无线传感器网络应用于智能箱式变电站的探讨

王晓文,夏站国,马仕海

(沈阳工程学院 a.新能源学院；b.电力学院；c.教育教学评价中心，辽宁 沈阳 110136)



无线传感器网络应用于智能箱式变电站的探讨

王晓文a,夏站国b,马仕海c

(沈阳工程学院 a.新能源学院；b.电力学院；c.教育教学评价中心，辽宁 沈阳 110136)

摘要：提出了将无线传感器网络应用于智能箱式变电站的监测系统，给出了基于无线传感器网络的智能箱式变电站组网方案。同时采用小CT取电装置从箱内线路上取电和电池供电相结合的方法，有效地解决了传感器节点的供电短缺问题，采用两层三簇式拓扑结构减少了路由跳数、提高了传输效率。最后以变压器室的监测系统为例，探讨了如何优化传感器节点的布置，指出今后可将箱变设备本身的智能化建设、网络安全和时钟同步问题作为研究重点。

关键词：无线传感器网络(WSN)；智能箱式变电站；通讯体系；传感器节点

随着智能电网的发展，无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)在有效监测电力系统运行状态、提高电力系统运行效率等方面发挥了巨大的作用[1]。其中在智能变电站领域，目前主要的应用有设备检修[2]、安全监测[3]、温度监测[4]等，WSN在智能变电站中的成功应用经验为在智能箱式变电站中探索新的通信方式提供了借鉴。

无线传感器网络可以根据检测需要选择不同的传感器，也可以根据实际中的通信延迟、带宽要求采用不同的射频通信技术[5]，比如ZigBee、WiFi和PLC等，非常适合智能箱变中状态参数的获取。目前就WSN在智能箱变中的总体应用方案已有了初步探讨，但是对于具体到实际设备的在线监测方案、网关节点设计以及网关和站控层监控主系统之间的传输通信等方面的研究尚未涉及，下面将对这些技术进行深入研究，希望为无线传感器网络应用于智能箱式变电站提供一定的参考。

1WSN的网络架构及其特点

WSN是由传感器节点、汇聚节点和任务管理节点构成的三级网络系统，图1是WSN的典型网络架构图[6]。

图1　WSN的典型网络架构

WSN同现有的传统无线网络相比，以下优点使其更适合应用于智能箱式变电站：

1)应用相关性。WSN可以根据智能箱式变电站的实际应用背景，设计出与其相对应的组网结构、传感器节点、网关节点、软件系统和网络协议。能根据不同的应用来研究不同的WSN技术，这是WSN不同于传统无线网络的显著特点[7]。

2)大规模性。为了获取精准的物理量，需要在智能箱变的高压室、变压器室和低压室分别布置大量的传感器节点，一方面减少了站内各室的监测盲区，另一方面冗余节点的存在，减少了对单个节点的精度依赖。

3)自组织性。在实际智能箱变监测网络中，拓扑结构会随着传感器节点个数的增加或减少发生动态变化，WSN的自组织能力可以对节点进行自动配置和管理。

4)多跳路由。无线传感器网络节点之间的通信距离有限，扩大传输范围是由普通传感器节点完成的，每个节点都有信息接收和转发功能。

5)以数据为中心。当站控层的监控主系统需要查询某事件时，不需要提前找到某台智能箱变的某个传感器节点，可以直接将事件通告无线传感器网络，网络在获得信息后汇报给监控主系统。

2WSN应用于智能箱式变电站的总体方案设计

2.1　组网方案设计

智能箱式变电站由现场设备层、通讯层和站控层三个部分组成，三层之间无规定的通信拓扑、无限制的物理通信接口。在智能箱变内部采用了无线传感器网络，智能箱变到通讯层的网络控制器之间采用GPRS、Internet连接，在网络控制器到站控层的监控主系统之间采用Internet网络连接，图2为一个完备的智能箱式变电站WSN组网方案。

图2　基于WSN的智能箱式变电站组网方案

智能箱式变电站无线传感器网络节点按功能可以分为3种：

1)传感器节点。智能箱式变电站中需要进行数据传输的设备都可以设计成为传感器节点，它既可以是带无线路由功能的短路指示器、电缆故障指示器，也可以是在一次设备上装设的湿度、温度、压力传感器，还可以是其他监测仪表或监测模块。

2)簇头节点。在每个子无线传感器网络中会形成一个簇头节点，簇头节点负责为簇内传感器节点分配时槽。可以对传感器节点发来的数据进行融合处理后发给汇聚节点，也可以将汇聚节点发来的信息传送给各子节点，起到一个数据传输“接力”的作用。簇头节点可以通过算法来选举，也可以选择一个专门的通信能力和处理能力都较强的传感器节点作为簇头节点。

3)汇聚节点。汇聚节点又名网关节点，在无线传感器网络当中至关重要，它是WSN内部网络和接入网之间的“桥梁”，可以兼带监测功能也可以是专门的网关设备。这里的汇聚节点是不兼带监测功能的、基于ZigBee协议和TCP/IP协议的ZigBee/GPRS网关。

智能箱式变电站的无线传感器网络可以分成两层三簇式拓扑结构，按照高压室、变压器室、低压室可划分为3个簇，每个簇固定或自动产生1个簇头节点，簇头节点和传感器子节点之间构成下层网络，3个簇头节点之间构成上层网络，这样可以尽可能地减少传感器节点之间路由的跳数，从而提高数据传输的效率。

2.2　通讯层网络架构设计

通讯层主要由通讯网络和网络通讯控制器构成，是现场设备层和站控层之间数据传输的“桥梁”，网络通讯控制器具有多个下行通讯接口和上行网络接口，一方面用于将多个智能箱变内的通讯数据汇总，上送站控层的监控主系统，实现遥信和遥测功能，另一方面接收来自监控主系统的命令，并转发给各智能箱变，实现遥控和遥调功能。

站控层控制中心需要同时监控多个智能箱式变电站，使用光纤等有线传输方式布线困难、前期投资大，所以用GPRS网络将网关设备和Internet中心站相连，Internet中心站进行协议转换之后通过Internet网络和通讯层的网络控制器相连，反过来网络控制器也可以通过Internet网络、GPRS网络实现对无线传感器网络的远程控制。这时互联网给每一个ZigBee/GPRS网关分配1个IP地址，这样每一个网关设备就成为了互联网中的1台“计算机”，具体如图3所示。

图3　通讯层网络架构

2.3　传感器节点设计

传感器节点一般的设计方案是基于MCU+RF射频模块型[8]，但是这无一例外的都要考虑MCU与RF前端之间的匹配以及封装体积大小等问题。SOC片上系统方案将关键部件集成在了一个芯片上,可以很好地解决这个问题。MCU核心处理芯片采用CC2530芯片，收发性能很高，多达256 kB的闪存和20 kB的擦除周期，可以支持无线更新和大型应用程序。扩展接口可以接LED电路状态指示器，便于在排除事故的时候更容易发现哪些节点是工作正常的，也可以根据需要挂载其他传感器。

传感器节点的电池供能不足问题，可以通过特制小CT取能装置和电池相结合的办法来解决[9]，小CT取能装置利用了电磁感应的原理，可以从智能箱变的内部线路上取电，经过整流、滤波和稳压等电路处理后给传感器节点供电，当特制小CT能正常供电时，工作电压高于电池电压，二极管截止，当箱变停电导致特制小CT不能供电时，二极管导通由电池供电，保证监测系统正常工作。两种方式相结合，完全可以解决传感器节点对电量的要求，具体硬件结构设计如图4所示。

图4　传感器节点设计

2.4　网关节点设计

网关节点的硬件结构由小CT取能装置、GPRS模块、微处理器和协调器组成[10]。协调器的芯片是CC2530芯片，GPRS模块选择的是SIM300，微处理器模块选择的是C8051F120，三者之间的通信都是通过RS232串口线交叉连接的。C8051F120具有 64个数字I/O引脚，128 kB的Flash存储器和8 448 B 的内部数据RAM，2个串行通信接口UART0和UART1，其中这2个串口对于控制命令的执行和数据指令的传输非常重要。UART0负责与GPRS模块通信，UART1负责与协调器通信。协调器和微处理器模块之间的通信也是通过自身的UART0来实现的。SIM300内嵌了TCP/IP协议，并通过AT指令与互联网的计算机建立TCP/IP网络，非常适合智能箱式变电站和通讯层的网络控制器连接。网关的结构设计如图5所示。

图5　网关节点设计

3WSN在变压器室监测系统中的应用探讨

在智能箱式变电站的建设过程当中，变压器的智能化也是极其重要的一个环节，智能化的变压器和普通的变压器并没有本质的区别，只是在变压器的设计阶段，要考虑将必要的智能传感器和执行器植入到变压器的内部或者焊接在变压器本体的外部。

3.1　监测内容和传感器的选择

变压器室的在线监测主要包括变压器的运行状态监测和变压器室内的环境监测。变压器室内环境的监测主要是温度和湿度的测量，测量参数主要是通过与其相对应的智能传感器获得的，所需传感器名称及其作用见表1。

3.2　传感器节点的布置

整个监测网络由许多的传感器节点组成，传感器节点的良好布置是准确监测设备运行情况的前提。传感器节点的布置需要遵循三个原则：一是传感器节点的工作不影响变压器本身的正常运行；二是不存在WSN的监测盲区，而且需要一定程度的冗余配置；三是要考虑经济性的问题，减少功能相关节点的布置，避免不必要的浪费。

表1　变压器室监测系统所需的传感器及其作用

微电流传感器和高频脉冲电流传感器(HFCT)都封装在套管末屏的适配器中[7]，微电流传感器用于变压器铁心接地电流和变压器套管末屏接地电流的采集，通过铁芯接地电流的大小可以反映出铁芯是否存在多点接地的情况，HFCT传感器利用了脉冲电流法的监测原理，测量变压器本体及套管的局部放电。

无线振动传感器安装在变压器的表面[11]，用来获取变压器本体或某些特定设备的振动信号，振动信号经过分析处理后可以反应设备的运行状况。高频声学传感器安装在变压器的外部，用来检测局部放电产生的暂态声音信号，它的优点是可以在变压器运行的情况下进行安装。

绕组光纤测温传感器在智能变压器生产时已埋入绕组中[12]，用于测量绕组的温度。PT100油温传感器和气体传感器都安装于油箱内，检测油中的温度和溶解气体的浓度。变压器油中的水分含量很低，一般低于100 ppm，所以不能选择传统的湿度传感器，应当选择高分子薄膜电容传感器MMT162[13]，它在低湿度条件(0~30%RH)下依然有很高的灵敏度。变压器套管的绝缘情况可以通过介质损耗来反应，当套管绝缘故障时介质损耗会增大，而介质损耗的大小可以通过母线电压和末屏接地电流计算出来。

在变压器室内需要安装温湿度传感器，检测变压器运行环境的温度和湿度，在温度高的时候可以自动开启变压器室内的风扇进行排风，温度低的时候也可以自动关闭风扇。

同时考虑到在变压器的智能化设计或改造过程当中，已经把智能传感器植入到变压器的油箱中了，所以一方面要确保传感器节点的寿命能超过变压器的使用寿命或者具有零检修的性质，另一方面可以在每个监测的区域都布置2套传感器节点，以实现冗余配置[14]。

传感器节点的经济性考虑主要有两个方面，一是无线传感器节点硬件本身的成本，二是其待传物理量的多少[9]。根据上述传感器的布置情况可知，各节点都是根据变压器的结构特点确定，但是可以根据优化路由协议和规划网络拓扑的方式来减少数据传输的跳数，从而达到减少物理量传输的效果。

4WSN在智能箱式变电站应用亟需解决的问题

4.1　箱变设备本身的智能化

把WSN应用于智能箱式变电站的首要条件是需要实现箱式变电站本身的智能化，站内所有需要传输数据的设备都可以是WSN中的传感器节点。既可以是测量电压、电流的电子式电压和电流互感器，也可以是测量非电气量的传感器，还可以是其他的智能仪表[6]。具有无限路由功能的传感器节点可以直接把信号传递给簇头节点，没有无线路由功能的节点，可以通过扩展无线路由设备来解决，对于必须安装在设备内部的传感器节点，要在设备生产之前完成对传感器节点植入其中的设计。

4.2　网络安全

网络的安全隐患主要有两个来源，一是来源于电磁干扰，二是来源于人为的干扰。应用于智能箱式变电站中的无线传感器网络，无论在数据的采集和传输的过程当中都有可能因为电磁干扰而失效，所以在设计产品时要考虑电磁兼容性的问题。同时由于无线传感器网络节点的自组织性以及智能箱式变电站本身结构的透风性，使人为的触角能伸入到智能箱变内，对传感器网络形成攻击或者冒充传感器节点窃听和发送数据。

4.3　时钟同步

在智能箱式变电站中，一个任务的完成往往需要多个传感器节点的共同协作，数据融合就是这种协作的一个实例，其主要目的是将不同的传感器节点收集到的数据融合为一个有意义的结果。这就需要传感器节点在同一时刻将箱内各室的物理参数传输给网关节点，然后根据这些数据来评估智能箱变的运行状况，如果时钟不同步，评估也就不准确了。同时传感器节点的节能实现也是需要传感器节点间的同步配合才能完成的。

5结论

1)给出了基于WSN的智能箱式变电站组网方案，在组网方案中，完成了对传感器节点、网关节点以及通信层的网络架构设计。

2)针对传感器节点和网关节点的供电问题，采用了小CT取能装置从箱内线路上取电和电池供电相结合的方法，当箱内线路有电时，由小CT取能装置供电，当箱内线路故障时，可以由电池供电。两者的结合使用不仅可以为安全监测而且可以为设备检修提供可靠的数据支持，使箱变的监控系统发挥其应有的作用。

3)为了提高箱内节点之间的数据传输效率，提出了两层三簇式的网络拓扑架构，按照高压室、变压器室和低压室分为3个簇，每个簇产生1个簇头节点，簇头节点之间构成上层网络，簇头节点和传感器子节点之间构成下层网络，这样的网络拓扑可以有效地减少子节点之间不必要的数据传输，通过减少路由跳数的方法来提高传输的效率。

4)以变压器室的监测系统为例，对传感器的选择、传感器节点的最优布置进行了探讨。同时，在每个需要监测的区域都布置了2套传感器节点，通过适当冗余配置的方法来提高监测的可靠性，这对于智能箱变中低压室、高压室的监测系统同样具有借鉴意义。

5)考虑到目前智能箱变的建设现状和无线传感器网络的技术水平，将WSN应用于智能箱变仍有技术问题有待研究，主要包括箱变设备本身的智能化建设、网络完全和时钟同步问题。

参考文献

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(责任编辑佟金锴校对张凯)

Application of Wireless Sensor Networks in Intelligent Package Substation

WANG Xiao-wena，XIA Zhan-guob，MA Shi-haic

(a.School of Renewable Energy; b.School of Electric Power; c.Education Evaluation Center,

Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Abstract：The monitoring system of wireless sensor network applied in the intelligent package substation is presented and network schemes of intelligent package substation based on wireless sensor network are given in this paper.At the same time,the power supply shortage of sensor node was effectively solved with the combination power supply method of small CT device taking power from box line and the battery,and the routing hops were reduce and the transmission efficiency was improved by using the two-layer and three-cluster of network structure.Finally,taking the monitoring system of transformer room as an example,the paper discussed how to optimize node layout of the sensor,and also pointed out that the intelligent construction of the box substation equipment,network security and synchronous problem of clock would be the research focus in the future.

Key words：wireless sensor network(WSN);intelligent package substation;communication system;sensor node

作者简介：王晓文(1966-)，女，辽宁锦州人，教授，硕士生导师，主要从事电力系统运行与控制方面的研究。

基金项目：辽宁省教育厅科学研究计划资助项目(L2012468)

收稿日期：2014-09-12

中图分类号：TP212

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2015)02-0131-07

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.02.009