謝連科 張 永 馬新剛 張國(guó)英 臧玉魏
(國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院 濟(jì)南 250002)
隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展,無(wú)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(cè)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(cè)和溫度監(jiān)測(cè)等多個(gè)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(cè)智能變電站的狀態(tài)參數(shù),因此本文對(duì)將WSN和GPRS應(yīng)用于智能變電站遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的總體方案進(jìn)行了初步研究。但是對(duì)于具體設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)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(guò)WSN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、智能變電站的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)對(duì)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。
WSN由三個(gè)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(wú)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(duì)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(duì)傳統(tǒng)無(wú)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(gè)監(jiān)測(cè)室的監(jiān)測(cè)盲區(qū),另一方面冗余節(jié)點(diǎn)的存在降低了對(duì)單個(gè)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(huì)使拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化。傳感器節(jié)點(diǎn)可以自動(dòng)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(gè)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(shí),可以直接通知事件到網(wǎng)絡(luò),而不是在某個(gè)變電站中找到某個(gè)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]。
智能變電站由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、通信層和站層組成。三層之間沒(méi)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(jí)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(cè)系統(tǒng)的完整網(wǎng)絡(luò)方案。
首先是對(duì)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(wú)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(cè)量?jī)x器或監(jiān)測(cè)模塊。
圖2 智能變電站在線監(jiān)測(cè)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(wèn)題。SOC系統(tǒng)(System-on-a-Chip,SOC)將關(guān)鍵組件集成到一個(gè)芯片上,在這種情況下,問(wèn)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(wú)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(wèn)題可以通過(guò)專(zhuān)用變壓器(CT)與備用電池的結(jié)合來(lái)解決。專(zhuān)用CT采用電磁感應(yīng)原理從變電站線路取電,經(jīng)過(guò)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(zhuān)用CT正常供電時(shí),其工作電壓高于電池電壓,則二極管斷開(kāi)。當(dāng)變電站停電時(shí),小型CT不供電,二極管處于導(dǎo)通狀態(tài),保持監(jiān)測(cè)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(duì)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(zhuān)門(mén)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(gè)基于ZigBee協(xié)議和TCP/IP協(xié)議的專(zhuān)用ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)備,沒(méi)有集成專(zhuān)門(mén)的監(jiān)測(cè)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(zhuān)門(mén)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(guò)RS232串行線交叉連接。在C8051F120中有64個(gè)數(shù)字I/O引腳、128KB閃存、8448BRAM和兩個(gè)稱為UART0和UART1的串行通信接口[15~16]。這兩個(gè)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(guò)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
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(gè)組。每個(gè)簇產(chǎn)生一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn),每個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將時(shí)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(guò)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(zhuān)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(guò)減少路由跳數(shù)的方式提高傳輸效率,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
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(chǎng)設(shè)備層和站級(jí)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(hào)和遠(yuǎn)程測(cè)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(shí)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(gè)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。互聯(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(guò)互聯(lián)網(wǎng)向控制中心遠(yuǎn)程登錄。反過(guò)來(lái)網(wǎng)絡(luò)通訊控制設(shè)備也可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和GPRS實(shí)現(xiàn)對(duì)WSN的遠(yuǎn)程監(jiān)控?;ヂ?lián)網(wǎng)將為每個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備分配一個(gè)IP地址,在這種情況下,每個(gè)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)
在智能變電站的建設(shè)過(guò)程中,變壓器的智能化改造是一個(gè)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。
變電站的在線監(jiān)測(cè)主要包括對(duì)變壓器運(yùn)行狀態(tài)和變電室環(huán)境的監(jiān)測(cè)。變壓器室的環(huán)境監(jiān)測(cè)主要是關(guān)于溫濕度的測(cè)量。狀態(tài)量的測(cè)量主要通過(guò)相應(yīng)的智能傳感器來(lái)檢測(cè)。傳感器名稱及其功能如表1所示。
表1 電力變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器及其功能
整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)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(cè)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(gè)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(méi)有監(jiān)測(cè)盲區(qū),還需要一定的冗余配置;第三,要考慮經(jīng)濟(jì)問(wèn)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(guò)變壓器鐵芯的接地電流來(lái)反映。HFCT采用脈沖電流法測(cè)量變壓器本體或變壓器套管的局部放電電流。
無(wú)線振動(dòng)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(dòng)信號(hào)。依據(jù)振動(dòng)信號(hào)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(cè)局部放電產(chǎn)生的瞬態(tài)聲信號(hào)。高頻聲學(xué)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是可以在變壓器運(yùn)行時(shí)進(jìn)行安裝。
智能變壓器在生產(chǎn)時(shí)就在繞組中集成了繞組的光纖溫度探頭傳感器,用于測(cè)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(cè)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(wú)法檢測(cè)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(lái)反映。套管絕緣失效時(shí)介質(zhì)損耗增加,介質(zhì)損耗的大小可以通過(guò)變壓器套管端屏的母線電壓和接地電流來(lái)計(jì)算。
溫濕度傳感器應(yīng)安裝在變壓器室內(nèi),用于檢測(cè)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(shí)自動(dòng)開(kāi)啟,低溫時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。同時(shí)考慮到變壓器智能化設(shè)計(jì)或改造過(guò)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(guò)變壓器的使用壽命或具有免檢的性質(zhì);另一方面在每個(gè)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(gè)方面決定:一個(gè)是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件成本;另一個(gè)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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件成本是固定的。不過(guò)可以依靠?jī)?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>
將WSN和GPRS應(yīng)用到智能變電站的首要條件是完成對(duì)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(cè)量傳感器,也可以是測(cè)量非電氣參數(shù)的傳感器,也可以是其他智能儀器。具有無(wú)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(hào),無(wú)線路由功能的節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)無(wú)線路由設(shè)備的擴(kuò)展來(lái)解決。但是對(duì)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。
WSN潛在的安全隱患主要來(lái)源于兩個(gè)方面:一個(gè)是來(lái)自電磁干擾,另一個(gè)來(lái)自人為干擾。無(wú)論是在數(shù)據(jù)采集和傳輸過(guò)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(shí)應(yīng)考慮電磁兼容性的問(wèn)題。同時(shí),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(lái)竊聽(tīng)和發(fā)送數(shù)據(jù)的跳板。
在智能變電站中,任務(wù)的完成通常需要多個(gè)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(gè)實(shí)例,其主要目的是收集來(lái)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(shí)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(píng)估智能變電站的運(yùn)行狀態(tài)。如果時(shí)鐘不同步,則評(píng)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。
1)本文提出了基于WSN和GPRS的智能變電站在線監(jiān)測(cè)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(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)功率不足的問(wèn)題,結(jié)合專(zhuān)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(shí),由專(zhuān)用CT供電;當(dāng)變電站線路發(fā)生故障時(shí),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(cè)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(cè)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(gè)簇固定或自動(dòng)生成一個(gè)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(guò)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(shí)在每個(gè)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(guò)適當(dāng)?shù)娜哂嗯渲锰岣吡吮O(jiān)控的可靠性。
5)針對(duì)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(wèn)題。這些問(wèn)題主要包括變電站智能化改造、網(wǎng)絡(luò)安全和時(shí)鐘同步。