智能变电站安全在线监测系统设计

智能变电站安全在线监测系统设计

翟龙谭滨蒋亚锋

（西安长庆科技工程有限责任公司陕西西安710018）

摘要：近年来，随着智能变电站建设工作的不断推进，对变电站的安全问题也提出越来越高的要求。智能变电站的安全问题主要表现在两个方面:一方面，保证变电站周界安全，防止盗窃或者恶意破坏电力设备对维护供电可靠性具有重要意义。针对周界安防监控，常规的安防系统一般单一采用红外围栏、电子围栏或视频监控，系统相对孤立，自成系统，很难融入到现有变电站信息管理平台，造成安防监控平台冗余，不能实现信息共享。

关键词：智能变电站；安全；在线监测；系统设计

1智能变电站安全在线监测系统结构设计

1.1安全监测终端(过程层)

安全监测终端处于变电站的过程层，包括周界安防监控终端和温度在线监测终端两种设备，分别负责周界安防入侵信号的实时监控及运行设备温度的在线监测。过程层采用ZigBee无线自组织网络。周界安防监控终端包括安防现场控制器、激光围栏及网络摄像机。网络摄像机是通过TCP/IP协议进行视频信息传输与云台控制。一旦变电站周界有物体入侵，周界安防监控终端将发出声光报警，并将入侵数据，如入侵方位、入侵时间等信息通过ZigBee无线网络发送给安全测控主机，联动网络摄像机，将视角转到入侵方位，进行实时视频监控录像，方便日后回放、取证。温度在线监测终端采用新型的声表面波温度传感器实时采集运行设备的在线温度，包括温度采集器和若干温度传感器节点，两者通过射频信号进行数据传输，温度采集器进行简单数据预处理、阈值报警后将数据通过ZigBee无线网络发送给安全测控主机。

1.2安全测控主机(间隔层)

安全测控主机处于变电站间隔层，负责接收监控中心下发的温度采集指令、安防布防、撤防等指令。对接收到的控制指令进行解析后，通过ZigBee无线网络向各个周界安防监控终端和温度在线监测终端进行分发。周界安防监控终端将监视到的入侵信息及温度在线监测终端采集到的温度信息上传给安全测控主机，安全测控主机收到数据后，进行解析，并根据IEC61850标准将信息重新打包，以报文形式发送给监控中心，安全测控主机采用变电站现有的光纤以太网进行报文传输。

1.3监控中心(站控层)

监控中心负责接收、解析安全测控主机上传的报文，对监测数据进行计算、分析、显示、预警和存储，根据用户操作对测控主机下发测控命令，为集成信息平台提供信息共享接口。

2智能变电站安全在线监测系统的硬件设计

2.1周界安防监控终端的硬件设计

周界安防监控终端负责检测变电站周界的入侵信号，并将信号上传给安全测控主机，调动网络摄像机采集入侵动作的视频信息。为提高系统对入侵信号检测地灵敏性及可靠性，系统采用基于激光对射技术的激光围栏，可以自动克服落叶、鸟类等因素对其造成的干扰，防止误报警。主要包括MCU、电源模块、ZigBee无线模块、激光围栏、声光报警模块等部分。MCU采用PQFP封装的STC89C51ＲC，是一款体型小巧，功耗较低的单片机。ZigBee无线模块采用某公司的XBeePro模块，内置ZigBee协议栈，即插即用，组网灵活，配置简单，体积小巧，支持AT和API两种命令方式。本系统采用网状拓扑结构，ZigBee模块配置为终端节点或路由节点，具体方式要根据距离安全测控主机端的协调器节点的长短而定。

2.2温度在线监测终端的硬件设计

温度在线监测终端负责采集运行设备的实时温度信息，由温度采集器和若干温度传感器组成。由MCU、电源模块、存储器模块、声光报警模块、ZigBee无线模块、射频发送模块、射频接收模块及调制解调模块等部分组成。为降低系统功耗，提高性能，从硬件芯片选型到电路设计及软件实现上都侧重于低功耗的设计实现。例如，MCU采用某公司的基于AＲMCortex-M3内核的微控制器LPC1768，运行速度高达100MHz，带有独立电池供电的超低功耗ＲTC和全新的中断唤醒控制器。ZigBee无线模块同样采用某公司的XBeePro模块，并根据距离安全测控主机的长短配置为终端节点或路由节点的工作方式，负责将采集到的温度信息、温度越限告警及传感器故障告警等数据发送给安全测控主机。温度传感器节点基于声表面波测温技术，在压电基片上采用微电子工艺制作而成，通过射频信号与温度采集器进行信息交换。接收到的射频信号通过输入叉指换能器转化为声信号，在压电晶体表面进行传播，输出叉指换能器将从反射柵发射过来的携带温度信息的机械波(声表面波)转换为电信号，以射频信号发给采集器。由于声表面波温度传感器无源无线的特点，克服了其他无线测温方式中存在的传感器电池供电不可靠，测温点绝缘性差、更换电池困难等弊端。需要强调的是，由于温度在线监测终端分布在变电站的多个关键测温处，如高压开关柜母排，电缆接头等复杂环境中，存在遮挡、干扰等影响因素，且采用无线的方式进行传输，天线的质量及位置对测温系统的可靠性起着关键作用。所以，该系统将温度传感器节点的失灵故障作为监控的一项重要参数，当出现某个温度传感器节点测温异常时，温度采集器会向安全测控主机发出告警信号，以便及时通知运维人员检查并调整接收天线位置及角度。

3智能变电站安全在线监测系统的软件设计

3.1周界安防监控终端的软件设计

周界安防监控终端主要实现周界入侵信号的检测与上传等功能，软件流程如图5所示。系统上电后首先进行系统初始化，包括硬件中断和IO的软件置位，以及ZigBee无线模块的初始化等。为了提高系统性能，减少网络负担，入侵信号以中断的方式进行触发;系统采用主动上报的方式，在收到布防命令后，除非轮询到撤防命令，否则一直处于监听入侵信行分解，依据IEC61850第二版新增的温度传感器逻辑节点TTMP及温度监测逻辑节点STMP，基本能够满足设备温度监测及越限告警的功能。但是标准中没有定义适合温度传感器故障告警及变电站周界安防入侵告警的逻辑节点，所以根据建模的原则，在逻辑节点TTMP中扩展新的数据Alm(类型为SPS)表示温度传感器故障告警信息，通过继承通用过程IO逻辑节点的GGIO类来完成周界安防的入侵报警和控制信息。

3.2逻辑设备建模

逻辑设备根据安全监控系统的功能，划分为公用逻辑设备LD0、测量逻辑设备MEAS、安防监控逻辑设备MONI。需要说明的是，该系统仅在站控层网络采用了IEC61850标准，在过程层采用ZigBee无线传感器网络进行数据传输。所以将上述各个逻辑设备建模到一个服务器当中，并放在MMS访问点S1下。通信方式采用客户端/服务器的通信模式。

4结论

智能变电站是智能电网建设的重要组成部分，其最重要的特征是一次设备智能化和二次系统网络化。一次设备智能化意味着对一次设备实现广泛的在线监测，将设备检修策略从“定期检修”变成“状态检修”。

参考文献：

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