基于物联网的广域电力安全监督系统研究

梁 广

(广东电网有限责任公司，广东 广州 510699)

当前，国内家庭用电需求呈上升趋势，这对电力安全的安全运行提出了更高的要求机组和高电压是中国电力安全的未来趋势。随着物联网的发展，电力系统越来越智能化[1]。物联网技术配备具有强大的数据处理能力，涵盖了信息收集的全过程，控制和反馈。物联网在智能电力安全监控设计中的应用系统可以减少变压器系统的外部影响，实现全方位监控。由于当前电网中分布式电源的增加，电网变得越来越辅助，导致了对网络的完全监控变得困难。传统的监控保护系统无法准确识别故障，缺乏时间同步。有可能造成导致灾难性故障[2]。从物联网的角度，分析了网格运营中的主要问题，识别电网安全运行的风险因素，确定外部因素的干扰智能电力安全监控系统[3]。同时，笔者研究了互联网的物联网技术，参考国内外研究[4]，并发现采用智能电力安全监控系统中的无线传感器技术提高了系统的稳定性和安全性并网运行，便于对电力安全进行实时监控。智能广域电力安全监督系统可以监控电力系统的运行并实现自我诊断和恢复，提高电力系统的效率和可靠性以及了安全性。

1 智能广域电力安全监督系统的结构

1.1 基于Iot的输电线路在线监控设计

当前，一些输电线路的监测系统已投入运行。这些系统通常采用3G或其他无线通信网络等无线公共网络对每个传感器进行数据传输，但也存在运行维护成本高、网络覆盖不完整、数据传输速率低、网络维护复杂等问题[5]，这将限制输电线路监控系统的发展，阻碍输电效率的提高，限制输电线路巡逻的进度。为了实现输电线路的实时在线监测，在高压输电线路上部署了输电线驰振、常规气象、风振、结冰、温度等无线传感器。

输电线路监控系统由2部分组成。其中一部分与输电线路一起安装，以监测导体的状态；另一部分安装在输电塔上，以监测环境和输电塔的状态。输电线路上的物联网设备与传输塔之间的通信通常基于短程无线通信技术。基于物联网的输电线路在线监控系统可以通过多跳中继通信网络进一步传输信息，保证了大跨、长距离输电设施的有效信息传输。根据输电线路的不同应用场景，系统网络拓扑可以为集群链类型。其中，几个集群网络组成了一个链式网络来覆盖输电线路如图1所示。

图1 输电线路在线监控系统的网络拓扑结构Fig.1 Network topology structure of on-line monitoring system for transmission line

每个传感器可以直接与附近的主干节点通信，传感器与主干节点之间的通信链路一般为单向链路，每个骨干节点最多可与256个传感器通信。骨干节点之间的距离为几百米，骨干节点之间的通信链路为双向连接。部分骨干节点能够通过3G、TD-LTE或电力光网络接入公共网络。具体监控内容如下。

(1)传输塔倾斜。倾斜传感器将传输塔状态传输到附近的骨干节点，将多个倾斜传感器的数据合并在一起，形成传输塔倾斜信息，实现实时监控和预警[6]。

(2)导输电线驰振。通过对监测点加速度的计算和分析，可以分析输电线的垂直和水平半波数，并计算出运动轨迹。从而可以确定导体是否存在驰振危险，并可以避免相导体与塔架倒塌之间的放电。

(3)风振可通过导体上的三维加速度传感器计算。由风速传感器和加速度传感器得到的风振数据，可以为导体的风振验证提供现场试验数据。操作人员可采取合理的措施，抵抗风引起的偏差，找到排放点。

(4)常规气象的温度、湿度、风速、阳光和降雨可以由沿着导线或塔上的无线传感器记录。

(5)导体结冰可根据微气象传感器和张力传感器的结果来确定。监控中心的数据分析系统对传感器收集到的信息进行分析，并做出预警决策。这样就可以减轻或避免冰的闪络。

1.2 SCADA电网监控系统

传统的电网监控系统为SCADA即监视控制和数据采集，其结构框图如图2所示。离线终端单元是SCADA系统的主要组成部分。SCADA系统是一种基于计算机的自动化和控制系统。监控控制系统是通过远程位置进行操作和控制的。该控制系统与数据采集系统相结合。SCADA的主要功能是监控、数据表示、数据采集、监控、报警显示。它由硬件和软件的组成。SCADA的主要部件有远程终端单元(RTU)、可编程逻辑控制器(PLC)、遥测系统、数据采集服务器、人机接口(HMI)。系统计算机收集数据，并将信号发送到控制单元。传感器采集的信号为模拟或数字的，并与系统相连，但是这些信号都无法提供电力系统的动态状态，系统接收到的数据也没有时间同步。由于SCADA提供的信息是稳定的、采样密度低的、不同步的，无法提供系统的动态状态，因此在发生故障时不能立即采取行动。

图2 SCADA监控系统结构Fig.2 SCADA monitoring system structure

1.3 同步相位测量系统(SPMS)

同步相位测量装置出于20世纪80年代中期，它测量电压、电流和局部频率的相位及其变化速率。该SMPS主要由相位测量单元(PMU)、相位数据集中器(PDC)和通信系统组成。PDC从几个相位测量单元(PMU)中收集数据，并拒绝不良数据，并将时间轴对齐。相位测量单元(PMU)是广域测量系统(WAMs)的一个使能器。它是一种测量所连接的总线的电流和电压的相位的装置。相位测量单元(PMU)是在20世纪80年代中期发展起来的，它利用GPS接收器从位于不同地方的总线上收集数据。采集到的数据通过相位数据集中器发送到控制单元。相位测量单元(PMU)为广域监控提供时间同步数据和高分辨率。通过模数转换器，从交流波形中采集数据样本，并采用离散傅里叶变换。通过与公共参考轴进行比较来检测不同总线的电压。

相位测量单元(PMU)是一种基于微处理器的设备，拥有处理数字信号的能力，它可以测量50/60 Hz交流波形，采集样本的速率为48～60个样本/每周期。这些相位测量单元(PMU)被放置在不同的变电站的最佳位置，提供所有被监控总线的时间戳正序列电压和电流。为了充分发挥同步相位测量的优点，该体系结构涉及相位测量单元(PMU)、通信链路、相位数据集中器。相位测量单元(PMU)结构如图3所示。

图3 相位测量单元(PMU)的结构Fig.3 Structure of the phase measurement unit(PMU)

PMU包括抗混叠滤波器、模数转换器、相位微处理器、锁相振荡器、调制解调器和GPS。随后技术的发展，高精度GPS的商业化成为可能，其计时脉冲的精度为1 μs，电压和电流的模拟输入信号从互感器接收。

1.4 广域测量

广域测量系统(WAMs)是一种先进的测量技术，由先进的信息工具、操作基础设施组成，通过收集数据来简化复杂网络的操作。它提供完整的监控、控制和保护。本节将解释广域系统的主要组成部分。相位测量单元(PMU)是广域测量系统的推动者，它可以防止电网发生任何停电。广域测量系统的结构如图4所示，其应用包括同步损耗检测、温度识别、电力系统恢复等。

图4 广域测量系统的结构Fig.4 Structure of wide area measurement system

随着广域电力安全监督系统的出现，电网得到了保障，电力的可靠性也得到了提高。为了解决灾难性故障，需要尽早检测和监控系统安全指标，需要分析触发动态安全的关键实时信息，广域信息、控制方案和行动需要部署。本文设计的监控系统及辅助控制系统包括图形监控子系统、全防护系统、火灾报警及消防子系统、加热和通风子系统、监督子系统等。其中，远程集中站管理主机在站内主机处理后接收辅助子系统的更新，包括异常状态处理结果和视频记录。

集中控制站的操作人员也发出不同的控制指令。站内主机接收传感器网络检测到的数据，评估辅助子系统的运行状态，自动检测异常情况，实现检测结果，实现辅助子系统之间的协调。由物联网和传感器组成的辅助子系统收集的数据通过接收节点被融合，并上传到网站内控制主机。智能端系统实现站内控制主机输出的结果，如通风、除湿、调节空调温度、设置视听报警、火灾自动关闭风扇，避免火灾蔓延。

1.5 SSH框架

SSH框架在职责方面分为4层：表示层、业务逻辑层、数据持久性层和域模块层。该系统结构便于开发人员在短时间内建立结构良好、维护友好的基于web的应用程序，并具有良好的可重用性。Struts2框架作为基本结构，负责MVC的分离。对于Struts2框架的模型，采用休眠框架对数据持久性层提供支持，并采用对业务层提供支持。具体包括：采用面向对象分析方法，根据需求设计模型，实现模型作为Java对象，编写基本DAO接口，在休眠框架下实现DAO，在休眠框架下的DAO类执行Java类和数据库之间的传输和访问。最后，Web完成了业务逻辑。SSH的集成框架和技术结构如图5所示。

图5 SSH的集成框架和技术结构Fig.5 SSH integration framework and technical structure

在电力安全监控系统中，警报应立即向操作人员发送，从而对警报消息传递的实时性设定了高标准。由于服务器推送功能可以保证数据的实时传输，因而适用于系统的报警功能。该系统平台是基于Java开发的，服务器推送技术是Pushlet，它是开源框架，这是由Java、动态网页、Ajax、JavaServlet和各种web技术的集成开发得出的结果。

在系统主界面，可以检查设备监控信息的详细信息，该界面会显示监控类型和被监控类型的详细参数。这些图标表示各参数的状态和设备的整体运行情况。在参数状态图标中，绿色表示安全，黄色表示报警，红色表示报警。在智能监控界面，用户可以根据分类情况检查智能监控单元下设备的运行状态。在设备健康状态界面，用户可以根据电力安全内的设备类型来检查设备状态。

2 监控用电网的建模

随着时代的发展，电力行业面临着更多的挑战，如需要增加电力、减少排放、供应可靠性、能源效率等。因此，有必要从传统电网转向可再生能源分散的现代化电网，通过结合更多的控制器来实现需求侧管理，如SVC、TCSC、Statecom等。WAMPAC对电网的监控基本上是通过PMU来实现的，从而提供了广域信息。广域监测系统有相位角监测、电压稳定监测、线路热监测、功率振荡监测、功率阻尼监测等部分应用。电力系统稳定性是该系统的一种特性，它能够在正常状态下保持运行状态，并在受到干扰后恢复平衡状态。稳定性受转子角和功率角动力学关系的影响。其稳定性主要分为转子角稳定性和电压稳定性。基于PMU测量，模拟了电力系统的一个等效部分，即识别系统，它是广域监控的重要组成部分。采用二区四机动力系统作为测试系统，其布线如图6所示。

图6 二区四机动力系统布线Fig.6 Wiring of the four-machine power system in the second zone

在广域监测系统中，为了系统的识别和系统状态的预测，进行了基于神经网络的动态建模。递归神经网络(RNN)已被证明是一种非常有效的动态系统识别方法。调整RNN的权值从而得到这些权值的最优值，从而使神经网络可以有效地预测系统的状态。粒子群优化(PSO)通常用于调整神经网络的权值，在本研究中，PSO-QI被用于预测发电机的速度偏差。它将实际测量的信号与预测的信号进行比较，显示了在每次迭代中最佳适应度是如何逐渐达到其最佳值的。

包含PSS输入和PRBS干扰的测试系统模型如图7所示。相位测量单元采用MATLAB模拟建模，并安装在一个小型电力系统的输电线路的两端。PMU接收来自仪表变压器的输入，电流和电压互感器的输出作为PMU的输入。使用了一种抗混叠滤波器来限制信号的带宽。滤波器中心频率为50 Hz，带宽为10 Hz。模数转换器由一个脉冲发生器、量化器和采样和保持电路组成，用于将电压转换为离散形式的装置。

图7 包含PSS输入和PRBS干扰的测试系统模型Fig.7 Test system model including PSS input and PRBS interference

全球定位系统(GPS)接收器用于时间标记。脉冲发生器为的采样频率为每周期产生1 000次采样，以1 s作为采样周期，并相对于脉冲发生器的输出进行采样。量化器以5 s的间隔减少误差，通过PMU的输出，可以看出被监测区域的稳定性。来自PMU和自动控制的实时信息可以预测网络的状态并响应这些问题，从而避免了停电等问题。

3 结果和讨论

3.1 系统可靠性措施和无线网络测试

适当的接地方法可以抑制干扰。接地方法可为单点接地、多点接地或混合接地。在低频电路中，当信号的工作频率低于1 MHz时，对组件的感应和布线干扰较低，但接地环电流对信号的影响较大，因此选择单点接地方法。本设计的传感器信号频率约为10 MHz，远高于1 MHz。因此，系统具有较高的抗干扰能力，采用多点接地。

在设计印刷电路板时，在每个集成电路的电源和接地之间安装一个解耦电容器。解耦电容器具有2种功能：①作为存储电容，在集成电路的开关时提供和吸收能量;②绕过组件的高频噪声。

磁屏蔽可防止低频磁场的干扰。高压开关柜受到高频磁场的干扰。因此，采用了磁屏蔽，避免了电场、磁场和电磁波的干扰。传感器探测器建立在由低电阻金属铝制成的屏蔽罩中，通过屏蔽金属吸收和反射电磁场来进行屏蔽。当接收端接收到的信号能量低于标称接收灵敏度时，接收端不接受任何数据，这说明接收灵敏度是数据接收的最小阈值。该计算方式表示为：

式中，PR为接收灵敏度；Pmin为接收端在一定的预定位误码率下接收到的信号的最小平均功率。

随着传输距离的增加，接收端接收到的最小平均功率减小。接收端灵敏度与开放场地试验传输距离的关系如图8所示。

图8 开放空间灵敏度测试结果Fig.8 Open space sensitivity test results

高压试验下验收灵敏度与传输距离的关系如图9所示。

图9 灵敏度与传输距离的关系Fig.9 Relationship between sensitivity and transmission distance

从这些测试结果来看，随着距离的增加，由于接收功率在下降，相应的接收敏感度也在降低。同时，在2组测试条件下，接收灵敏度与通信距离的关系曲线有相似的趋势。当通信距离相同时，由于设备阻塞和电磁干扰，电站内接收的功率低于开放场地接收的功率。

4.2 网络节点能耗测试

当节点活动和睡眠时，使用万用表测试节点的能量消耗，结果如下。节点活动状态，电流消耗26 mA，睡眠期间17 μA。将采样周期设为1 s，即1 s采集1次数据，网络活动周期为300 ms，表示30%的占空比(300 ms/1 000 ms)。节点电压的变化如图10所示。

图10 节点电压的变化Fig.10 Changes in node voltage

设置测试参数是为了加快模拟，便于监测节点上的电压变化，实际应用值远低于测试参数。节点由2节碱性电池供电，充电电量为3 000 mAh。根据实际电流消耗情况，经计算，节点可连续工作115 h，与测试结果一致。这些节点甚至可以在睡眠过程中工作更长的时间。总体上，IEEE802.15.4适用于电力安全环境。网络的实际测试可以为网络方案的设计提供依据。该设计和分析基于实际的网络特点，具有一定的客观性。

5 结论

电力系统在电压偏差、频率偏差、通信延迟、自然灾害等方面缺乏监控，目前的能源管理系统缺乏同步性。通过广域监控系统，可以对系统缺乏同步的情况进行改善。考虑到电力安全内部结构的缺陷和多重干扰因素，本文结合物联网和广域监控，设计一种基于物联网技术广域电力安全监督系统，结合无线传感器网络和抗电磁干扰系统，并采用一定的技术手段对登录页面和数据库进行测试。实验结果表明，其接收灵敏度和通信距离关系曲线具有相似的发展趋势，设计电力监控系统具有较高的抗干扰和系统敏感性系统。