礦區(qū)變電站運行全過程信息監(jiān)測系統(tǒng)

仇晨光，張 浩，閆朝陽，柴 赟

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210013)

1 總體設計

礦區(qū)變電站運行全過程信息監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)分析層、數(shù)據(jù)管理層和預警層構成。每個功能層都有相對應的模塊結構，礦區(qū)變電站運行全過程信息監(jiān)測系統(tǒng)的組成結構圖如圖1所示。

圖1 礦區(qū)變電站運行全過程信息監(jiān)測系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of information monitoring system for the whole process of substation operation in mining area

2 硬件設計

2.1 S3C2440芯片

在本文設計的系統(tǒng)中，采用ARM9系列處理器中S3C2440芯片作為核心芯片。該芯片功能強大，在使用過程中耗能較低，主頻率可達到533 MHz，并具備16 KB的指令緩存和數(shù)據(jù)緩存功能，能夠完全滿足系統(tǒng)運行需求。滿足了對智能管理和監(jiān)視的要求。通過S3C2440芯片讀取單板硬件地址，可提供不同通道的專用DMA，具有總線請求接口和通道IIS總線音頻編碼器接口，可兼容SD主接口協(xié)議和MMC卡協(xié)議，實現(xiàn)對內部數(shù)據(jù)和燒寫程序的控制。采用I2C界面進行管理指令交互，通過網(wǎng)絡端口對礦區(qū)變電站運行全過程信息進行遠程監(jiān)測，若礦區(qū)變電站出現(xiàn)運行異常，可通過GPIO發(fā)送對應的報警信號[8]。

S3C2440芯片參數(shù)：尺寸3.3 mm×4.5 mm×2.8 mm；最低工作溫度-30 ℃；最高工作溫度100 ℃；最小電源電壓1.5 V；最大電源電壓6 V。

2.2 通信AD9361芯片

AD9361芯片能夠同時完成信號的發(fā)射與接收，可以滿足二次發(fā)射的需求；操作頻率較廣，可覆蓋70 MHz～6 GHz范圍，發(fā)射與接收信道帶寬在200 kHz～56 MHz。AD9361芯片內置有高密度的功放、混頻器、本振產(chǎn)生、濾波器、 ADC/DAC等功能，將接收的模擬信號經(jīng)過選擇器后進入LNA，再進入混合器，用PLL部件輸入本振信號，對不同信號進行解調[9]；再經(jīng)過一個放大器和最大帶寬為56 MHz的模擬低通濾波器，縮短信號取樣時間，使所輸出的數(shù)據(jù)具有適當?shù)臄?shù)據(jù)頻率。

AD9361芯片參數(shù)：頻率70 MHz～6 GHz；輸出功率8 dBm；最低工作溫度-40 ℃；最高工作溫度85 ℃；最小電源電壓1.267 V；最大電源電壓1.33 V；接口類型3-Wire、4-Wire和SPI。

2.3 多傳感器采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由多個傳感器節(jié)點構成，高壓開關運行全過程信息監(jiān)測模塊的傳感器節(jié)點主要是HY5W-110 kV型號避雷器監(jiān)測傳感器、AR0130CSSC00SPBA0-DR型號開關視頻監(jiān)測傳感器、JDM-2型號機械特性監(jiān)測傳感器、WFS-D8-UHF-E型號局部放電監(jiān)測傳感器、NAP-57A型號氣體密度與微水監(jiān)測傳感器。變壓器運行全過程信息監(jiān)測模塊的傳感器節(jié)點主要為JYJC-64G型號套管絕緣監(jiān)測傳感器、APS12450LLHALT-1SLA型號鐵芯狀態(tài)電流監(jiān)測傳感器[10]。各個傳感器參數(shù)見表1。

4）訓練方式、手段及步驟：將學生分成幾個小組（5人一組），每個小組確定說話的類型，小組內進行談論，要求每位學生都參與，說話時間至少3分鐘；小組訓練結束后，教師在隨機抽取各小組幾名學生，進行即興說話，學生和老師按照既定標準進行的評分和點評。

表1 傳感器參數(shù)Tab.1 Sensor parameters

2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)解析重組模塊

監(jiān)測數(shù)據(jù)解析重組模塊主要由高壓開關與變壓器子IED構成，IED是智能監(jiān)測裝置的英文縮寫。高壓開關與變壓器子IED與傳感器節(jié)點相對應[11]，傳感器節(jié)點采集目標設備的運行數(shù)據(jù)后，便會傳輸至數(shù)據(jù)處理層的監(jiān)測數(shù)據(jù)解析重組模塊，此模塊驅動高壓開關與變壓器子IED，將獲取的監(jiān)測信息進行分類整理存儲后發(fā)送至數(shù)據(jù)管理層[12]。此模塊可將采集的監(jiān)測信息實施解析、數(shù)據(jù)預處理與數(shù)據(jù)分類存儲、數(shù)據(jù)重組。監(jiān)測數(shù)據(jù)解析重組模塊的硬件結構主要分為電源單元、電源管理單元、ZigBee無線單元、GSM單元、內存管理單元等。其中，數(shù)據(jù)解析重組模塊的硬件結構如圖2所示。

圖2中，MCU是性能卓越的工業(yè)級處理器，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)解析，且運行功耗極小。ZigBee單元是協(xié)調器節(jié)點，可實現(xiàn)無線網(wǎng)絡的建立與維護。如果監(jiān)測的信息存在異常，便會傳輸報警信號發(fā)送至預警層，進行聲光報警提示、警鈴提示等。

3 軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)處理流程設計

通過傳感器節(jié)點采集到礦區(qū)變電站運行全過程信息數(shù)據(jù)后，需要對運行全過程信息數(shù)據(jù)進行處理，獲取有效的礦區(qū)變電站運行全過程信息數(shù)據(jù)包，與過往運行參數(shù)信息進行比對，分析數(shù)據(jù)包是否為變電站正常運行下的全過程信息數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果判斷變電站是否存在運行異常的情況。礦區(qū)變電站運行全過程信息數(shù)據(jù)處理流程圖如圖3所示。

圖2 監(jiān)測數(shù)據(jù)解析重組模塊Fig.2 Analysis and reorganization module of monitoring data

圖3 運行信息數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Operation information data processing flow chart

3.2 監(jiān)測過程信息傳輸程序設計

礦區(qū)變電站運行全過程信息監(jiān)測系統(tǒng)運行時，傳感器會通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡把需傳輸監(jiān)測信息傳輸至監(jiān)控主機的串口通信緩沖單元[13]；通信緩沖單元在接收傳感器裝置采集的監(jiān)測信息后，將此信息與監(jiān)控主機下達的通信信息實施緩沖處理后，發(fā)送至實施信息緩沖單元，實時信息緩沖單元把監(jiān)測數(shù)據(jù)實施解析處理后存儲在對應文件里，更新礦區(qū)變電站運行全過程信息監(jiān)測系統(tǒng)客戶端的數(shù)據(jù)顯示與圖形變化信息反饋至用戶。礦區(qū)變電站運行全過程信息監(jiān)測系統(tǒng)中，監(jiān)測過程信息流程如圖4所示。

圖4 監(jiān)測過程信息流示意Fig.4 Schematic diagram of monitoring process information flow

3.3 ZigBee無線網(wǎng)絡

礦區(qū)變電站運行全過程信息監(jiān)測系統(tǒng)可自主實現(xiàn)變電站運行全過程信息采集、監(jiān)測、異常診斷等基礎功能。系統(tǒng)所應用的ZigBee無線網(wǎng)絡結構如圖5所示。

圖5 ZigBee無線網(wǎng)絡結構Fig.5 ZigBee wireless network structure

如圖5所示，ZigBee無線網(wǎng)絡結構為網(wǎng)狀結構，ZigBee技術具有低功耗、低成本的應用優(yōu)勢，該網(wǎng)絡通信模式下，本文系統(tǒng)使用了ZigBee協(xié)議棧，此協(xié)議可以保證無線設備在功耗與成本都較小的前提下，實現(xiàn)礦區(qū)變電站監(jiān)測現(xiàn)場—礦區(qū)變電站監(jiān)測客戶端的雙向信息傳輸[14]。比如可以將礦區(qū)變電站監(jiān)測現(xiàn)場的信息傳輸至礦區(qū)變電站監(jiān)測客戶端，礦區(qū)變電站監(jiān)測客戶端也可以下達預警信號傳輸至礦區(qū)變電站監(jiān)測現(xiàn)場[15]。該協(xié)議棧使用了基于RETX值的ZigBee無線網(wǎng)絡路由選擇方法，有效實現(xiàn)礦區(qū)變電站監(jiān)測信息的高效傳輸。

由于ZigBee無線網(wǎng)絡需要依靠電磁波來傳輸數(shù)據(jù)信息，在無線信道處理環(huán)節(jié)中，加強無線信號處理能力，增加射頻信號濾波處理過程，提高ZigBee無線網(wǎng)絡信號處理能力，增加抗干擾能力。濾波器誤差計算為：

e(m)=d(n)-r

(1)

式中，d為射頻干擾信號；n為射頻信號函數(shù)；r為濾波信號頻率。

將濾波器誤差結果代入ZigBee無線網(wǎng)絡輸入信號的函數(shù)中，得到修正后均方誤差差值：

E=m(d)2-f(n)t

(2)

式中，m為待估參數(shù)；f為參數(shù)空間；t為濾波信號頻率。

將結果輸入射頻信號矩陣，減少信號干擾，提高ZigBee無線網(wǎng)絡信號處理能力。

3.4 ZigBee無線網(wǎng)絡路由選擇方法

ZigBee無線通信網(wǎng)絡結構中，路由的選擇模式存在靈活性，如果某個路由出現(xiàn)異常，變電站運行監(jiān)測信息便會傳輸在其他路由上[16-18]。RETX值為ZigBee無線網(wǎng)絡路由中接收信號強度顯示值與期望發(fā)包數(shù)之和，選擇ZigBee無線網(wǎng)絡路由傳輸?shù)V區(qū)變電站監(jiān)測信息時，層至層的鏈路就是RETX總和較小的值所在路由。

通過某個鏈路成功傳輸一組礦區(qū)變電站監(jiān)測信息而需要發(fā)送包的數(shù)量來計算正向鏈路收包率與反向鏈路收包率。使用指數(shù)加權移動平均算法，對ZigBee無線網(wǎng)絡的信息傳輸特征進行分析，以提高信息傳輸?shù)臏蚀_性。根據(jù)信息移動窗口的礦區(qū)變電站監(jiān)測信息接收信號強度，獲得該信息移動窗口中的接收信號強度顯示均值，對接收信號強度進行評價，根據(jù)評價值來掌握礦區(qū)變電站監(jiān)測信息傳輸鏈路通信狀態(tài)[19-20]。在礦區(qū)變電站監(jiān)測信息傳輸時，端至端的鏈路就是RETX值總和較小的值所在路由。按照此方法選擇的路由，網(wǎng)絡擁塞率較小，信息傳輸實時性較高。

4 實驗分析

為了測試本文系統(tǒng)的應用效果，以變電站內12號主變壓器為監(jiān)測對象，采用本文系統(tǒng)對12號主變壓器運行全過程信息實施監(jiān)測。

4.1 礦區(qū)變壓器運行全過程監(jiān)測效果

本文系統(tǒng)對該礦區(qū)變電站的變壓器實施運行全過程監(jiān)測時，測點編碼與監(jiān)測內容對應如下。c1：12號主變壓器溫度；c2：12號主變壓器低壓側電流；c3：12號主變壓器低壓側功率；c4：12號主變壓器中壓側電流；c5：12號主變壓器中壓側功率；c6：12號主變壓器高壓側電流；c7：12號主變壓器高壓側功率。得到12號變壓器運行全過程信息監(jiān)測結果，c1測點溫度為45.38 ℃，低壓側c2測點電流為255.60 A，c3測點功率為18.56 W；中壓側c4測點電流為157.12 A，c5測點功率為31.95 W；高壓側c6測點電流121.94 A，c7測點功率為48.71 W，均無異常。

通過本文系統(tǒng)，對12號變壓器運行全過程的溫度信息進行監(jiān)測，結果如圖6所示。

圖6 溫度變化詳情Fig.6 Details of temperature change

由圖6中可知，該礦區(qū)變電站的變壓器全過程信息監(jiān)測結果中，主變壓器有2條溫度曲線，2條溫度曲線為相同的主變壓器2個傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，2條溫度曲線顯示的是監(jiān)測目標的監(jiān)測溫度。若2個傳感器監(jiān)測溫度的溫差較大，便是傳感器出現(xiàn)異常。在不存在異常的工作模式中，系統(tǒng)2個傳感器監(jiān)測溫度的溫差差異較小，2個溫度計的溫差為0～1 ℃，表示該礦區(qū)變電站的變壓器溫度監(jiān)測結果可靠。

4.2 礦區(qū)高壓開關運行全過程監(jiān)測效果

本文系統(tǒng)對該礦區(qū)12號變壓器高壓開關柜間斷放電變化、內部氣隙放電變化和懸浮點位放電變化進行監(jiān)測，采樣率20 GS/s，結果如圖7所示。由圖7可知，本文系統(tǒng)對該礦區(qū)高壓開關柜間斷放電、內部氣隙放電、懸浮點位監(jiān)測后，監(jiān)測結果較為明確，波動信息直接顯示。

4.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡吞吐率測試結果

變電站運行全過程信息量較大，而監(jiān)測實時性又較為重要，為此，系統(tǒng)網(wǎng)絡吞吐率十分重要，直接影響監(jiān)測信息的傳輸實時性，本文系統(tǒng)在監(jiān)測該礦區(qū)變電站高壓開關、變壓器信息時的網(wǎng)絡吞吐率測試結果如圖8所示。

圖7 該礦區(qū)高壓開關柜間斷放電模式監(jiān)測結果Fig.7 Monitoring results of intermittent discharge mode of high voltage switchgear in the mining area

圖8 本文系統(tǒng)網(wǎng)絡吞吐率測試結果Fig.8 Network throughput test results of system in this paper

由圖8可知，本文系統(tǒng)在監(jiān)測該礦區(qū)變電站高壓開關、變壓器信息時，網(wǎng)絡吞吐率大于40 Kbit/s，原因是本文系統(tǒng)中使用了基于RETX值的ZigBee無線網(wǎng)絡路由選擇方法，該方法在選取監(jiān)測信息傳輸路由時，會分析路徑的實際通信狀態(tài)，以此選取最可靠最匹配的監(jiān)測信息傳輸路由，以此提高了系統(tǒng)網(wǎng)絡吞吐率。

5 結語

研究礦區(qū)變電站運行全過程信息監(jiān)控問題，并設計了礦區(qū)變電站運行全過程信息監(jiān)測系統(tǒng)。

(1)本文系統(tǒng)監(jiān)測該礦區(qū)變電站的變壓器運行全過程信息時，對主變壓器低壓側、中壓側、高壓側的電流與功率、主變壓器的溫度都顯示的清晰明了。

(2)本文系統(tǒng)對該礦區(qū)高壓開關柜間斷放電、內部氣隙放電、懸浮點位監(jiān)測后，監(jiān)測結果較為明確，波動信息直接顯示。

(3)本文系統(tǒng)在監(jiān)測該礦區(qū)變電站高壓開關、變壓器信息時，網(wǎng)絡吞吐率大于40 Kbit/s，系統(tǒng)網(wǎng)絡吞吐率較高。