無線傳感網(wǎng)技術(shù)（物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）在智能電網(wǎng)中輸變電設(shè)備的在線監(jiān)測與電量采集系統(tǒng)中的開發(fā)和應(yīng)用.doc

無線傳感網(wǎng)技術(shù)（物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）在智能電網(wǎng)中輸變電設(shè)備溫度在線監(jiān)測與電量采集系統(tǒng)中的開發(fā)和應(yīng)用一、 企業(yè)基本情況山東鑫隆實業(yè)有限公司成立于2000年，注冊資本2000萬元。擁有22名電力相關(guān)專業(yè)人員的技術(shù)團隊，其中5名國內(nèi)外知名的智能電網(wǎng)學術(shù)專家組成的專家顧問團和7位山東大學電氣工程系博士、碩士、學士組成的研發(fā)團隊以及10名具有電力行業(yè)豐富經(jīng)驗的業(yè)務(wù)支持和技術(shù)服務(wù)人員。公司高度重視與國內(nèi)相關(guān)企業(yè)、高等院校、科研院所的交流合作，充分發(fā)揮合作優(yōu)勢，建立產(chǎn)學研戰(zhàn)略聯(lián)盟。公司依托中國科學院沈陽自動化所、清華大學柔性輸電研究所、山東大學電氣學院、山東大學信息學院、國家“電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制”重點實驗基地的科研實力，致力于輸配電線路監(jiān)測、變電站監(jiān)測技術(shù)的研究、柔性輸電電能質(zhì)量改善及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、制造、推廣和技術(shù)服務(wù)，提供電網(wǎng)狀態(tài)智能監(jiān)測、電能質(zhì)量的整體解決方案，助力國家堅強智能電網(wǎng)建設(shè)。二、項目建設(shè)綱領(lǐng)及必要性1. 本項目相關(guān)國家電網(wǎng)公司實際生產(chǎn)力水平和今后的發(fā)展方向我國智能電網(wǎng)建設(shè)的主要工作和難點之一是建立對電網(wǎng)全面監(jiān)測的安全體系和對電量使用的自動化計量及數(shù)據(jù)采集體系，全面解決電網(wǎng)運行狀態(tài)信息缺失問題，建立統(tǒng)一的智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)。利用傳感器對重要設(shè)備的運行狀況進行實時監(jiān)控、進而實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備可觀測、可控制和自動化是智能電網(wǎng)設(shè)備的核心和目標之一。利用先進的自動電量信息采集與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)完成用電量抄收是電網(wǎng)獲取用戶用電信息的重要手段。目前我國電網(wǎng)對輸變電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控與運行維護還是以人工巡檢為主。該方式存在對重要設(shè)備的狀態(tài)信息獲取實時性差、時間分辨率差的缺點。在電量采集方面，目前國網(wǎng)公司主推電力載波（PLC）通信方式的抄表系統(tǒng)，但此技術(shù)在實際應(yīng)用中還存在抄收成功率低、可靠性不高、實時性低的不足。無線傳感網(wǎng)與寬帶移動通信網(wǎng)相結(jié)合的新一代物聯(lián)網(wǎng)恰好為建立面向智能電網(wǎng)的新型信息體系提供了可行的解決方案?！笆晃濉逼陂g，我國在新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)和傳感網(wǎng)研究方面布署了國家科技重大專項、國家863計劃等研究項目，取得了一系列研究成果，形成了豐富的技術(shù)積累。無線傳感網(wǎng)技術(shù)采用低成本、短距離、低功耗無線通信方式構(gòu)建集檢測與數(shù)據(jù)傳輸功能為一體的網(wǎng)絡(luò)，進而與寬帶無線移動通信網(wǎng)結(jié)合，形成新型數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該技術(shù)可應(yīng)用于電網(wǎng)中目前采用的輸變電設(shè)備在線監(jiān)測與電量采集系統(tǒng)，形成安裝方便、電氣絕緣、監(jiān)測精細的在線監(jiān)測與電量采集系統(tǒng)，提高中國電網(wǎng)的智能水平和自動化水平。2. 項目成果對電網(wǎng)現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展的作用國家電網(wǎng)在推進智能電網(wǎng)建設(shè)，現(xiàn)有變電站的狀態(tài)監(jiān)控與運行維護還是以人工巡檢為主。例如對斷路器動作次數(shù)、避雷器泄漏電流與雷擊次數(shù)、線路溫度等均需要人工定期或不定期到現(xiàn)場觀察表頭讀數(shù)。這些方法在使用中均收到一些條件的限制，如線路溫度采用手持式紅外熱像儀巡檢方式，這種方式在實際應(yīng)用中受到測距限制和光強的限制，一般只能在距離被測點附近和夜間使用才能獲得較好的測量精度，不能完成在任意時間的連續(xù)測量。智能化變電站建設(shè)是我國堅強智能電網(wǎng)的主要任務(wù)和重點工程之一。本課題緊密結(jié)合國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)投資建設(shè)政策，面向電力系統(tǒng)實際需求，研制開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進終端和系統(tǒng)，提高中國電網(wǎng)的智能水平和自動化水平，從而更好的為社會服務(wù)。3. 成果應(yīng)用和推廣的途徑本項目通過技術(shù)攻關(guān)可研發(fā)出應(yīng)用于變電站關(guān)鍵點測溫的原型裝置，并構(gòu)成系統(tǒng)進行示范應(yīng)用，在經(jīng)過應(yīng)用完善后，形成詳細設(shè)備制造說明書、使用規(guī)程等文件，并制定大規(guī)模推廣計劃。三、項目產(chǎn)品和技術(shù)水平1國內(nèi)外研究水平的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢當前國際上工業(yè)通信技術(shù)的發(fā)展特點和趨勢是網(wǎng)絡(luò)化和智能化。網(wǎng)絡(luò)化是適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場儀表、控制設(shè)備不斷增加，測控系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大的要求，將工業(yè)現(xiàn)場需要交互信息的單元組織成高效的通信系統(tǒng)；智能化是適應(yīng)降低使用和維護成本、提高系統(tǒng)可靠性和易用性的要求，使測控系統(tǒng)具備自配置、自修復能力。目前國外基于工業(yè)無線技術(shù)的測控系統(tǒng)的發(fā)展還處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和實驗室測試驗證階段，工業(yè)無線通信的關(guān)鍵技術(shù)難題正在被逐漸攻克，市場需求非常旺盛，相關(guān)技術(shù)標準正在制定中，尚沒有形成成熟的產(chǎn)品、標準和相關(guān)專利。在國內(nèi)方面，中科院聯(lián)合一些高校也正在積極開展相關(guān)技術(shù)的研究工作，并取得了豐富的技術(shù)積累。2006年7月份，美國儀表系統(tǒng)和自動化學會SP100標準委員會面向全球征集技術(shù)提案，國內(nèi)的沈陽自動化所、浙江大學、重慶郵電大學等三家單位與Honeywell、GE、Siemens等國際著名公司分別提交了自己的技術(shù)提案，并于10月份進一步提交了技術(shù)白皮書。目前，沈陽自動化所已作為工作組成員參與工業(yè)無線標準SP100、現(xiàn)場總線基金會Wireless FF標準的制定工作，由中科院沈陽自動化提出的WIAPA國家標準已獲批，國際標準進入實質(zhì)性的正式標準形成階段。2.國外研究機構(gòu)或者公司對本項目的研究情況近幾年，國外智能電網(wǎng)建設(shè)升溫，信息與通信技術(shù)是其重要關(guān)鍵技術(shù)之一。2009年2月，IBM與地中海島國馬耳他簽署協(xié)議，雙方將建立一個“智能公用系統(tǒng)”，以實現(xiàn)該國電網(wǎng)和供水系統(tǒng)的數(shù)字化，其中包括在電網(wǎng)中建立一個傳感器網(wǎng)絡(luò)。IBM提供搜集分析數(shù)據(jù)的軟件，幫助電廠發(fā)現(xiàn)機會，降低成本及碳排放量。美國能源部西北太平洋國家實驗室協(xié)助建立了電網(wǎng)智能化聯(lián)盟并進行實地示范，近期完成了高級需求響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)太平洋西北電網(wǎng)智能化試驗臺。歐洲未來電網(wǎng)發(fā)展策略提出了歐洲智能電網(wǎng)的發(fā)展重點和路線圖，信息和通信技術(shù)是其優(yōu)先關(guān)注的重點領(lǐng)域之一。澳大利亞由國家電力委員會從2007年開始在全國范圍內(nèi)推行AMI項目，引入分時電價，使用戶能夠更好地管理電能消耗。澳大利亞GridSense公司開發(fā)出LineTracker產(chǎn)品，可完成最高138KV架空線路的無線監(jiān)測，所監(jiān)測的參數(shù)包括故障、保護動作、斷電、負荷等，可提高安全性和供電質(zhì)量，如圖1所示。該產(chǎn)品分為傳感單元、通信單元、遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)收集單元和后臺顯示和分析單元。其中傳感單元和通信單元構(gòu)成的裝置能完成功率因數(shù)、環(huán)境溫度測量、故障錄波、時序事件記錄等功能，由太陽能供電，可人工在線路帶電運行時安裝。測量數(shù)據(jù)可先由檢測裝置本地記錄，之后可通過無線下載供線路維護人員使用。圖1 澳大利亞GridSense公司LineTracker產(chǎn)品加拿大cooperpower公司與美國AT&T公司合作研制了用于架空配電線路故障指示器（OutrageAdvisor）。如圖2所示。cooperpower公司負責通過電流、電壓法檢測線路故障，AT&T公司提供無線通信技術(shù)。與二者結(jié)合的好處在于，與傳統(tǒng)目測式故障指標器產(chǎn)品相比，供電部門不需要人工巡檢線路也可以判斷故障位置，大大縮短了故障排除時間，降低了人力成本。圖2 加拿大cooperpower公司與美國AT&T公司合作架空配電線路故障指示器（OutrageAdvisor）3.國內(nèi)其他研究單位對本項目的研究情況。電力系統(tǒng)中使用最多的通信方式目前還是有線方式，如電力線載波（PLC）、CAN總線、光纖等。但是PLC在電力線電流電壓擾動環(huán)境下通信效果不佳并且成本較高，現(xiàn)場總線和光纖安裝成本高。因此，一些國內(nèi)大學、科研單位、公司等也對電力系統(tǒng)中的無線通信技術(shù)作了一些嘗試。其中，使用最廣泛的技術(shù)當屬zigbee無線通信技術(shù)。Zigbee的設(shè)計主要面向個人和家庭近距離通信需求，對工業(yè)環(huán)境下的抗干擾能力考慮較少，此外zigbee采用樹狀結(jié)構(gòu)，路由節(jié)點必須使用固定電源供電，網(wǎng)絡(luò)的靈活性不高 。此外，遼寧電能有限公司在其各類無功補償裝置中加入了基于Mobitex無線通信技術(shù)的通信裝置。但經(jīng)武高院調(diào)查，這些在線監(jiān)測系統(tǒng)普遍存在運行穩(wěn)定性不高、供電方式不完善等不足。在數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)方面，通信距離、抗干擾能力、通信能耗等指標還不能令人滿意。盡管已經(jīng)開展了一些初步的試制試驗，但尚未形成規(guī)模。同時，由于缺乏統(tǒng)一的標準，導致設(shè)備或系統(tǒng)之間集成不便、不利于大規(guī)模推廣。我公司聯(lián)合沈陽自動化所、山東大學信息學院針對短程工業(yè)無線通信技術(shù)取得了一系列成果，達到國內(nèi)一流水平。主要有：（1）基于同步通道切換的自適應(yīng)跳頻機制為了解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在復雜環(huán)境中受到各種干擾影響，一般采取跳頻的方式。傳統(tǒng)跳頻方式僅能解決短暫的隨機干擾。沈自所開發(fā)的自適應(yīng)跳頻技術(shù)可以根據(jù)信道狀況的歷史信息，自動選擇跳頻方式，避開干擾劇烈的信道，達到較高的可靠性。整個跳頻過程示意圖如圖3：圖3自適應(yīng)跳頻示意圖（2）基于實時性保證的動態(tài)多路徑路由技術(shù)由于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需要保證一定的實時性，同時工作在干擾環(huán)境下，因此，沈自所研發(fā)的動態(tài)多路徑路由技術(shù)通過設(shè)置多路徑，不同路徑上發(fā)送重要報文的多個副本，達到實時可靠的目的。 （3）基于動態(tài)功率調(diào)節(jié)的空分復用技術(shù)變電站內(nèi)設(shè)備位置比較分散，可以根據(jù)這一特點采用空間復用技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)容量增加。同時也要考慮空間復用帶來的隱藏終端問題。我公司研發(fā)的動態(tài)功率調(diào)節(jié)技術(shù)，防沖突空間復用技術(shù)，動態(tài)帶寬分配技術(shù)以及基于空分的網(wǎng)絡(luò)拓撲控制技術(shù)可以解決這一問題。（4）基于能量均衡、休眠的低功耗技術(shù)為傳感器節(jié)點供電的電池或太陽能、風能等能提供的能源有限，為了使網(wǎng)絡(luò)能夠長期的運行，需要采用節(jié)能技術(shù)。沈自所研發(fā)的面向應(yīng)用的按需通信/休眠技術(shù)和基于能量優(yōu)先的簇首選擇技術(shù)。有效地解決了這一問題。（5）密閉小空間內(nèi)的射頻抗干擾技術(shù)在變電站中，建筑物大多采用采用金屬屏蔽，同時內(nèi)部設(shè)備排列比較緊湊，構(gòu)成了密閉小空間，電磁波的傳輸會受到屏蔽、反射、折射、繞射等影響，信號情況復雜，通信難度大大增加。沈自所在前期工廠項目中，已經(jīng)通過最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)部署，無線有線結(jié)合等策略較好地解決了這一問題。沈自所目前研制成功了多個通信頻段的無線通信模塊（2.4GHz，433MHz等），采用單處理器加輔助硬件結(jié)構(gòu)、硬件加速器加緩存的結(jié)構(gòu)、共享單總線結(jié)構(gòu)等；在通信軟件設(shè)計方面，建立以微操作系統(tǒng)為核心具有低開銷特征的嵌入式軟件運行、調(diào)試和動態(tài)加載平臺。無線通信模塊如圖4所示。 圖4 無線通信模塊無線通信模塊具有以下特征：l 節(jié)能低功耗：微處理器和射頻收發(fā)器是節(jié)點主要的能耗部件，其能耗特征不同。需要在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中降低二者耦合程度，提供節(jié)能控制與管理系統(tǒng)。l 并發(fā)性處理能力：硬件結(jié)構(gòu)需要具有處理細粒度并發(fā)事件的能力，實現(xiàn)節(jié)點高性能需求。l 靈活接口：硬件結(jié)構(gòu)需要具有滿足多種應(yīng)用要求的能力，為面向不同應(yīng)用的協(xié)議棧和應(yīng)用軟件提供豐富的硬件接口。l 可重構(gòu)的模塊化設(shè)計：硬件結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計，需要具有可重構(gòu)能力，系統(tǒng)可以針對不同應(yīng)用需求調(diào)整其加載的傳感器種類、無線頻率和微處理器的選擇。l 低開銷：在滿足應(yīng)用需求的前提下，盡量降低對存儲資源、計算資源和能量的使用。l 可移植性：可以滿足多種應(yīng)用需求，針對不同的需求進行裁剪，并可實現(xiàn)在不同硬件平臺間移植。l 可靠性：在缺少硬件機制（如頁面保護）支持的條件下，提供魯棒的任務(wù)調(diào)度服務(wù)。l 動態(tài)加載程序：根據(jù)應(yīng)用需求，系統(tǒng)可以通過無線電通信遠程動態(tài)加載應(yīng)用程序，實現(xiàn)系統(tǒng)的運行時動態(tài)可編程能力。沈自所還研制基于上述通信模塊的通信設(shè)備，具備如下特征：l 具備多種通信接口，包括以太網(wǎng)，RS485，RS232等等。l 支持工業(yè)總線常用的通信協(xié)議。l 可通過TCP/IP協(xié)議接入中高速傳感網(wǎng)或移動通信網(wǎng)。l 可替代現(xiàn)有通信線纜。上述無線通信設(shè)備的外觀如圖5所示： 圖5 具有多種通信接口的無線通信設(shè)備4項目的理論和實踐依據(jù)1. 研究內(nèi)容原理采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)點：（1） 頻段為免許可開放頻段，在本地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，不需要專用公網(wǎng)支持。（2） 通信距離從幾十米到上千米可調(diào)。（3） 通信模塊集成度高，功耗低。（4） 通信節(jié)點通過相互間的報文交互可以自己形成網(wǎng)絡(luò)，當前網(wǎng)絡(luò)通信遭到破壞后可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。（5） 遠程通信節(jié)點可以通過其它通信節(jié)點以接力的方式與接入點通信（6） 如果直接通信被阻可建立繞礙路徑本項目具體研究該技術(shù)在測量變電站設(shè)備溫度在線監(jiān)測中的應(yīng)用。（1）變電站關(guān)鍵設(shè)備溫度測量目前，在建的智能化變電站一般采用光纖及工業(yè)現(xiàn)場總線通信方式。近年來由于短程無線技術(shù)的迅速發(fā)展，由于無線通信技術(shù)便于設(shè)備的安裝維護，并具有天然的電隔離優(yōu)點，人們開始探索將無線技術(shù)應(yīng)用于智能化變電站中。導線測溫方面。導電連接分為固定接觸和可動接觸兩類。常有多種原因造成接觸不良，例如機械振動、觸頭燒蝕而造成接觸處溫度升高，引起接觸處氧化，使接觸電阻進一步增加，溫度進一步上升，出現(xiàn)局部熔焊或產(chǎn)生火花甚至電弧放電，殃及周圍絕緣材料，最終造成電氣設(shè)備的損壞。因此，對開關(guān)設(shè)備導電連接處進行溫度監(jiān)測，實現(xiàn)過熱報警，是避免重大事故發(fā)生或控制故障惡化的有力手段，從目前生產(chǎn)運行的情況看，溫度的在線監(jiān)測有良好的應(yīng)用前景。2. 研發(fā)的關(guān)鍵和難點將基于無線通信的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于輸變電設(shè)備在線監(jiān)測與電量采集系統(tǒng)，需要解決現(xiàn)有面向商用的無線通信技術(shù)未曾考慮的特有問題：1）復雜環(huán)境下的可靠通信問題：本項目的應(yīng)用場合處于野外、高電磁環(huán)境等條件下，對于無線通信的可靠性提出了挑戰(zhàn)，本項目必須解決可靠通信問題。2）實時性：對于局放檢測及定位應(yīng)用，要重點解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性問題。3）節(jié)能運行：為了取得較長的免維護時間，檢測設(shè)備要能在無外界專用電源的條件下工作至少五年以上。四、項目產(chǎn)品系統(tǒng)硬件組成圖1 給出了輸電線路負荷/溫升在線監(jiān)測系統(tǒng)組成。 圖1 輸電線路負荷/溫升在線監(jiān)測系統(tǒng)框圖輸電線路負荷/溫升在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心和遠端監(jiān)測裝置組成。u 監(jiān)控中心（MS，Master Station）是整個系統(tǒng)的監(jiān)控和管理中心，實現(xiàn)所有監(jiān)測信息的匯集、處理、分析、顯示、控制等功能。u 遠端監(jiān)測裝置（RTU，Remote Terminal Unit）是用于輸電線路導線負荷、溫度和該區(qū)域環(huán)境溫度在線監(jiān)測的各種裝置的總稱。包括輸電線路負荷/溫升在線監(jiān)測終端（簡稱電流溫度檢測終端）、環(huán)境溫度在線監(jiān)測終端（簡稱溫度檢測終端）和數(shù)據(jù)采集終端。系統(tǒng)軟件輸電線路負荷/溫升在線監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：n 可實時監(jiān)測、定時采集記錄并顯示導線溫度、導線負荷和環(huán)境溫度（如圖5所示）；圖 5 輸電線路實時負荷/溫度顯示圖n 可查詢同一監(jiān)測點的導線溫度、負荷和環(huán)境溫度的歷史數(shù)據(jù)和當前數(shù)據(jù)，并可通過統(tǒng)計表、曲線圖、柱狀圖等多種形式進行展示（如圖6所示）；圖 6 負荷/溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖n 可實現(xiàn)對任一監(jiān)測點的三相輸電導線的溫度對比分析和顯示，以及當三相溫差超過門限時進行報警；n 可實現(xiàn)對任一監(jiān)測點的三相輸電導線的負荷對比分析和顯示，以及當三相負荷不平衡時進行報警；n 可實現(xiàn)對任一監(jiān)測點的三相輸電導線溫度和負荷的綜合對比分析，以及重載預(yù)警和過載報警；n 可通過數(shù)學模型對輸電導線溫度、負荷和環(huán)境溫度等歷史數(shù)據(jù)進行綜合分析，獲取滿足線路安全運行的負荷范圍，作為輸電線路容量調(diào)整的重要依據(jù)，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)計算出線路輸電量的裕度；n 可結(jié)合其他高級應(yīng)用（氣象、導線弧垂等）的數(shù)據(jù)和信息，進行更全面地綜合分析，得到更可靠、更準確的輸送容量分析和預(yù)測。節(jié)點處長期處于室外環(huán)境下，會出現(xiàn)氧化，造成溫度升高、打火等現(xiàn)象，給變電站供電帶來很大的安全隱患，負荷設(shè)備主要安裝在變電站負荷較大的位置，如入線端、出線端。五、項目投資、資金來源及經(jīng)濟和社會效益預(yù)測：1、項目投資5000萬元，引進高水平物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才，購置新研發(fā)中心、購置先進試驗設(shè)備和檢測設(shè)備。2、資金來源，自籌2500萬元，貸款2500萬元。3、成果推廣后的直接和間接效益1.電網(wǎng)安全監(jiān)控可以提高輸電效率目前，國網(wǎng)公司的骨干電網(wǎng)安全監(jiān)控不多，并且需要大量的人力維護