矿区变电站运行全过程信息监测系统

2023-01-11仇晨光闫朝阳

能源与环保 2022年12期

仇晨光，张浩，闫朝阳，柴赟

(国网江苏省电力有限公司，江苏南京 210013)

1 总体设计

矿区变电站运行全过程信息监测系统主要由数据采集层、数据分析层、数据管理层和预警层构成。每个功能层都有相对应的模块结构，矿区变电站运行全过程信息监测系统的组成结构图如图1所示。

图1 矿区变电站运行全过程信息监测系统结构Fig.1 Structure of information monitoring system for the whole process of substation operation in mining area

2 硬件设计

2.1 S3C2440芯片

在本文设计的系统中，采用ARM9系列处理器中S3C2440芯片作为核心芯片。该芯片功能强大，在使用过程中耗能较低，主频率可达到533 MHz，并具备16 KB的指令缓存和数据缓存功能，能够完全满足系统运行需求。满足了对智能管理和监视的要求。通过S3C2440芯片读取单板硬件地址，可提供不同通道的专用DMA，具有总线请求接口和通道IIS总线音频编码器接口，可兼容SD主接口协议和MMC卡协议，实现对内部数据和烧写程序的控制。采用I2C界面进行管理指令交互，通过网络端口对矿区变电站运行全过程信息进行远程监测，若矿区变电站出现运行异常，可通过GPIO发送对应的报警信号[8]。

S3C2440芯片参数：尺寸3.3 mm×4.5 mm×2.8 mm；最低工作温度-30 ℃；最高工作温度100 ℃；最小电源电压1.5 V；最大电源电压6 V。

2.2 通信AD9361芯片

AD9361芯片能够同时完成信号的发射与接收，可以满足二次发射的需求；操作频率较广，可覆盖70 MHz～6 GHz范围，发射与接收信道带宽在200 kHz～56 MHz。AD9361芯片内置有高密度的功放、混频器、本振产生、滤波器、 ADC/DAC等功能，将接收的模拟信号经过选择器后进入LNA，再进入混合器，用PLL部件输入本振信号，对不同信号进行解调[9]；再经过一个放大器和最大带宽为56 MHz的模拟低通滤波器，缩短信号取样时间，使所输出的数据具有适当的数据频率。

AD9361芯片参数：频率70 MHz～6 GHz；输出功率8 dBm；最低工作温度-40 ℃；最高工作温度85 ℃；最小电源电压1.267 V；最大电源电压1.33 V；接口类型3-Wire、4-Wire和SPI。

2.3 多传感器采集模块

数据采集模块由多个传感器节点构成，高压开关运行全过程信息监测模块的传感器节点主要是HY5W-110 kV型号避雷器监测传感器、AR0130CSSC00SPBA0-DR型号开关视频监测传感器、JDM-2型号机械特性监测传感器、WFS-D8-UHF-E型号局部放电监测传感器、NAP-57A型号气体密度与微水监测传感器。变压器运行全过程信息监测模块的传感器节点主要为JYJC-64G型号套管绝缘监测传感器、APS12450LLHALT-1SLA型号铁芯状态电流监测传感器[10]。各个传感器参数见表1。

4）训练方式、手段及步骤：将学生分成几个小组（5人一组），每个小组确定说话的类型，小组内进行谈论，要求每位学生都参与，说话时间至少3分钟；小组训练结束后，教师在随机抽取各小组几名学生，进行即兴说话，学生和老师按照既定标准进行的评分和点评。

表1 传感器参数Tab.1 Sensor parameters

2.4 监测数据解析重组模块

监测数据解析重组模块主要由高压开关与变压器子IED构成，IED是智能监测装置的英文缩写。高压开关与变压器子IED与传感器节点相对应[11]，传感器节点采集目标设备的运行数据后，便会传输至数据处理层的监测数据解析重组模块，此模块驱动高压开关与变压器子IED，将获取的监测信息进行分类整理存储后发送至数据管理层[12]。此模块可将采集的监测信息实施解析、数据预处理与数据分类存储、数据重组。监测数据解析重组模块的硬件结构主要分为电源单元、电源管理单元、ZigBee无线单元、GSM单元、内存管理单元等。其中，数据解析重组模块的硬件结构如图2所示。

图2中，MCU是性能卓越的工业级处理器，可实现数据解析，且运行功耗极小。ZigBee单元是协调器节点，可实现无线网络的建立与维护。如果监测的信息存在异常，便会传输报警信号发送至预警层，进行声光报警提示、警铃提示等。

3 软件设计

3.1 数据处理流程设计

通过传感器节点采集到矿区变电站运行全过程信息数据后，需要对运行全过程信息数据进行处理，获取有效的矿区变电站运行全过程信息数据包，与过往运行参数信息进行比对，分析数据包是否为变电站正常运行下的全过程信息数据，根据数据分析结果判断变电站是否存在运行异常的情况。矿区变电站运行全过程信息数据处理流程图如图3所示。

图2 监测数据解析重组模块Fig.2 Analysis and reorganization module of monitoring data

图3 运行信息数据处理流程Fig.3 Operation information data processing flow chart

3.2 监测过程信息传输程序设计

矿区变电站运行全过程信息监测系统运行时，传感器会通过ZigBee无线通信网络把需传输监测信息传输至监控主机的串口通信缓冲单元[13]；通信缓冲单元在接收传感器装置采集的监测信息后，将此信息与监控主机下达的通信信息实施缓冲处理后，发送至实施信息缓冲单元，实时信息缓冲单元把监测数据实施解析处理后存储在对应文件里，更新矿区变电站运行全过程信息监测系统客户端的数据显示与图形变化信息反馈至用户。矿区变电站运行全过程信息监测系统中，监测过程信息流程如图4所示。

图4 监测过程信息流示意Fig.4 Schematic diagram of monitoring process information flow

3.3 ZigBee无线网络

矿区变电站运行全过程信息监测系统可自主实现变电站运行全过程信息采集、监测、异常诊断等基础功能。系统所应用的ZigBee无线网络结构如图5所示。

图5 ZigBee无线网络结构Fig.5 ZigBee wireless network structure

如图5所示，ZigBee无线网络结构为网状结构，ZigBee技术具有低功耗、低成本的应用优势，该网络通信模式下，本文系统使用了ZigBee协议栈，此协议可以保证无线设备在功耗与成本都较小的前提下，实现矿区变电站监测现场—矿区变电站监测客户端的双向信息传输[14]。比如可以将矿区变电站监测现场的信息传输至矿区变电站监测客户端，矿区变电站监测客户端也可以下达预警信号传输至矿区变电站监测现场[15]。该协议栈使用了基于RETX值的ZigBee无线网络路由选择方法，有效实现矿区变电站监测信息的高效传输。

由于ZigBee无线网络需要依靠电磁波来传输数据信息，在无线信道处理环节中，加强无线信号处理能力，增加射频信号滤波处理过程，提高ZigBee无线网络信号处理能力，增加抗干扰能力。滤波器误差计算为：

e(m)=d(n)-r

(1)

式中，d为射频干扰信号；n为射频信号函数；r为滤波信号频率。

将滤波器误差结果代入ZigBee无线网络输入信号的函数中，得到修正后均方误差差值：

E=m(d)2-f(n)t

(2)

式中，m为待估参数；f为参数空间；t为滤波信号频率。

将结果输入射频信号矩阵，减少信号干扰，提高ZigBee无线网络信号处理能力。

3.4 ZigBee无线网络路由选择方法

ZigBee无线通信网络结构中，路由的选择模式存在灵活性，如果某个路由出现异常，变电站运行监测信息便会传输在其他路由上[16-18]。RETX值为ZigBee无线网络路由中接收信号强度显示值与期望发包数之和，选择ZigBee无线网络路由传输矿区变电站监测信息时，层至层的链路就是RETX总和较小的值所在路由。

通过某个链路成功传输一组矿区变电站监测信息而需要发送包的数量来计算正向链路收包率与反向链路收包率。使用指数加权移动平均算法，对ZigBee无线网络的信息传输特征进行分析，以提高信息传输的准确性。根据信息移动窗口的矿区变电站监测信息接收信号强度，获得该信息移动窗口中的接收信号强度显示均值，对接收信号强度进行评价，根据评价值来掌握矿区变电站监测信息传输链路通信状态[19-20]。在矿区变电站监测信息传输时，端至端的链路就是RETX值总和较小的值所在路由。按照此方法选择的路由，网络拥塞率较小，信息传输实时性较高。

4 实验分析

为了测试本文系统的应用效果，以变电站内12号主变压器为监测对象，采用本文系统对12号主变压器运行全过程信息实施监测。

4.1 矿区变压器运行全过程监测效果

本文系统对该矿区变电站的变压器实施运行全过程监测时，测点编码与监测内容对应如下。c1：12号主变压器温度；c2：12号主变压器低压侧电流；c3：12号主变压器低压侧功率；c4：12号主变压器中压侧电流；c5：12号主变压器中压侧功率；c6：12号主变压器高压侧电流；c7：12号主变压器高压侧功率。得到12号变压器运行全过程信息监测结果，c1测点温度为45.38 ℃，低压侧c2测点电流为255.60 A，c3测点功率为18.56 W；中压侧c4测点电流为157.12 A，c5测点功率为31.95 W；高压侧c6测点电流121.94 A，c7测点功率为48.71 W，均无异常。

通过本文系统，对12号变压器运行全过程的温度信息进行监测，结果如图6所示。

图6 温度变化详情Fig.6 Details of temperature change

由图6中可知，该矿区变电站的变压器全过程信息监测结果中，主变压器有2条温度曲线，2条温度曲线为相同的主变压器2个传感器监测数据，2条温度曲线显示的是监测目标的监测温度。若2个传感器监测温度的温差较大，便是传感器出现异常。在不存在异常的工作模式中，系统2个传感器监测温度的温差差异较小，2个温度计的温差为0～1 ℃，表示该矿区变电站的变压器温度监测结果可靠。