基于物聯網技術的變電站地網分布式監(jiān)測系統(tǒng)研究

全杰雄，溫才權，黃永豐，楊拯，劉英男

（1.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司梧州局，廣西 梧州 543002；2.山東大學電氣工程學院，山東 濟南 250061）

隨著西電東送和南北互供的全國聯網戰(zhàn)略的實現，我國電網均需建設大量超/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的增加，從過去的幾千安已增加到63 kA[1]。雖然接地電阻達到了相關的要求[2]，即控制在0.5 Ω以下，但短路點與一次接地網也會產生上百伏電壓。變電站一次接地網和二次接地網在主控樓通過粗電纜一點連接，站內電流和電壓二次回路連接設備繁多，控制保護電纜由小室屏柜延伸到室外一次設備，戶外電纜絕緣損壞的幾率大[3]，易出現二次接地線纜屏蔽層與一次接地網多點連接，當一次設備受到雷擊或短路故障時，產生的上百伏電壓作用在二次接地網上，對變電站控制保護系統(tǒng)產生巨大沖擊，嚴重時導致保護拒動誤動，降低供電可靠性[4-5]。一二次地網多點連接，只有在雷擊或短路時才會出現故障特征信號，人工查找費時費力，自動化程度低[6-8]。

為解決上述問題，該文設計了一種基于物聯網的變電站地網分布式智能監(jiān)測系統(tǒng)，分布式采集多處一二次接地網位置電壓，實現一二次地網多點連接故障智能監(jiān)測。

1 總體方案

變電站接地網架構如圖1 所示[9]，粗網狀線為變電站一次地網，細網狀線為變電站二次地網，二次設備通過銅排連接二次地網，一次地網與二次地網正常情況下電纜一點連接。一二次接地網智能監(jiān)測裝置采集一二次接地網之間電壓，通過監(jiān)測不同電壓等級設備區(qū)的一二次地網電壓變化，可預警一二次地網是否有多點連接。

圖1 變電站接地網架構

基于物聯網技術的變電站一二次接地網智能監(jiān)測系統(tǒng)架構如圖2 所示，監(jiān)測系統(tǒng)具有現場二次接地網電壓數據采集和錄波、局域網無線傳輸、站內數據匯集、以太網傳輸、后臺預警及監(jiān)測等功能。系統(tǒng)結構包括感知層、網絡層和應用層。

圖2 智能監(jiān)測系統(tǒng)架構

感知層主要進行一二次接地網電壓采集和預處理，通過局域無線網將信息上傳。網絡層中站內匯集控制單元主要負責將局域無線網絡上傳的數據[10-12]，通過以太網轉發(fā)至上位機監(jiān)控系統(tǒng)。應用層由系統(tǒng)監(jiān)控后臺組成，通過對網絡層接收數據加以處理，進行一二次接地網安全預警。

2 硬件設計

該系統(tǒng)主要設計了變電站二次接地網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，具有運行速度快、存儲量大、功耗低和各種功能接口數量眾多的特點，最高工作頻率為72 MHz。

2.2 地網電壓采集電路設計

設計的地網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，地網電壓可達到上百伏，為準確測量地網電壓，電路采用兩檔采集輸入判斷。一二次接地網電壓采集電路架構如圖3 所示。

圖3 地網電壓采集電路架構

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行電路過壓保護。第一檔采樣點為AC_V1，第二檔采樣點為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入STM32 的ADC 引腳。軟件采樣時，同時采樣兩檔輸出AD 數據，設備先用第二檔數據，當第二檔數據接近飽和后，自動采用第一檔數據，通過兩檔電壓設計，實現小電壓和大電壓的自動量程切換測量。

圖4 地網電壓采集濾波電路

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通信電路設計

現場監(jiān)測主機采用RS485 通信方式獲取接地網電壓采集數據，采用電平轉換芯片SN75LBC184 設計RS485 電路，該芯片完成TTL 電平與RS485 電平的轉換，PCB 板上具備4 位接線端子，便于連接監(jiān)測主機。

2.4 LoRa局域通信模塊接口設計

監(jiān)測主機通過LoRa 局域無線通信，將現場數據匯總傳輸至站級監(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擴頻技術，測試距離為8 000 m，具有FEC 前向糾錯功能，抗干擾能力強。

3 系統(tǒng)軟件設計

整個系統(tǒng)軟件設計包括電壓采集程序設計、故障預警程序設計和上位機軟件設計。

3.1 電壓采集程序設計

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 進行開發(fā)，采用C 語言設計數據采集主程序[15-17]。

STM32F103ZET6 芯片自帶有12 位模數轉換器，采用1 kHz 速率進行電壓模數轉化，實現高速高精度采集一二次接地網電壓。

電壓采集程序流程如圖7 所示，設備上電工作后，開始高速采集二次地網對一次地網電壓，并緩存1 s 時間內的采集數據。電壓采集后，裝置判斷電壓幅值，當電壓小于閾值時，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，并對數據進行存儲；數據存儲方法是將故障前一刻緩存的1 s 數據進行存儲，與故障后數據存儲的59 s 數據合并，每條故障記錄存儲電壓數據錄波時長為1 min。

圖7 電壓采集存儲流程

3.2 故障預警程序設計

STM32 獲取采樣信息后，根據采樣信息判斷電壓是否大于或等于預設電壓閾值。當電壓大于或等于預設電壓閾值時，說明存在二次地網異常，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。

設電壓閾值為V，實時采集電壓值為Vt。故障預警流程如圖8 所示，設備以1 kHz 采樣頻率采集電壓，每次采集完后進行電壓判斷：

圖8 故障預警流程

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

2）當Vt≥V時，查看當前告警狀態(tài)，無告警就生成故障復歸記錄、存儲數據、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，存儲數據、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 上位機軟件設計

上位機和監(jiān)測主機之間基于TCP協(xié)議通信，上位機軟件利用Visual Studio開發(fā)平臺完成，通過C#.NET的窗體應用程序開發(fā)系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)上位機軟件主要由三部分組成：軟件參數設置模塊、數據監(jiān)測、地網電壓預警。詳細模塊功能如圖9 所示。

圖9 上位機功能模塊

4 系統(tǒng)測試

通過電壓源模擬地網電壓變化，測試監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測準確性，在交流電壓變化過程中，監(jiān)測主機根據電壓閾值進行判斷分析，監(jiān)測預警界面如圖10所示。

圖10 地網電壓監(jiān)測數據異常報警

5 結束語

該文開發(fā)了一種基于物聯網技術的變電站一二次地網電壓分布式智能監(jiān)測系統(tǒng)。通過局域和廣域無線通信設計，便于現場安裝部署，可預警變電站一二次接地網多點連接的故障。