基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)保護(hù)通信技術(shù)

馬碩，秦理

(廣東省輸變電工程公司，廣州市 510160)

0 引言

現(xiàn)階段我國(guó)配電網(wǎng)極度缺乏應(yīng)對(duì)極端自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警、保護(hù)與應(yīng)急能力。極端自然災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備的摧毀是導(dǎo)致電網(wǎng)大面積停電事故的重要因素之一。與以往相比，近幾年我國(guó)自然災(zāi)害呈現(xiàn)災(zāi)情重、類(lèi)型多、災(zāi)害頻繁發(fā)生、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)等突出特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由自然災(zāi)害導(dǎo)致的電網(wǎng)事故日益嚴(yán)重，正在成為威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行的罪魁禍?zhǔn)?。極端天氣造成的配電網(wǎng)故障主要有桿塔損毀、架空線斷裂等，一旦發(fā)生將造成大面積供電中斷，而電網(wǎng)網(wǎng)架保護(hù)往往在災(zāi)難中第一時(shí)間受損，導(dǎo)致主保護(hù)完全失靈。例如2008年冰災(zāi)造成電網(wǎng)大面積停電的一個(gè)主要原因就是電力通信網(wǎng)絡(luò)被完全毀壞［1］，這一方面導(dǎo)致電力設(shè)施監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)失效，未能及時(shí)采取有效的防災(zāi)減災(zāi)措施，另一方面縱聯(lián)保護(hù)通道受損致使主保護(hù)不能動(dòng)作，造成保護(hù)性能?chē)?yán)重下降。現(xiàn)有電力通信網(wǎng)絡(luò)主要采用有線通信方式，面對(duì)極端自然災(zāi)害很容易癱瘓。現(xiàn)行的少量無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)均依托基站進(jìn)行通信，然而在復(fù)雜地理環(huán)境中，無(wú)線通信基站在極端自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)同樣不能正常工作。

面對(duì)自然災(zāi)害給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的電網(wǎng)災(zāi)害通信和保護(hù)措施顯得非常滯后。本文研究一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)保護(hù)通信技術(shù)，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、故障與災(zāi)害信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、挖掘，對(duì)配電網(wǎng)在線運(yùn)行可靠性和安全性進(jìn)行評(píng)估與預(yù)測(cè)，對(duì)電網(wǎng)故障災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警并輔助決策控制。根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)信息對(duì)災(zāi)害的發(fā)生類(lèi)型、發(fā)生地進(jìn)行快速精確的分析與定位，同時(shí)調(diào)用災(zāi)害發(fā)生地的統(tǒng)計(jì)資料對(duì)災(zāi)害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為該地區(qū)災(zāi)害分析管理提供實(shí)時(shí)信息，及時(shí)對(duì)電網(wǎng)災(zāi)害進(jìn)行分析診斷、預(yù)警并指導(dǎo)電網(wǎng)自動(dòng)防護(hù)與災(zāi)后重建工作的開(kāi)展［2］。

1 多任務(wù)的傳感器節(jié)點(diǎn)通信架構(gòu)

配電網(wǎng)具有較大的跨度范圍，可能發(fā)生的災(zāi)害類(lèi)型不可控，并且運(yùn)行過(guò)程中不確定的干擾因素很多，必須針對(duì)不同的保護(hù)對(duì)象選擇合適的傳感器節(jié)點(diǎn)。需依據(jù)地理環(huán)境、桿塔類(lèi)型等不同情況，在滿(mǎn)足系統(tǒng)覆蓋范圍的條件下，按照成本最優(yōu)原則，采用合理的多任務(wù)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行部署［3］。

綜合考慮配電網(wǎng)全方位的監(jiān)測(cè)，需部署以下四大類(lèi)型的傳感器節(jié)點(diǎn)。

1.1 災(zāi)害監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)

(1)冰凍雨雪災(zāi)害、大風(fēng)監(jiān)測(cè):鹽密傳感器、溫度傳感器、弧垂傳感器、厚度傳感器、張力傳感器、濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、泄露傳感器等。

(2)地震、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè):位移傳感器、地傾傳感器［4］。

(3)電網(wǎng)雷擊災(zāi)害監(jiān)測(cè):雷電流參數(shù)監(jiān)測(cè)傳感器模塊，利用羅氏電流傳感器，主要用于對(duì)桿塔避雷線和絕緣子的雷擊電流進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采樣、處理，包括雷電流波形、幅值、極性、時(shí)刻等雷電參數(shù)，對(duì)遭受雷擊的桿塔位置和雷擊形式(繞擊或反擊)直接做出判斷。利用傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)可及時(shí)分析出雷擊形式和故障地點(diǎn)，方便后續(xù)統(tǒng)計(jì)電網(wǎng)雷擊災(zāi)害的分布情況，為判斷輸電線路雷害成因提供證據(jù)。

1.2 電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)

(1)變壓器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè):使用傳感器包括溫度傳感器、氣體傳感器等，主要監(jiān)測(cè)變壓器油溫、油色譜，判斷是否出現(xiàn)絕緣裂化。另外還包括塔架老化腐蝕程度的監(jiān)測(cè)。

(2)避雷器狀態(tài)監(jiān)測(cè):利用霍爾閉環(huán)電流傳感器，主要用于監(jiān)測(cè)金屬氧化物避雷器的全泄漏電流，同時(shí)對(duì)母線電壓及避雷器的雷擊次數(shù)等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，然后對(duì)避雷器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，對(duì)其故障進(jìn)行診斷和預(yù)警。

1.3 電網(wǎng)電力質(zhì)量監(jiān)測(cè)

監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)一般安裝在有大諧波源接入的變電站母線、線路及重要用戶(hù)上，用來(lái)采集電壓、電流、頻率等實(shí)時(shí)電網(wǎng)運(yùn)行信息;可短暫記錄和存儲(chǔ)電網(wǎng)的電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、頻率偏差、諧波、三相電壓電流不平衡等穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和電壓驟升、驟降、電壓短暫中斷等暫態(tài)數(shù)據(jù)。

1.4 電網(wǎng)故障診斷與定位

開(kāi)關(guān)量信息監(jiān)測(cè):主要指電網(wǎng)發(fā)生故障后，繼電保護(hù)以及相關(guān)斷路器的動(dòng)作信息，同時(shí)匯總電網(wǎng)發(fā)生故障后的電氣報(bào)警信息，準(zhǔn)確判斷故障發(fā)生的地點(diǎn)和規(guī)模。

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都將負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)工作，針對(duì)輸電網(wǎng)單輻射結(jié)構(gòu)，1個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效將會(huì)影響1條鏈路的數(shù)據(jù)傳送。因此，必須采用傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳路方式由來(lái)提升數(shù)據(jù)傳輸鏈路的穩(wěn)定性。各桿塔上的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)多跳方式傳送給監(jiān)控中心進(jìn)行處理，這樣就可在其中某一節(jié)點(diǎn)失效時(shí)不影響數(shù)據(jù)的可靠傳送。支撐多任務(wù)的傳感器節(jié)點(diǎn)通信架構(gòu)如圖1所示。

圖1 支撐多任務(wù)的傳感器節(jié)點(diǎn)通信架構(gòu)Fig.1 Nodes communication architecture of multi-task sensor

2 傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信簇分級(jí)結(jié)構(gòu)

根據(jù)整個(gè)輸電走廊以及傳感器節(jié)點(diǎn)的多跳路由通信方案，災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)適合采用2層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這種體系結(jié)構(gòu)下，傳感器節(jié)點(diǎn)被分為多個(gè)簇，每個(gè)簇至少有1個(gè)簇頭，簇內(nèi)為第1層，簇間為第2層。顯然，在實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，同一桿塔上的傳感器節(jié)點(diǎn)可劃分為1個(gè)簇，稱(chēng)之為本地通信簇(local communication cluster，LCC)，在1個(gè)LCC中必然有1個(gè)簇頭，用來(lái)整合簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。各個(gè)桿塔的簇頭節(jié)點(diǎn)之間形成第2層，稱(chēng)之為塔間層(inter-tap cluster，ITC)，該層主要按要求處理與傳遞各簇頭節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)［5］，各自維護(hù)其相互之間的路由表，負(fù)責(zé)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)，通過(guò)“接力”的方式將數(shù)據(jù)傳遞給變電站。按照配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，各輸電線路由各變電站呈輻射狀延伸，因此變電站可設(shè)置匯聚節(jié)點(diǎn)，配電網(wǎng)保護(hù)智能系統(tǒng)中傳感器網(wǎng)絡(luò)的2層通信簇結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2中S為張力傳感器;T為溫度傳感器;H為濕度傳感器;W為風(fēng)速傳感器;D為位移傳感器。

圖2 兩層通信簇結(jié)構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Sensor network with two-layer cluster structure

對(duì)于各簇頭節(jié)點(diǎn)，由于需要負(fù)責(zé)本地傳感器數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)據(jù)在塔間的傳送，設(shè)計(jì)了2種頻率f1、f2，其中f1頻率主要用于本地簇類(lèi)的通信，使用較小的發(fā)射功率，f2頻率主要用于塔間數(shù)據(jù)的多跳傳送，使用較大的發(fā)射功率。各簇頭節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的本地融合以及傳送，不具有感知功能［6］。

3 配電網(wǎng)保護(hù)軟件的功能與實(shí)現(xiàn)

配電網(wǎng)保護(hù)軟件的功能是將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行功能處理并以友好的圖形界面形式顯示出來(lái)。配電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)每隔一定時(shí)間刷新數(shù)據(jù)1次，工作人員可以在控制室實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)某個(gè)參數(shù)超出預(yù)定值時(shí)，監(jiān)控中心軟件自動(dòng)報(bào)警，并且以電子地圖的方式顯示出問(wèn)題發(fā)生的地點(diǎn)、出現(xiàn)了什么問(wèn)題。

配電網(wǎng)保護(hù)軟件的編制采用了故障與災(zāi)害定位自動(dòng)匹配和信息顯示技術(shù)、發(fā)布/訂閱的信息交換技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)故障與災(zāi)害在地圖上的自動(dòng)定位、近端服務(wù)器和遠(yuǎn)端傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)通信功能。

3.1 故障與災(zāi)害定位自動(dòng)匹配和信息顯示技術(shù)

由于用于電網(wǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)都是通過(guò)人工部署，因此軟件編制時(shí)可以對(duì)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，對(duì)其位置信息進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)。電網(wǎng)災(zāi)害地位自動(dòng)匹配與顯示技術(shù)是指當(dāng)前端無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到異常災(zāi)害事件時(shí)(比如監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)某個(gè)規(guī)定閾值)，根據(jù)事件發(fā)生的具體位置，在電子地圖上顯示出故障位置以及詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息。在電子地圖上顯示某個(gè)災(zāi)害時(shí)，只顯示其對(duì)應(yīng)的名稱(chēng)。詳細(xì)的災(zāi)害信息保存在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，可由管理人員進(jìn)一步查詢(xún)。

3.2 發(fā)布/訂閱的信息交換技術(shù)

該技術(shù)旨在監(jiān)測(cè)到電網(wǎng)發(fā)生災(zāi)害時(shí)，采用發(fā)布/訂閱模型，如圖3所示，能及時(shí)通知管理人員，無(wú)需管理人員長(zhǎng)時(shí)間在計(jì)算機(jī)前值守。圖3中，希望獲取數(shù)據(jù)的一方為業(yè)主客戶(hù)，提供數(shù)據(jù)的一方充當(dāng)服務(wù)器角色。發(fā)布/訂閱服務(wù)機(jī)制支持本設(shè)備主動(dòng)向其他設(shè)備傳送數(shù)據(jù)，這一特性對(duì)繼電保護(hù)功能和快速控制功能十分重要。在發(fā)布/訂閱服務(wù)機(jī)制中［7］，一旦有數(shù)據(jù)產(chǎn)生，監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)立即與監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行通信，通過(guò)圖形操作界面上的設(shè)備標(biāo)識(shí)符、數(shù)據(jù)表格及曲線圖等方式反映出來(lái)，能實(shí)時(shí)地獲取監(jiān)測(cè)設(shè)備當(dāng)前的工作狀況。

圖3 發(fā)布/訂閱交換方式Fig.3 Exchange mode of publishing/subscribing

3.3 配電網(wǎng)保護(hù)軟件功能

軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。其功能包括:電子地圖、線路及變壓器管理、綜合曲線統(tǒng)計(jì)等。

電子地圖功能:將各種傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)圖像化。工作人員能夠通過(guò)電子地圖來(lái)了解各個(gè)地區(qū)變壓器的運(yùn)行情況。當(dāng)需查找某個(gè)地方變壓器的工作情況時(shí)，只需在電子地圖上點(diǎn)擊查詢(xún)位置的圖標(biāo)，就可將當(dāng)?shù)氐淖儔浩髟敿?xì)參數(shù)顯示出來(lái)。電子地圖界面如圖4所示。

線路及變壓器管理功能:能夠?qū)⒈O(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)所有的干線、支線以列表的形式統(tǒng)一管理，每條干線包括若干個(gè)變壓器，每個(gè)變壓器的相關(guān)參數(shù)都將顯示出來(lái)。工作人員可根據(jù)每個(gè)變壓器容量的不同來(lái)設(shè)置電流、電壓和溫度的上下限值，進(jìn)行死區(qū)設(shè)置。

綜合曲線功能:顯示某一時(shí)間段內(nèi)變壓器某項(xiàng)參數(shù)的曲線圖。其中，“顯示數(shù)據(jù)”是顯示數(shù)據(jù)點(diǎn)的值;“相對(duì)坐標(biāo)”是指以所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的最大、最小值作為縱坐標(biāo)的零點(diǎn)和頂點(diǎn)。

圖4 電子地圖示例Fig.4 Example of electronic map

月曲線中的電壓、電流、溫度、有功功率、無(wú)功功率、功率因素、頻率曲線以每小時(shí)的平均值作為數(shù)據(jù)點(diǎn);有功電量、無(wú)功電量曲線以每天的最大值作為數(shù)據(jù)點(diǎn);電壓、電流和溫度最大、最小值曲線以每天的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)點(diǎn)。

年曲線中的電壓、電流、溫度、有功功率、無(wú)功功率、功率因素、頻率曲線以每天的平均值作為數(shù)據(jù)點(diǎn);有功電量、無(wú)功電量曲線以每月的最大值作為數(shù)據(jù)點(diǎn);電壓、電流和溫度最大、最小值曲線以每天的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 綜合曲線Fig.5 Synthesis curves

4 結(jié)語(yǔ)

如何加強(qiáng)電網(wǎng)在自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)的防御能力是配電網(wǎng)保護(hù)工作的重點(diǎn)之一［8］。本文采用傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳通信的方法，能對(duì)災(zāi)害發(fā)生類(lèi)型、破壞性大小進(jìn)行快速、精確的分析與定位，同時(shí)調(diào)用災(zāi)害發(fā)生地的統(tǒng)計(jì)資料對(duì)災(zāi)害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為該地區(qū)災(zāi)害分析管理提供實(shí)時(shí)信息，及時(shí)對(duì)電網(wǎng)災(zāi)害進(jìn)行分析診斷、預(yù)警并指導(dǎo)電網(wǎng)自動(dòng)防護(hù)與災(zāi)后重建工作的開(kāi)展。故障發(fā)生時(shí)，在沒(méi)有或少量人工干預(yù)的條件下，能夠快速故障診斷，避免大面積停電事故的發(fā)生，加強(qiáng)了配電網(wǎng)的故障智能診斷、定位與自動(dòng)控制恢復(fù)能力。

［1］梁健.基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站自動(dòng)化技術(shù)研究與設(shè)計(jì)［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2008.

［2］劉英亮，叢偉，張潔，等.基于IEC 61850的廣域保護(hù)系統(tǒng)通信服務(wù)模型［J］.繼電器.2007，35(15):18-21.

［3］孫鳳杰，單麗華.基于GPRS的配電變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)通信，2008，29(8):5-8.

［4］楊贊偉，陽(yáng)春華.基于GPRS的配電變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化與儀表，2009，24(4):22-25.

［5］關(guān)飛，吳小美，劉朝輝.基于GPRS通信的配變監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)［J］.電測(cè)與儀表，2008，4(1):21-23.

［6］高超然.電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀中基于Qt/Embedded的圖形用戶(hù)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)［D］.湖南:湖南大學(xué)，2007.

［7］陳兵飛，陳衛(wèi)兵.公共配電能源監(jiān)測(cè)與優(yōu)化控制系統(tǒng)的研制［J］.儀表技術(shù)，2010(3):4-7.

［8］史常凱，徐斌，孟曉麗，等.智能配電網(wǎng)條件下的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)與供電恢復(fù)探討［J］.電力建設(shè)，2012，33(1):12-16.