

圖6 第二檔電壓兩級放大電路

2.3 RS485通信電路設(shè)計

現(xiàn)場監(jiān)測主機(jī)采用RS485 通信方式獲取接地網(wǎng)電壓采集數(shù)據(jù)，采用電平轉(zhuǎn)換芯片SN75LBC184 設(shè)計RS485 電路，該芯片完成TTL 電平與RS485 電平的轉(zhuǎn)換，PCB 板上具備4 位接線端子，便于連接監(jiān)測主機(jī)。

2.4 LoRa局域通信模塊接口設(shè)計

監(jiān)測主機(jī)通過LoRa 局域無線通信，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)匯總傳輸至站級監(jiān)控后臺，LoRa 局域無線模塊采用E32-433T30D，該模塊采用SX1278 芯片方案[13-14]，發(fā)射功率1 W，采用LoRa擴(kuò)頻技術(shù)，測試距離為8 000 m，具有FEC 前向糾錯功能，抗干擾能力強(qiáng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)軟件設(shè)計包括電壓采集程序設(shè)計、故障預(yù)警程序設(shè)計和上位機(jī)軟件設(shè)計。

3.1 電壓采集程序設(shè)計

STM32 系統(tǒng)軟件采用嵌入式集成系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench 進(jìn)行開發(fā)，采用C 語言設(shè)計數(shù)據(jù)采集主程序[15-17]。

STM32F103ZET6 芯片自帶有12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用1 kHz 速率進(jìn)行電壓模數(shù)轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)高速高精度采集一二次接地網(wǎng)電壓。

電壓采集程序流程如圖7 所示，設(shè)備上電工作后，開始高速采集二次地網(wǎng)對一次地網(wǎng)電壓，并緩存1 s 時間內(nèi)的采集數(shù)據(jù)。電壓采集后，裝置判斷電壓幅值，當(dāng)電壓小于閾值時，若裝置有告警就清除告警，繼續(xù)采集電壓；若電壓大于閾值，裝置告警，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲；數(shù)據(jù)存儲方法是將故障前一刻緩存的1 s 數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，與故障后數(shù)據(jù)存儲的59 s 數(shù)據(jù)合并，每條故障記錄存儲電壓數(shù)據(jù)錄波時長為1 min。

圖7 電壓采集存儲流程

3.2 故障預(yù)警程序設(shè)計

STM32 獲取采樣信息后，根據(jù)采樣信息判斷電壓是否大于或等于預(yù)設(shè)電壓閾值。當(dāng)電壓大于或等于預(yù)設(shè)電壓閾值時，說明存在二次地網(wǎng)異常，主控制器控制存儲裝置存儲采樣信息，通過告警裝置輸出告警信息。此外，主控制器還可以同時生成告警記錄，并控制存儲裝置存儲該告警記錄。

設(shè)電壓閾值為V，實(shí)時采集電壓值為Vt。故障預(yù)警流程如圖8 所示，設(shè)備以1 kHz 采樣頻率采集電壓，每次采集完后進(jìn)行電壓判斷：

圖8 故障預(yù)警流程

1）當(dāng)Vt＜V時，查看當(dāng)前告警狀態(tài)，無告警繼續(xù)采集電壓，若有告警即清除告警、生成故障復(fù)歸記錄、完成后繼續(xù)采集并判斷電壓；

2）當(dāng)Vt≥V時，查看當(dāng)前告警狀態(tài)，無告警就生成故障復(fù)歸記錄、存儲數(shù)據(jù)、繼續(xù)采集并判斷電壓，有告警，要判斷告警持續(xù)時間，若告警時間小于59 s，存儲數(shù)據(jù)、繼續(xù)采集電壓并判斷電壓；若告警時間大于59 s、繼續(xù)采集電壓并判斷電壓。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)和監(jiān)測主機(jī)之間基于TCP協(xié)議通信，上位機(jī)軟件利用Visual Studio開發(fā)平臺完成，通過C#.NET的窗體應(yīng)用程序開發(fā)系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)上位機(jī)軟件主要由三部分組成：軟件參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測、地網(wǎng)電壓預(yù)警。詳細(xì)模塊功能如圖9 所示。

圖9 上位機(jī)功能模塊

4 系統(tǒng)測試

通過電壓源模擬地網(wǎng)電壓變化，測試監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測準(zhǔn)確性，在交流電壓變化過程中，監(jiān)測主機(jī)根據(jù)電壓閾值進(jìn)行判斷分析，監(jiān)測預(yù)警界面如圖10所示。

圖10 地網(wǎng)電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)異常報警

5 結(jié)束語

該文開發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站一二次地網(wǎng)電壓分布式智能監(jiān)測系統(tǒng)。通過局域和廣域無線通信設(shè)計，便于現(xiàn)場安裝部署，可預(yù)警變電站一二次接地網(wǎng)多點(diǎn)連接的故障。