输电线路智能巡检系统设计与实现

摘要随着电网的不断升级改造，电网运行方案也有很多相关的工作需要开展和完成，而其它行业对于电网改造的稳定性和安全性也提出了更多的需求。变电站作为整个系统内部重要的组成部分，其作用在于变换电压、汇集和分配电能，而110kV、35kV级以下的变电站一般与电力用户直接相连，因此变电站安全可靠运行与国民经济的发展密切相关。对变电站监控和多参数的测量，是充分了解变电站运行状况，保障电力系统重要环节变电站安全、稳定运行的重要途径。首先，本文对变电站自动化系统进行了概述，对系统指标检测技术和系统总体结构进行了分析；其次，本文分析了福州地区变电站监控技术改进的软硬件需求，从变电站电力线路着手，重点对其进行了分析和改进设计，在硬件方面提出了采用TI公司的C2000系列DSPTMS320FL2407作为控制器，对温度、电压、电流有效值、功率等电力参数进行采集，在变电站采用网络传输模块作为数据传输链路，将采集到的多参数信息传输给监控中心。硬件上采用模块化设计，通过对系统功能的扩展，可以增加变电站中线路节点的电网信息显示、远程控制模块等。在软件系统方面，运用面向对象编程C#及数据库SQLServer，对传输网传输回监控中心的多变电站参数信息进行解析，并按照用户的需求将电力参数信息数据分类存储在数据库中。可以实现实时对各个监控节点的状态进行查看，一旦发生某项参数超过预设的报警阈值，监控中心监控主机将发出报警信息。最后，本文对软件界面系统进行了具体的设计和实现。本文所研究的电力系统性能指标检测系统由不同模块组成，这种系统结构可大幅度减少工作量，同时也可以给电力行业在电力信号检测方面提供一定的前提条件和基础设施。若部分模块出现问题，也不会影响其它，可以最大程度上减少系统的开发和实施费用，不仅可以提高变电站中各项整体性能指标的性能和服务水平，还能够提高整个系统中变电站状态监控、改善电能质量。关键词：变电站监控模块化多参数传输网报警信息第1章绪论1.1课题背景与研究意义不论是工农业当中还是人们的日常生活里，电都是处于核心的发展地位，电能是国家的重要基础设施[1]。由于我国一段时间以来电力相关技术不断革新，同时石化行业、金属采矿行业、地铁高铁等交通运输行业，以及人们群众在家庭生活方面对于电力资源的需求不断提高，特别在大功率的电力硬件的广泛采用，都进一步给电力行业的发展提出了多样化的要求，因此，这也造成了目前我国电力行业里经常出现电力供应不足的现象和问题，相关的问题包括：电网突变、传输杂质等，这些问题不单单会造成发电企业和检测设备的损坏，同时也使电力行业已经成为具有多种不同载波以及噪声影响的复杂性系统，产生的问题有：短路干扰，断路干扰，电流不足等，以上问题都会引起电力系统故障现象——其中干扰可能将会引起系统中的转子发热过大，瞬时变化的浪涌会引起仪器烧毁，而系统中损耗的大幅度提高将会极大地提高能量方面的损失[2]。以上这些问题，都会造成系统的正常运行。当前，以计算机技术为基础的科学技术迅速发展，计算机技术、网络通信技术、数字存储器技术、先进传感器技术等在近年来在生产当中得到了深入高速的发展，由于检测设备的广泛采用，这都给我国的电力行业发展提出了不同的要求，并要求尽可能真实地知道电力行业的发展现状，而且由于相关性能指标的改变，都可以尽量低减少其对于电力行业整体运行的负面影响和损害，可以改善电力行业总体发展情况，提高行业的经济性。所以，需要进一步进行电力系统技术方面的探索和干扰对电力行业整体运行效果的影响[3]。一般需要通过系统中的各项主要参数，例如电流、功率等性能指标进行稳定、安全的监控与更新，就能够快速地发现电力行业整体的运行情况，同时可以掌握系统中潜在的问题，也可以及时了解干扰和应用类别较多的情况下系统整体性的运行情况，确保整个系统的运行。系统局部的性能会影响整个系统的稳定性和运行性能，其中变电站是最主要的局部因素，这也是目前我国电力行业当中最核心的影响因素。所以，变电站监控技术的优化与改进可以提高变电站中各项整体性能指标的性能和服务水平，对于改善电能质量具有重要意义。1.2国内外研究现状1.2.1国内外变电站监控系统70年代中期，监控系统是以集散式结构为主的系统平台，主要功能是提供变电站监控画面。随着计算机网络技术的不断进步，更多的功能如：信息采集、信息处理、信号传输等被研究并融合到了监控系统当中。80年代中期，计算机功能更加的完善，接触范围更加的广泛，人们对人机交互水平的要求也越来越高[4]。由于计算机网络及信息平台的建立，监控系统软件的开发已经步入了新的阶段。随着人们提出更高的要求，适应于变电站运行设备的监控系统软件逐步发展起来，功能及造价方面也逐步被市场接受。尤其是当微软公司的Windows操作系统逐渐普及之后，由于Windows操作系统支持多任务、Eomeomponent(COM组件)、ODBC(OpenDatabaseConneetivity)，开放数据库互联)，Aoo(Aetivenataobject)，活动数据对象)和Internet等多种技术，并具备VB，VC等多种软件开发工具，更多的科研机构加入到针对变电站自动化监控系统软件的开发上来，如：德国的ABB公司、西门子公司，美国的西屋公司、GE公司等[5]。80年代后期到90年代中期，变电站监控系统的自动化已被公认为世界电网发展的主流方向，针对变电站监控系统的多种多样的新型产品也如同雨后春笋般出现并飞速发展，至今大概有几十种监控系统软件在世界的各个角落为电力系统服务[6]。目前主要的监控系统软件有：紫金桥、力控、组态王、WinCC等，但由于这些软件的源代码未公开，使得对这些软件的二次开发变得困难和繁琐。90年代末，随着集控站的建立，国内外变电站监控系统的发展也进入了黄金时代。通过集控站可对远方的变电站进行集中监测控制以及管理，使得以往有人值班变电站成为少人或是无人值班变电站，这为电力企业节省了大量的人力资源，提高了企业效益[7]。在国外发达国家中，无人值班变电站已较为普及，这种先进的管理模式也是国际上正被普遍采用的[8]。对于我国来说，集中监控系统的发展较晚。电力部颁布了关于建立集控站的文件，各地区电网在以调度中心为主体，建立联系调度与变电站的集控站，来促进和加强我国无人值班变电站的运行管理水平[9]。由于我国集中监控系统研究较晚，虽然在一些试行地区取得了一些的成效，但很多功能还有待提高，与发达国家的差距还较为明显，主要表现在：电力系统的调度权限和变电站的操作权限有所改变。且由于集控站采集监控的数据量海量增长，对信息传递的速率、准确性以及设备的巡视、评级、缺陷管理和操作的图像等方面提出了更高的要求，因此集控人员要面对海量信息，繁杂指令，同时保证操作的准确性，这些对其基本素质都有着更高层次的要求。传统的变电站视频监控系统受技术发展的局限，只能进行现场监视，简单的报警信息传输，无法实现远距离传输视频信号，对于前端具体情况的了解、事件的确认是非常困难的，无形中降低了系统的稳定性和安全性[10]。从趋势来看，集控站与无人值班变电站必将成为未来电网运行管理的一个重要组成部分。本世纪以来，国家电网公司积极致力于先进电力设备的研发和设备的运行管理工作，提出了建立“坚强智能电网”的伟大目标，加大了智能变电站的建设投入，进一步带动了变电站监控系统的发展。由于各种智能电子装（IED）的辅助作用，宿主设备的测量、控制和监测功能变得更加的完善、准确和高效，变电站站内设备的安装也更加灵活、丰富[11]。具有测量数字化、控网络化、状态可视化、功能一体化和信互动化等特征的智能高压设备正逐步在各大智能站内试运行并向其他站点普及。智能控制和设备状态可观测水平的提高，大大的促进了现代化变电站监控系统技术的发展。目前，国内变电站使用的监控系统的结构以综合自动化系统为主并正向着智能化方向发展。1.2.2国内外变电站自动化系统变电站监控系统是变电站综合自动化系统的重要组成部分，与自动装置、继电保护等设备融为一体，以信息通讯网络技术为平台，共同组建可以实现信息共享、测量采集、控制、遥控传输、继电保护等功能的变电站综合自动化系统[12]。随着国内外变电站综合自动化水平的提高，监控系统正逐步完善，功能更加丰富。80年代及以前变电站保护设备以晶体管、集成电路为主，二次设备均按照传统方式布置，各部分独立运行。随着微处理器和通信技术的发展，出现了以RTU为基础的远动配置及当地监控，性能上得到了极大改善。该类系统是在常规的继电保护装置上及二次接线的基础上增设RTU装置，功能主要完成与调度站的通信，实现“遥测”、“遥信”、“遥调”、“遥控”的“四遥”功能，继电保护装置与系统连接则采用硬接点状态接入。90年代初期，随着微机保护技术的广泛应用，以及计算机、网络、通信技术的发展，变电站自动化取得实质性进展。利用计算机技术、现代电子技术、通信技术和信息处理技术，对变电站二次设备的功能进行重新组合、优化设计，建成了变电站综合自动化系统，实现对变电站设备运行情况进行监视、测量、控制和协调的功能[13]。综合自动化系统先后经历了集中式、分散式、分散分层式等不同结构的发展，使得变电站设计更合理，运行更可靠，更利于变电站无人值班的管理。90年代中期，行业内对计算机保护与测控技术不断争论和探讨达成了一致的认识，采用面向设备或间隔为对象设计的保护及测控单元，采用分层分布式的系统结构，形成了真正意义上的分层分布式自动化系统。该系统特点是针对110kV以下电压等级的设备或间隔采用保护测控一体化设计的装置，针对110kV及以上电压等级的设备或间隔采用继电保护装置与测控装置分别独立设计但共同组屏的原则，故障录波功能下放至各间隔或设备的继电保护装置中去，采用先进的网络通信技术，系统配置灵活，扩展方便，非常方便运行管理和维护。本世纪以来，随着数字化技术的不断进步和IEC61850标准在国内的推广应用，国内已经出现了基于IEC61850的数字化变电站。数字化变电站具有全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化、高级应用互动化四个重要特征。数字化变电站体现在过程层设备的数字化，整个变电站内信息的网络化，以及断路器设备的智能化，而且设备检修工作逐步由定期检修过渡到以状态检修为主的管理模式[14]。目前，数字化变电站从技术上来说，其突出成就是实现了变电站信息的数字采集和网络化信息交互，但这对于智能电网的需求来说，还是远远不够的。国家电网公司在建设统一坚强智能电网的变电环节中，提出建设智能变电站的目标。智能电网中的智能变电站是由先进、可靠、环保、集成的设备组合而成，以高速网络通信平台为信息传输基础，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，同时具备支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。智能变电站分为设备层、系统层。设备层主要由高压设备、智能组件和智能设备构成，实现IEC61850中所提及的变电站测量、控制、保护、检测、计量等过程层和间隔层的功能。系统层相当于变电站的站控层，实现信息共享、设备状态可视化、智能告警、分析决策等高级智能应用，包含智能变电站系统级的先进功能。随着高压设备智能化的不断发展，传统意义上的一、二次设备间的界限也将逐渐模糊，一次设备通过安装和集成智能组件，将成为智能设备。第2章系统硬件设计研究与实现2.1无线ZigBee传输网络设计ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。无线ZigBee传输网络可以实现网络通信的中长距离传输，具体介绍如下。2.1.1无线ZigBee应用ZigBee通信方式是一种中长距离无线网络通信技术。其优势在于成本低、功耗低、数据传输可靠、易于实现等优点[50]。通常情况下，只要符合以下条件之一就可以使用ZigBee通信技术：（1）监控的站点或数据采集站点较多：（2）传输数据量不大，成本要求低；（3）装置对体积有要求；（4）可能是移动通信等覆盖盲点：（5）数据在传输过程中的安全性、鲁棒性较高：在工业远程控制领域，ZigBee应用价值广泛，这样小体积的设备完全符合的无线联网的控制要求。ZigBee技术标准分为两个物理层：一个是全球通用的2．4GHz频段，传输速率可以达到250kbps，以及是915MHz频段的美国标准、868MHz频段的欧洲标准，传输速率分别为40kbps和20kbps[51]。ZigBee频段是免许可的ISM（工业、科学、医疗）频段[28]。ZigBee的技术特点主要包含以下几个方面：（1）可靠性：ZigBee媒体接入控制层时采用了免碰撞机制与重发机制，也预留了专用的需要固定带宽的通信业务，使其避免了在数据传输时的冲突[28]。确定的数据传输模式才能得到MAC层支持，ZigBee的每个数据包都需要等到接收方确认后才能继续发送出去，通过这样的方式建立了可靠的通信模式。（2）低功耗：在正常工作时，ZigBee传输的总数据量不大，数据传输频率不高，信号的收发耗时短；在工作行模式时，ZigBee节点处于休眠状态，一旦需要运行便会唤醒。如果采用两节普通的五号干电池，就可以持续对ZigBee模块供电6个月以上。（3）网络容量大：ZigBee在进行多节点组网时，可以采用星状、网状等结构进行组网，ZigBee最大组网能够达到65000个，在整个ZigBee网络范围内，单个ZigBee模块之间可以互相通信。（4）时延短：ZigBee从休眠状态唤醒的时延很短。从休眠状态唤醒的时延为15ms，进行搜索的时延为30ms，活动装置接入网络时延为15ms。通过不工作时休眠，需要工作前快速唤醒的方式降低了模块的能耗，可应用于对时延要求较高的无线组网数据的传输。（5）安全性：ZigBee采用了AES.128加密算法，使得信息在传输时较为安全。2.1.2ZigBee路由（中转板） ZigBee网络由多个ZigBee节点组成，可以组成星型、网状的ZigBee网络拓扑，每个节点可以具有不同的功能。由于在变电站电力线路监控系统中，每个监控站点均为ZigBee子节点，这些节点负责完成变电站电力线路监控数据信息的发送功能，从成本上考虑和距离上考虑，选取部分节点作为中转节点，对多个周边节点的数据进行中转传输，并且能够与其他中转ZigBee进行通信，担当了变电站电力线路监控数据通信的路由设备。针对变电站电力线路监控采集时的组网条件，按照片区组网的要求，在每一个片区中都设定一个ZigBee路由，可以对该区域内的变电站电力线路监控信息进行无线通信的管理和控制。路由ZigBee能与该区域的网络节点进行通信，如果该路由发生故障，根据优先级别选择临近的ZigBee子节点作为路由，进行继续发送信息。这样让系统的变电站电力线路监控数据不会因为设备的故障而使其他设备瘫痪。ZigBee路由选择包括如下流程：（1）ZigBee路由搜索的初始化。（2）接收请求数据命令帧。（3）接收应答数据命令帧。2.1.3ZigBee通信模块接口电路设计本文选用的是成都无线龙公司的以CC2430为内核无线模块。由于CC2430最大的输出功率仅0.6dBm，通信范围也不超过100m，无法满足实际通信需要，因此选用了硬件设计中增加了2.4G模拟射频前端芯片CC2591模块，以增大射频覆盖范围。该模块是在CC2430基础上扩展的CC2591，集成了将接收机的灵敏度提高+6dBm低噪声放大器和可以将输出功率提升+22dBm的功率放大器，从而显著提高无线模块的系统的覆盖范围，适合更多领域的使用。ZigBee模块与ZigBee原理图如图3-9所示。图3-9ZigBee模块与ZigBee原理图表3-1ZigBee模块引脚功能介绍PIN名称引脚说明备注1AD0模拟信号采集引脚12位精度，输入电压在1.5V以内2ISP短接VCC_3引脚上电进入编程模式3RESET复位引脚4BOOT进入BOOT模式短接到地，重新上电，设备进入固件升级状态PIN名称引脚说明备注5DEF恢复出厂配置短接到地，重新上电可恢复所有配置到默认值6TXDTTL发送引脚7RXDTTL接收引脚8PWM3PWM3输出引脚9PWM2/CLKPWM2输出引脚/SPI时钟线10VCC_3电源输入11GND电源地12SPIDOSPI输出引脚13SPIDISPI输入引脚14SLEEP休眠管脚，低电平脉冲有效15485EN进入配置模式管脚16WDT看门狗定时器输出引脚17ALM_LED警告指示灯数据发送接收异常时亮18NET_LED网络指示灯有数据收发时闪烁19RUN_LED运行指示灯程序运行时闪烁2.2监控中心声光报警器设计监控中心声光报警器部分的主要系统思路为：在变电站电力线路监控系统数据中心，当监控终端发生异常无法自动恢复时，系统就会监控到某个监控点出现了故障，需要及时的报告数据中心工作人员。由于仅有软件显示报警无法及时提醒工作人员，并且功率稍大的扬声器声音较大，不便于人性化系统。因此提出了采用Atmega8为微控制器，通过串口与主机相连接的灯光报警的方案。声光报警电路见图3-10所示。图3-10声光报警电路普通警用灯是采用的氖气频闪灯，频率主要与灯管内蓄电电容充放电时间有关。由于福州市电是220V，报警器控制器都是TTL电平5V，而警报灯是12V，需要对输入电压进行降压。将市电进行AC-DC进行变压器降压输出20V，将20V的直流电流进行降压为12V。在电力电子技术应用中，广泛使用BUCK式的降压电路。选用了单片集成电路LM2575（降压）开关稳压芯片，输入电压为0-38v，可以按照3.3V，5V和12V的固定输出，1.23V至36V输出范围可调电压。使用简单，因为只需要少量外部元件电感、电容，包括内部频率补偿和固定频率振荡器。LM2575可作为三端线性稳压器的替代品用于降压电路中。第3章系统软件设计研究与实现3.1系统功能模块设计一个系统的设计，要考虑整个系统实现的功能，在进行系统编写之前，需要有系统的各功能模块设计图。根据这个模块图可以清楚地知道系统的各个子模块系统完成的功能，帮助我们从总体上把握系统。根据图4-2中的各个子模块，对每个模块实现的功能的做详细介绍。图4-2变电站电力线路监控系统功能模块图从该功能模块图上可以知道，系统从分为五部分，分别是：（1）权限管理，其中权限管理又分成权限设定、权限查询、权限维护；（2）人事管理，包含人员信息的维护和人员信息查询；（3）变电站电力线路监控信息查询管理，分成温度信息处理、电流信息处理、电压信息处理；（4）部门管理，包含部门信息维护，部门信息查询；（5）生成数据报表，生成单项变电站电力线路监控数据报表、生成报警信息报表。3.1.1权限管理模块该模块主要实现添加、删除、修改权限信息和查找管理权限信息功能，在变电站电力线路监控系统中，根据优先级最高的管理员设置其他优先级低的管理员的管理权限，根据不同的分工完成不同的变电站电力线路监控管理事务，不同的管理员之间相互联系，相互制约，使的变电站电力线路监控系统得以正常的日常维护和工作。3.1.2人事管理模块人事管理模块是属于系统的一部分，因为变电站电力线路监控系统所做的日常工作都是在企业内部完成的，与企业人员具有相当的联系，因此设计了人事管理模块对单位职工的信息进行管理。在日常的变电站电力线路监控系统运行中，可以从系统中查询到每个职工是否参加了变电站电力线路监控的监控信息，是否是某个设备或者某个区域的负责人等信息。同时管理权限也是在属于系统人员里面产生。3.1.3部门管理模块部门管理系统是对于部门这个实体信息进行的管理。事物之间的普遍联系是不可避免的，部门管理作为变电站电力线路监控系统中的一个部分，与部门管理有着重大关系。部门管理的内容十分简单，它按照电力部门的管理流程流程进行，包括查询部门信息、修改部门信息、删除部信息和修改部门信息。部门也可以根据所具有的权限对变电站电力线路监控系统内的监控设备进行调度，增加了部门管理模块有助于方便用户端对部门的权限认证。3.1.4生成数据报表模块数据报表模块是基于变电站电力线路监控库的综合运用，由于每个变电站电力线路监控信息监控点都具有多个传感器数据信息，而不同的站点也有多个传感器数据信息，因此在查询某监控站点的数据时需要系统直接生成数据报表。例如对变电站电力线路监控信息中的某个监控点大气压数据进行调用查看历史记录，需要能直接生成历史数据报表。从用户端调取设备的信息，并能生成该种设备的统计报表。同时，也可以对设备报警信息和变电站电力线路监控报警阈值进行记录和报警，对系统里面的所有变电站电力线路监控能生成其单个的使用报表，能生成按季度月度、按信息类别、按监控站点等的变电站电力线路监控信息报表。3.1.5变电站电力线路监控信息管理变电站电力线路监控信息管理包括：温度信息处理、电流信息处理、电压信息处理、变电站电力线路监控信息阈值报警处理以及设备报警信息处理。所要处理的任务如下：（1）变电站电力线路监控数据处理程序能够设定时间点对数据进行处理；（2）能够将北斗接收模块接收到的变电站电力线路监控信息进行解码，按要求分成温度、电流、电压等变电站电力线路监控信息单元；（3）可以根据编写的数据规则对变电站电力线路监控异常数据进行报警；（4）将变电站电力线路监控按要素不同录入数据库；（5）变电站电力线路监控数据处理程序能够处理及时的变电站电力线路监控数据；（6）在变电站电力线路监控数据处理时如果碰到相当多的原始数据无法在规定的时间内按时传输回数据中心时，数据能够自动进行补录。等待正点数据处理后，才进行数据补录。（7）监控点以每小时为单位进行数据监控后，充分发挥系统功能，对形成监控点的年月日数据进行统计，采用数据库完成。3.2软件系统部分程序设计软件系统程序设计要求实现信息录入功能以及数据采集功能，具体介绍如下。3.2.1信息录入功能结构——检测代码信息录入功能模块核心设计内容就是把模数转换硬件所获取的数据信息以及运算结果保存到系统的数据当中，同时可以根据这些数据进行系统参数的设置，采用高速传输模块来实现信息和管理功能结构之间的数据传输需求。该程序目前不但要面向中央处理器、电路和传输功能进行更改，包括：中央处理器主频、数据传输所需要的网络地址、随机存储设备的速度和频率、模拟器件中的复用结构等。