基于物联网技术的变电站地网分布式监测系统研究

全杰雄，温才权，黄永丰，杨拯，刘英男

（1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司梧州局，广西 梧州 543002；2.山东大学电气工程学院，山东 济南 250061）

随着西电东送和南北互供的全国联网战略的实现，我国电网均需建设大量超/特高压输变电系统。电压等级提高的同时，输送容量也越来越大，造成变电站的短路电流也相应的增加，从过去的几千安已增加到63 kA[1]。虽然接地电阻达到了相关的要求[2]，即控制在0.5 Ω以下，但短路点与一次接地网也会产生上百伏电压。变电站一次接地网和二次接地网在主控楼通过粗电缆一点连接，站内电流和电压二次回路连接设备繁多，控制保护电缆由小室屏柜延伸到室外一次设备，户外电缆绝缘损坏的几率大[3]，易出现二次接地线缆屏蔽层与一次接地网多点连接，当一次设备受到雷击或短路故障时，产生的上百伏电压作用在二次接地网上，对变电站控制保护系统产生巨大冲击，严重时导致保护拒动误动，降低供电可靠性[4-5]。一二次地网多点连接，只有在雷击或短路时才会出现故障特征信号，人工查找费时费力，自动化程度低[6-8]。

为解决上述问题，该文设计了一种基于物联网的变电站地网分布式智能监测系统，分布式采集多处一二次接地网位置电压，实现一二次地网多点连接故障智能监测。

1 总体方案

变电站接地网架构如图1 所示[9]，粗网状线为变电站一次地网，细网状线为变电站二次地网，二次设备通过铜排连接二次地网，一次地网与二次地网正常情况下电缆一点连接。一二次接地网智能监测装置采集一二次接地网之间电压，通过监测不同电压等级设备区的一二次地网电压变化，可预警一二次地网是否有多点连接。

图1 变电站接地网架构

基于物联网技术的变电站一二次接地网智能监测系统架构如图2 所示，监测系统具有现场二次接地网电压数据采集和录波、局域网无线传输、站内数据汇集、以太网传输、后台预警及监测等功能。系统结构包括感知层、网络层和应用层。

图2 智能监测系统架构

感知层主要进行一二次接地网电压采集和预处理，通过局域无线网将信息上传。网络层中站内汇集控制单元主要负责将局域无线网络上传的数据[10-12]，通过以太网转发至上位机监控系统。应用层由系统监控后台组成，通过对网络层接收数据加以处理，进行一二次接地网安全预警。

2 硬件设计

该系统主要设计了变电站二次接地网电压采集录波的硬件电路，主要包括STM32F103ZET6 硬件最小系统、地网电压采集电路、RS485 通信电路和LoRa局域通信模块接口电路四部分。

2.1 STM32F103ZET6硬件最小系统设计

该系统采用STM32F103ZET6 作为主控芯片，该芯片是ARM 32 位的Cortex-M3 核心的CPU，具有运行速度快、存储量大、功耗低和各种功能接口数量众多的特点，最高工作频率为72 MHz。

2.2 地网电压采集电路设计

设计的地网交流电压采样范围为AC 0～500 V，交流电压采样精度为1%。一二次地网之间电压正常时，电压为毫伏级别，发生雷击或短路后，地网电压可达到上百伏，为准确测量地网电压，电路采用两档采集输入判断。一二次接地网电压采集电路架构如图3 所示。

图3 地网电压采集电路架构

电压采集滤波电路如图4 所示，采用压敏电和气体放电管进行电路过压保护。第一档采样点为AC_V1，第二档采样点为V1_IN。第一档电压通过如图5 所示的电压隔离放大电路进入STM32 的ADC 引脚，第二档电压通过如图6 所示的两级放大电路进入STM32 的ADC 引脚。软件采样时，同时采样两档输出AD 数据，设备先用第二档数据，当第二档数据接近饱和后，自动采用第一档数据，通过两档电压设计，实现小电压和大电压的自动量程切换测量。

图4 地网电压采集滤波电路

图5 第一档电压隔离放大电路

图6 第二档电压两级放大电路

2.3 RS485通信电路设计

现场监测主机采用RS485 通信方式获取接地网电压采集数据，采用电平转换芯片SN75LBC184 设计RS485 电路，该芯片完成TTL 电平与RS485 电平的转换，PCB 板上具备4 位接线端子，便于连接监测主机。

2.4 LoRa局域通信模块接口设计

监测主机通过LoRa 局域无线通信，将现场数据汇总传输至站级监控后台，LoRa 局域无线模块采用E32-433T30D，该模块采用SX1278 芯片方案[13-14]，发射功率1 W，采用LoRa扩频技术，测试距离为8 000 m，具有FEC 前向纠错功能，抗干扰能力强。

3 系统软件设计

整个系统软件设计包括电压采集程序设计、故障预警程序设计和上位机软件设计。

3.1 电压采集程序设计

STM32 系统软件采用嵌入式集成系统开发环境IAR Embedded Workbench 进行开发，采用C 语言设计数据采集主程序[15-17]。

STM32F103ZET6 芯片自带有12 位模数转换器，采用1 kHz 速率进行电压模数转化，实现高速高精度采集一二次接地网电压。

电压采集程序流程如图7 所示，设备上电工作后，开始高速采集二次地网对一次地网电压，并缓存1 s 时间内的采集数据。电压采集后，装置判断电压幅值，当电压小于阈值时，若装置有告警就清除告警，继续采集电压；若电压大于阈值，装置告警，并对数据进行存储；数据存储方法是将故障前一刻缓存的1 s 数据进行存储，与故障后数据存储的59 s 数据合并，每条故障记录存储电压数据录波时长为1 min。

图7 电压采集存储流程

3.2 故障预警程序设计

STM32 获取采样信息后，根据采样信息判断电压是否大于或等于预设电压阈值。当电压大于或等于预设电压阈值时，说明存在二次地网异常，主控制器控制存储装置存储采样信息，通过告警装置输出告警信息。此外，主控制器还可以同时生成告警记录，并控制存储装置存储该告警记录。

设电压阈值为V，实时采集电压值为Vt。故障预警流程如图8 所示，设备以1 kHz 采样频率采集电压，每次采集完后进行电压判断：

图8 故障预警流程

1）当Vt＜V时，查看当前告警状态，无告警继续采集电压，若有告警即清除告警、生成故障复归记录、完成后继续采集并判断电压；

2）当Vt≥V时，查看当前告警状态，无告警就生成故障复归记录、存储数据、继续采集并判断电压，有告警，要判断告警持续时间，若告警时间小于59 s，存储数据、继续采集电压并判断电压；若告警时间大于59 s、继续采集电压并判断电压。

3.3 上位机软件设计

上位机和监测主机之间基于TCP协议通信，上位机软件利用Visual Studio开发平台完成，通过C#.NET的窗体应用程序开发系统软件。系统上位机软件主要由三部分组成：软件参数设置模块、数据监测、地网电压预警。详细模块功能如图9 所示。

图9 上位机功能模块

4 系统测试

通过电压源模拟地网电压变化，测试监测系统的监测准确性，在交流电压变化过程中，监测主机根据电压阈值进行判断分析，监测预警界面如图10所示。

图10 地网电压监测数据异常报警

5 结束语

该文开发了一种基于物联网技术的变电站一二次地网电压分布式智能监测系统。通过局域和广域无线通信设计，便于现场安装部署，可预警变电站一二次接地网多点连接的故障。