基于物联网的变电站智能监测系统设计

王泽忠，王 军

（江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200）

0 引 言

变电站是衔接智能电网的发电、输电、配电、用电以及调度各大环节的关键，对变电站进行智能化监测可有效提高电网系统的平稳性[1]。对于一般的变电站而言，监测、报警与灾后处理都是相互独立的，这样的系统需要更多的工作人员，成本较高，因此建立智能化的集中监测系统显得极其重要[2]。

物联网作为一种常用的通信技术，它可以有效整合物理设备和信息，将物联网技术应用于变电站监测系统将大大提高系统的运行效能[3,4]。基于物联网的智能变电站保留了传统变电站监测系统的功能，新添了很多分布式新能源的接口，子系统实时采集到的数据能及时传至系统网络上实现数据共享，从而实现系统的远程控制[5]。

1 智能变电站监测系统结构

传统智能变电站的监测系统主要由过程层、间隔层以及站控层3层组成[6]。每一层各自负责不同的任务，共同协作完成系统数据的采集、监视以及控制。

过程层简单来说指的就是系统中用于检测的智能化电气设备，这些智能设备主要是由一次设备和智能组件组成[7]。光磁效应的互感现象能够实现能源的重复利用，这个发现将被用于一次设备上，从而实现一次设备的智能化。与此同时，这项技术的应用使得间隔层与过程层之间利用光信号完成通信变的具有可操作性。另一方面，集成电路的发展也为提升变电站的自动化水平提供了良好的途径[8]。

间隔层主要是由一些二次装置组成，包括继电保护装置和故障录波装置等，主要负责完成过程层与设备之间的信息交换。站控层的主要功能是将全站的实时信息进行汇总，并及时将这些信息传输至调度中心[9]。当接收到上级命令时，它还需将这些信息转发至间隔层和过程层进行处理。

2 基于物联网的智能变电站监测系统硬件设计

基于物联网的智能变电站监测系统不仅可以实现传统监测系统的所有功能，还可以实现电源的分布管理，它的硬件系统在原有基础上加入了分布式新能源接口[10]。

基于物联网的智能变电站监测系统主体上可分为3个模块。第一个模块是传感器监控模块，主要负责采集系统各个参数的数据，是系统其他部分行动的依据；第二个是智能集控管理模块，主要负责利用智能算法对采集到的信息进行分析与处理；第三个是数据动态交互模块，负责将数据信息存储起来，形成系统化的管理。基于物联网的智能变电站监测系统总体框架如图1所示。

图1 基于物联网的智能变电站监测系统总体框架

2.1 协调器节点设计

协调器节点的主要任务有3个，一是负责建立无线局域网，完成数据的发送与接收；二是对数据进行处理与分析，并将这些数据存在一个特定的区域内；三是负责GPRS协议的转换。协调器节点按CC2530的方式进行设计，在设计时考虑到CC2530的发出功率不足以满足系统的需要，因此需要射频模块CC25910放大信号。在近场区，无线射频模块电磁辐射强度H可以表达为：

式中，I为射频模块的工作电流；A为电路的横截面积，D为发射距离。

进场区的电场强度E表达为：

式中，f为无线模块的工作频率。

当远距离发射时，该模块的磁场效应可忽略不计，电场强度可近似为：

在本文设计的系统中，节点截面积为40 mm×50 mm，工作电流为40 mA，工作频率为2.4 GHz，远近场的分界点为0.11 m，将上述数据代入式（3），得出的数据不足以对电力设备产生干扰，由此可以得出ZigBee无线模块发出的电磁信号不会导致电站设备无法正常运转。

协调器节点的工作对电的需求量大，因此最好采取自给供电的方式。本文选择交流互感方式供电，将电流互感器安装在母线上，母线再对电流进行一些整流、滤波以及稳压等处理后将电流传至系统的各个节点。协调器节点硬件的模块框图如图2所示。

图2 协调器节点框图

2.2 终端节点设计

本系统主要采用终端节点，主要功能有以下3个。一是负责采集系统各个参数的数据，二是实现远程监控和控制系统的运转，三是在系统运转异常时可以及时报警，为系统的安全稳定运转提供了良好的保障。

终端节点的主要组成部分包括传感器部分、通信模块CC2530以及电源。无线通信模块是系统的通信接口，既负责采集传感器的数据和一些控制信号的交换，也负责将收集到的信息通过网络传送至协调器节点。电源模块是系统稳定运转的能量保障，一般情况下使用微型电池。终端节点硬件框图如图3所示。

图3 终端节点框图

3 基于物联网的智能变电站监测系统主要模块设计

3.1 传感网监控模块设计

为了收集电缆沟水位数据信息，系统对排水节点进行了监测。系统监测了变压器油温、变压器绕组温度以及电缆头的温度，采集了SF6微水密度和泄露电流的数据，从而可以监测SF6泄露节点和避雷器绝缘节点。为了达到监测图像和启动报警机制的目的，系统安装了摄像头和声光报警器。

在数据的采集过程中，高温、高压以及磁场等会对数据采集工作产生干扰，因此在各个传感器上安装了抗干扰元件。

3.2 智能集控管理模块

智能集控管理模块的主要工作是将监控模块得到的数据进行处理和分析，并将分析结果发送至监控模块，与此同时，智能集控管理模块还需将数据和分析结果通过GPRS传送至数据库。

智能集控管理模块还具有报警功能，当系统工作运转不正常时，该模块主动将系统异常运转类型与导致系统异常的位置一起发送给系统维护者，这有助于快速的获取系统异常信息并及时做出处理。

3.3 数据动态交互模块

数据动态交互模块主要由两个部分组成，一部分是数据库，它主要是负责集控管理模块上传的数据信息，并将这些信息存入数据库中。另一部分是客户机，属于该系统的用户不仅可以通过网页版浏览关于系统运转情况的信息，还可以通过下载手机软件或从微信公众号中获取系统运转情况。

4 智能变电站软件设计

基于物联网的智能变电站系统的功能在于对变电站的故障进行分析与判断，使得工作人员可以及时进行处理，保障变电站工作人员及设备的安全，提高变电站的稳定性。变电站的软件系统需要监测影响变电站工作的各个参数，如变压器温度、负载以及铁芯接地电流等。将监测数据存储在数据库中，同时分析数据，判断变电器的工作状态。软件功能分析如图4所示。

图4 软件功能分析

软件系统的具体运转流程如图5所示。

图5 软件运行流程

5 结 论

本文利用物联网技术的高效能力实现了智能变电站监测系统中人与物以及物与物之间的信息交换，有效地提高了变电站监测的智能化程度。该系统主要采用分布式的结构实现数据的实时采集，对传感器独立供电，提高了该监测系统的可靠性。随着智能电网的不断发展，智能变电站的在线监测系统必然会占据越来越重要的地位。