无线通信变电站环境监测研究

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1引言

随着科技的进步与人力资源的限制，越来越多的变电站采用无人值守的运行管理模式。对于无人值守变电站所而言，变电站设备运行环境温湿度、水位、设备漏油异响等异常现象一直处于运行监视盲区，相关信息无法实时传递到监控后台进行远程监视[1,2]。变电站防潮特巡、低温特巡、高温特巡等多项巡视作业需要检查主控室、蓄电池室等设备室的温湿度和空调风机运行状态，繁重的工作量使人力短缺情况日趋紧张。变电站环境温湿度等信号的在线监控是无人值守变电站安全运行的基础保障[3]。通过安装温湿度检测模块，记录温湿度曲线供管理人员查询，积累历史运行数据，统计现场时空变化温湿度变化规律与特点，不仅可为环控辅助系统运行参数的科学设置提供数据参考，更重要的是通过实时监测，当发生温湿度越限时启动报警，提醒管理运行人员及时掌握并调整环控装置的工作设置值，避免因温湿度越限造成设备损坏，具有重要的工程价值。近年来，部分变电站/所虽安装了温湿度传感器监控系统，但一般采用现场总线控制技术的温湿度传感器监控系统[4]，依赖有线或光纤通道，功耗大、费用高，构成复杂，一旦遇到通道故障，修复难度大且时间较长。随着无线通信技术的发展，其高性能低成本使测量终端与后台的信息可靠交互已成为现实，尤其是Zigbee无线通信技术具有低功耗、低成本、可靠、网络容量大、安全保密等一系列特征，在诸多领域得到了广泛应用，为实现变电站环境温湿度的无线分布式监测、集中式评估提供了技术保障，特别是在变电站的应用工程的可行性已得到了初步验证[5,6]。鉴于此，本文设计了具有自我检测功能的无线温湿度监测系统。该系统采用模块化分布式结构，利用无线温湿度传感节点测量设备控制柜、环境、控制室等区域温湿度信号，采用ZigBee无线组网技术，实现传感器的即插即用。另外，设计开发了系统自检诊断功能以提升系统的可靠性和易维护性。

2无线温湿度监测系统拓扑

2.1变电站环境温湿度监测需求与特点分析。许多电力设备都需要在特定的环境下运行，例如开关柜、端子箱、计量柜和测控装置等。因温湿度过高造成设备运行故障的案例时有发生。当前，为保证电气设备在合适的温度和湿度环境下工作，在阴雨潮湿或酷暑高温时，需要到变电站抄录端子箱、开关柜、控制室、设备运行室等处的温湿度表计读数，不仅费时费力，容易发生抄录错误和丢失，更主要的是不能在温湿度超限的第一时间发现异常，造成设备运行的安全隐患。因此，为避免设备过热或过湿发生安全事故，解放人力，开发设计一套性能稳定先进的变电站环境温湿度在线监控系统，实现变电站设备内部、控制室及周围空气温湿度的远程监测具有重要的工程价值。变电站环境温湿度监测实施中需重点考虑以下几点：1温湿度测温具有待测点多，且分布广的特点；2对投运变电站现场布线改造困难，工作量巨大；3变电站现场电磁环境差，对电磁兼容要求高；4变电站取电有一定的要求。2.2监测系统框架拓扑。研制开发的变电站环境温湿度监测系统的结构框图如图1所示。为降低现场布线的工作量和难度，保障系统工作的可靠性，系统采用无线通信和现场总线相结合的通信方式，分区域实现分布式测量、集中式管控。研制的系统主要由3个部分组成：分布式传感器节点、通信协调器和站级后台。其中，传感器节点用于实现待测对象的温湿度测量和数字化，并基于ZigBee组网技术，组成以协调器单元为中心的无线数据传输网络，将采集到的温湿度数据无线传输给协调器单元，实现传感器的即插即用。协调器节点管理着所有与之相连的传感器，并且接收来自传感器的温湿度信息数据，然后将收集到的所有传感器的温湿度数据向上传输至监测中心管理器。监测中心管理、记录、显示所有的温湿度数据，还可以针对不同的要求进行分析警报。比如，温度超过限定值的时候，管理中心会发出警报；无线温湿度监测系统带有报表功能，可以根据传感器或者用户设定的设备名称等查看历史温湿度数据，生成相应的报表对温湿度变化进行分析和处理；监测中心还拥有特有的自我诊断功能，定期对整个系统的运行进行检测。

3监测系统的设计

3.1硬件设计。3.1.1传感器节点。传感器节点的功能是实现对温湿度信息的采集、预处理和无线传输数据。包括微控制器模块、传感器功能模块、无线通信模块和电源功能模块等。本装置无线温湿度传感器基于CC2530模块实现[7]，应用SHT20传感器实现温湿度信息的传感，应用CC2530模块自带的A/D实现测量信号的数字化，无线温湿度传感器电源支持内部高性能的锂电池供电或外接电源两种方式，以提高传感器使用的便捷性。研制的无线温湿度传感器工作流程及传感器实物如图2所示。3.1.2协调器节点。协调器节点负责管理所属区域传感器节点，接收区域范围内传感器传输的温湿度数据信息，并将接收到的信息及传感器节点信息通过CAN总线传输给监测中心。协调器节点基于CC2530设计[7]，根据功能可划分为无线通信功能模块、微控制器功能模块、CAN通信功能模块和电源功能模块等。协调器节点的电源模块采用市电220V供电，可以保证温湿度数据的实时、全天候准确传输。协调器节点的工作流程如如图3所示。3.1.3站级后台。监控中心的硬件采用Niagara工业物联网服务器实现，通过CAN总线与协调器节点进行通信。同时，通过数据库进行数据存储以及显示器进行人机交互。供电方式采用市电220V交流，保证系统的正常运行。3.2软件设计。本文提出的无线温湿度监测系统采用C语言以及SQL数据库实现。监测系统软件通过数据接口接收协调器节点传输的传感器温湿度数据以及传感器信息，并将各类信息结合用户设定的温湿度测点名称存入到数据库中。同时，软件基于用户定义的检测点名称实现检测点的实时温湿度数据的可视化。如果传感器温湿度数据超过对应的用户设定报警阈值，软件会做出相应的报警提示。监测后台工作流程图如图4所示。其中温湿度信息诊断预警主要采用阈值法，依据相关运行规程制定，部分规则如下[8]：1主控制室和计算机室的温度范围为18～25℃，温度变化率每小时不应超过±5℃,相对湿度宜为45％～75％；2继保室温度变化范围为5～30℃,温度变化率每小时不超过±5℃,相对湿度宜为45％～75％,任何情况下无凝露。当然，通过预留阈值整定设置接口，系统同时支持阈值的差异化调整。

4系统自检功能开发

为了在监测系统维护中减少投入的人力物力，且能够在第一时间知悉无线温湿度监测系统出现的故障，以免影响系统的使用，设计开发了系统自检诊断功能。通过系统的自检功能，工作人员可以了解传感器节点、协调器节点以及数据库等软硬件组件是否工作正常。如果系统的某一部分出现故障，软件中会有相应的警示，提示工作人员及时维护和更新监测系统，以保证系统的正常运行和被监测对象温湿度的准确测量。系统自检诊断功能流程图如图5所示。首先，系统初次启动时，Zigbee会进行组网的过程，同时，系统检测各个部分工作情况：1检测数据库的工作连接情况；2检测CAN总线的连接情况；3检测CAN总线上各个协调器节点的工作连接情况；4检测传感器节点的数据连接情况；5检测传感器节点的信号强度，电池电量等状态情况。检测有错误的部分系统会进行相应的提示，上述检测项目都正常后，表明温湿度监测系统工作在正常状态。然后，系统按照设定的时间读取传感器的温湿度测量数据，将数据存入数据库，同时显示在人机界面上。系统根据设定的温度、湿度限定值对数据进行分析，判定温度、湿度是否超过限定值，系统自动考虑到环境温湿度的影响情况，正确反映被测量设备的工作状态。系统工作过程中，定时对整个系统各个部件的工作情况进行自我检测，如检测到工作不正常，第一时间通知工作人员进行处理。自检系统能够最大程度地减少维护成本，保证温湿度监测系统感知数据的准确性，保证系统的正常运行。

5结论

本文基于物联网与无线通信技术，设计开发了一套具有自我检测功能的变电站环境温湿度监测系统。系统采用CC2530ZigBee无线模块，实现温湿度的分布式数字化测量和传感器的即插即用；系统自检功能可提高系统的可靠性，保证测量数据准确有效，减少监测系统后期维护费用。本系统的开发可为变电站设备控制柜、环境、控制室等区域温湿度状态的远程监测提供先进的技术手段。

作者:易慧 潘雄 潘晓柏 李小强 江浩田 何莲 单位:广州供电局有限公司变电管理三所