無線通信變電站環境監測研究

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1引言

隨著科技的進步與人力資源的限制，越來越多的變電站采用無人值守的運行管理模式。對于無人值守變電站所而言，變電站設備運行環境溫濕度、水位、設備漏油異響等異?，F象一直處于運行監視盲區，相關信息無法實時傳遞到監控后臺進行遠程監視[1,2]。變電站防潮特巡、低溫特巡、高溫特巡等多項巡視作業需要檢查主控室、蓄電池室等設備室的溫濕度和空調風機運行狀態，繁重的工作量使人力短缺情況日趨緊張。變電站環境溫濕度等信號的在線監控是無人值守變電站安全運行的基礎保障[3]。通過安裝溫濕度檢測模塊，記錄溫濕度曲線供管理人員查詢，積累歷史運行數據，統計現場時空變化溫濕度變化規律與特點，不僅可為環控輔助系統運行參數的科學設置提供數據參考，更重要的是通過實時監測，當發生溫濕度越限時啟動報警，提醒管理運行人員及時掌握并調整環控裝置的工作設置值，避免因溫濕度越限造成設備損壞，具有重要的工程價值。近年來，部分變電站/所雖安裝了溫濕度傳感器監控系統，但一般采用現場總線控制技術的溫濕度傳感器監控系統[4]，依賴有線或光纖通道，功耗大、費用高，構成復雜，一旦遇到通道故障，修復難度大且時間較長。隨著無線通信技術的發展，其高性能低成本使測量終端與后臺的信息可靠交互已成為現實，尤其是Zigbee無線通信技術具有低功耗、低成本、可靠、網絡容量大、安全保密等一系列特征，在諸多領域得到了廣泛應用，為實現變電站環境溫濕度的無線分布式監測、集中式評估提供了技術保障，特別是在變電站的應用工程的可行性已得到了初步驗證[5,6]。鑒于此，本文設計了具有自我檢測功能的無線溫濕度監測系統。該系統采用模塊化分布式結構，利用無線溫濕度傳感節點測量設備控制柜、環境、控制室等區域溫濕度信號，采用ZigBee無線組網技術，實現傳感器的即插即用。另外，設計開發了系統自檢診斷功能以提升系統的可靠性和易維護性。

2無線溫濕度監測系統拓撲

2.1變電站環境溫濕度監測需求與特點分析。許多電力設備都需要在特定的環境下運行，例如開關柜、端子箱、計量柜和測控裝置等。因溫濕度過高造成設備運行故障的案例時有發生。當前，為保證電氣設備在合適的溫度和濕度環境下工作，在陰雨潮濕或酷暑高溫時，需要到變電站抄錄端子箱、開關柜、控制室、設備運行室等處的溫濕度表計讀數，不僅費時費力，容易發生抄錄錯誤和丟失，更主要的是不能在溫濕度超限的第一時間發現異常，造成設備運行的安全隱患。因此，為避免設備過熱或過濕發生安全事故，解放人力，開發設計一套性能穩定先進的變電站環境溫濕度在線監控系統，實現變電站設備內部、控制室及周圍空氣溫濕度的遠程監測具有重要的工程價值。變電站環境溫濕度監測實施中需重點考慮以下幾點：1溫濕度測溫具有待測點多，且分布廣的特點；2對投運變電站現場布線改造困難，工作量巨大；3變電站現場電磁環境差，對電磁兼容要求高；4變電站取電有一定的要求。2.2監測系統框架拓撲。研制開發的變電站環境溫濕度監測系統的結構框圖如圖1所示。為降低現場布線的工作量和難度，保障系統工作的可靠性，系統采用無線通信和現場總線相結合的通信方式，分區域實現分布式測量、集中式管控。研制的系統主要由3個部分組成：分布式傳感器節點、通信協調器和站級后臺。其中，傳感器節點用于實現待測對象的溫濕度測量和數字化，并基于ZigBee組網技術，組成以協調器單元為中心的無線數據傳輸網絡，將采集到的溫濕度數據無線傳輸給協調器單元，實現傳感器的即插即用。協調器節點管理著所有與之相連的傳感器，并且接收來自傳感器的溫濕度信息數據，然后將收集到的所有傳感器的溫濕度數據向上傳輸至監測中心管理器。監測中心管理、記錄、顯示所有的溫濕度數據，還可以針對不同的要求進行分析警報。比如，溫度超過限定值的時候，管理中心會發出警報；無線溫濕度監測系統帶有報表功能，可以根據傳感器或者用戶設定的設備名稱等查看歷史溫濕度數據，生成相應的報表對溫濕度變化進行分析和處理；監測中心還擁有特有的自我診斷功能，定期對整個系統的運行進行檢測。

3監測系統的設計

3.1硬件設計。3.1.1傳感器節點。傳感器節點的功能是實現對溫濕度信息的采集、預處理和無線傳輸數據。包括微控制器模塊、傳感器功能模塊、無線通信模塊和電源功能模塊等。本裝置無線溫濕度傳感器基于CC2530模塊實現[7]，應用SHT20傳感器實現溫濕度信息的傳感，應用CC2530模塊自帶的A/D實現測量信號的數字化，無線溫濕度傳感器電源支持內部高性能的鋰電池供電或外接電源兩種方式，以提高傳感器使用的便捷性。研制的無線溫濕度傳感器工作流程及傳感器實物如圖2所示。3.1.2協調器節點。協調器節點負責管理所屬區域傳感器節點，接收區域范圍內傳感器傳輸的溫濕度數據信息，并將接收到的信息及傳感器節點信息通過CAN總線傳輸給監測中心。協調器節點基于CC2530設計[7]，根據功能可劃分為無線通信功能模塊、微控制器功能模塊、CAN通信功能模塊和電源功能模塊等。協調器節點的電源模塊采用市電220V供電，可以保證溫濕度數據的實時、全天候準確傳輸。協調器節點的工作流程如如圖3所示。3.1.3站級后臺。監控中心的硬件采用Niagara工業物聯網服務器實現，通過CAN總線與協調器節點進行通信。同時，通過數據庫進行數據存儲以及顯示器進行人機交互。供電方式采用市電220V交流，保證系統的正常運行。3.2軟件設計。本文提出的無線溫濕度監測系統采用C語言以及SQL數據庫實現。監測系統軟件通過數據接口接收協調器節點傳輸的傳感器溫濕度數據以及傳感器信息，并將各類信息結合用戶設定的溫濕度測點名稱存入到數據庫中。同時，軟件基于用戶定義的檢測點名稱實現檢測點的實時溫濕度數據的可視化。如果傳感器溫濕度數據超過對應的用戶設定報警閾值，軟件會做出相應的報警提示。監測后臺工作流程圖如圖4所示。其中溫濕度信息診斷預警主要采用閾值法，依據相關運行規程制定，部分規則如下[8]：1主控制室和計算機室的溫度范圍為18～25℃，溫度變化率每小時不應超過±5℃,相對濕度宜為45％～75％；2繼保室溫度變化范圍為5～30℃,溫度變化率每小時不超過±5℃,相對濕度宜為45％～75％,任何情況下無凝露。當然，通過預留閾值整定設置接口，系統同時支持閾值的差異化調整。

4系統自檢功能開發

為了在監測系統維護中減少投入的人力物力，且能夠在第一時間知悉無線溫濕度監測系統出現的故障，以免影響系統的使用，設計開發了系統自檢診斷功能。通過系統的自檢功能，工作人員可以了解傳感器節點、協調器節點以及數據庫等軟硬件組件是否工作正常。如果系統的某一部分出現故障，軟件中會有相應的警示，提示工作人員及時維護和更新監測系統，以保證系統的正常運行和被監測對象溫濕度的準確測量。系統自檢診斷功能流程圖如圖5所示。首先，系統初次啟動時，Zigbee會進行組網的過程，同時，系統檢測各個部分工作情況：1檢測數據庫的工作連接情況；2檢測CAN總線的連接情況；3檢測CAN總線上各個協調器節點的工作連接情況；4檢測傳感器節點的數據連接情況；5檢測傳感器節點的信號強度，電池電量等狀態情況。檢測有錯誤的部分系統會進行相應的提示，上述檢測項目都正常后，表明溫濕度監測系統工作在正常狀態。然后，系統按照設定的時間讀取傳感器的溫濕度測量數據，將數據存入數據庫，同時顯示在人機界面上。系統根據設定的溫度、濕度限定值對數據進行分析，判定溫度、濕度是否超過限定值，系統自動考慮到環境溫濕度的影響情況，正確反映被測量設備的工作狀態。系統工作過程中，定時對整個系統各個部件的工作情況進行自我檢測，如檢測到工作不正常，第一時間通知工作人員進行處理。自檢系統能夠最大程度地減少維護成本，保證溫濕度監測系統感知數據的準確性，保證系統的正常運行。

5結論

本文基于物聯網與無線通信技術，設計開發了一套具有自我檢測功能的變電站環境溫濕度監測系統。系統采用CC2530ZigBee無線模塊，實現溫濕度的分布式數字化測量和傳感器的即插即用；系統自檢功能可提高系統的可靠性，保證測量數據準確有效，減少監測系統后期維護費用。本系統的開發可為變電站設備控制柜、環境、控制室等區域溫濕度狀態的遠程監測提供先進的技術手段。

作者:易慧 潘雄 潘曉柏 李小強 江浩田 何蓮 單位:廣州供電局有限公司變電管理三所