基于物联网的智能变电站在线监测系统的设计与实现.doc

专业硕士学位论文基于物联网的智能变电站在线监测系统的设计与实现The Design and Implementation of IntelligentSubstation Online Monitoring System Based On TheInternet Of Things张子成2013年 11月 国内图书分类号：国际图书分类号： 621.3学校代码： 100079密级：公开专业硕士学位论文基于物联网的智能变电站在线监测系统的设计与实现硕士研究生 ：张子成导师 ：张少敏教授企业导师 ：孙璐高工申请学位 ：工程硕士专业领域 ：计算机科学与技术培养方式 ：在职所在学院 ：控制与计算机工程工程学院答辩日期： 2014年 3月授予学位单位 ：华北电力大学 Classified Index:U.D.C:621.3Thesis for the Master DegreeThe Design and Implementation of IntelligentSubstation Online Monitoring System Based On TheInternet Of ThingsCandidate：ZhangzichengSupervisor：School：Prof.zhangshaominSchool of Control and ComputerEngineeringDate of Defence：March， 2014Degree-Conferring-Institution： North China Electric Power University 华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于物联网的智能变电站在线监测系统的设计与实现，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：日期：年月日华北电力大学硕士学位论文使用授权书基于物联网的智能变电站在线监测系统的设计与实现系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于（请在以上相应方框内打 “”）：保密，在不保密年解密后适用本授权书作者签名：导师签名：日期：年年月月日日日期： 华北电力大学硕士学位论文摘要电力系统的安全运行状况关系到国民经济的发展和人民生活的稳定。为保障变电站的正常运行，国网公司提出了智能变电站一次设备状态检修的目标。随着物联网技术的快速发展，基于物联网的变电设备在线监测技术已成为未来智能变电站发展的主线。对数字化变电站的改造升级，特别是在旧站的改造中，无线传感器网络以其不需布线、施工简单、易于扩展等优点，成为监测系统的重要实现方式。本文研究并归纳了设备状态监测的原理，以及物联网技术特别是无线传感器网络的基本原理与优势。其次本文分析了无线传感器网络在变电站设备监测系统中应用的可行性，针对变电站内网络特点设计了无线传感器网络的整体方案。基于变电站中的应用环境，分析传感器的选取，以及传感器抗干扰措施。并且对ZigBee无线网络的结构以及网络传输中采取的可靠性措施进行了介绍。分析了监测系统软件部分的功能要求以及技术手段，并对系统软件进行了展示。目前正值数字化变电站向智能变电站升级改造的阶段，本文所做的工作将为此提供一种有益的思路，具有较好的应用前景。关键词:状态监测；无线传感器网络；物联网；抗电磁干扰I 华北电力大学硕士学位论文AbstractSafe operation of the power system conditions related to the development ofnational economy and the stability of peoples lives. To ensure the normal operationof the substation， the State Grid Corporation made a smart substation equipmentcondition-based maintenance goals. With the rapid development of internet ofthings technology， internet of things based technology of substation equipmentonline monitoring has become the main line of development of future intelligentsubstation. Digital substation upgrading， particularly in the transformation of theold station， wireless sensor networks with its no wiring， simple construction，easy to expand， etc.， has become an important way to achieve the monitoringsystem.This paper summarizes the equipment condition monitoring and principles， aswell as the basic principles and advantages of internet of things technology，especially wireless sensor networks. Followed， this paper analyzes the feasibilityof wireless sensor network applications in substation equipment monitoringsystem， design characteristics of the overall scheme of wireless sensor networksfor the substation network. Based application environment of substation， analyzingthe selected sensors and sensor anti-electromagnetic interference measures. Andintroduced the structure of the ZigBee wireless network and the reliability measureswere taken in network transmission. Analyzed functional requirements of thesoftware part of the monitoring system and the technical means， hshowed systemssoftware. At a time when digital substation upgrade to intelligent substa tion， thework done in this paper will provide a useful ideas to this work， has goodapplication prospects.II 华北电力大学硕士学位论文KEY WORDS: condition monitoring ; wireless sensor networks ; the internet ofthing ; anti-electromagnetic interferenceIII 华北电力大学硕士学位论文目录摘要 .IABSTRACT. II第 1章绪论 . 11.1课题背景及研究的目的和意义 . 11.2国内外研究现状 . 21.2.1电力设备状态监测国内外研究现状 . 21.2.2物联网国内外研究现状 . 31.2.3无线传感器网络国内外研究现状 . 51.3本文的研究内容及结构安排 . 6第 2章变电站设备状态监测现状 . 72.1变电站设备状态监测 . 72.1.1变压器状态监测 . 72.1.2 GIS和 SF6断路器状态监测 . 82.1.3隔离开关和开关柜状态监测 . 82.1.4容性设备及避雷器状态监测 . 82.1.5设备状态监测的现实意义 . 92.2 IEC61850 . 92.3本章小结 . 10第 3章物联网与无线传感器网络相关知识 . 113.1物联网技术基础 . 113.1.1物联网体系架构 . 113.2无线传感器网络技术 . 133.2.1无线传感器网络简介 . 133.2.2无线传感器网络特点 . 143.3无线网络通信技术 . 153.3.1 ZigBee协议栈 . 153.3.2 ZigBee网络节点类型 . 173.3.3 ZigBee网络拓扑结构 . 18- IV - 华北电力大学硕士学位论文3.4本章小结 . 20第 4章系统网络结构设计 . 214.1无线传感器网络可行性分析 . 214.2系统网络结构整体方案介绍 . 224.3系统网络结构详细设计 . 234.3.1传感器的选取 . 234.3.2 ZigBee无线网络构建 . 244.3.2.1 ZigBee无线网络结构 . 244.3.2.2网络组建方式 . 254.3.3系统网络结构设备配置 . 264.4本章小结 . 29第 5章系统可靠性措施及无线网络测试 . 305.1传感器抗干扰措施 . 305.1.1电磁干扰来源 . 305.1.2接地技术 . 305.1.3选用频率低的微控制器 . 315.1.4去耦设计 . 315.1.5屏蔽技术 . 315.1.6印刷电路板抗干扰措施 . 325.2网络传输可靠性措施 . 325.3实际网络测试情况 . 335.3.1网络通信距离及接收灵敏度测试 . 335.3.2网络节点功耗测试 . 345.4本章小结 . 35第 6章变电设备在线监测系统软件的设计与实现 . 366.1软件需求分析 . 366.2软件详细设计 . 376.3软件数据库设计 . 386.4软件实现 . 436.4.1软件技术支持 . 436.4.2软件功能实现 . 456.5本章小结 . 49- V - 华北电力大学硕士学位论文第 7章结论与展望 . 50参考文献 . 51攻读硕士学位期间参加的科研工作 . 53致谢 . 54作者简介 . 55- VI - 华北电力大学硕士学位论文第 1 章绪论1.1课题背景及研究的目的和意义电力系统的安全运行关系着国计民生，随着经济的发展，用电需求不断增加，现代电力系统向高电压、大机组、大容量的方向发展，对电力系统供电可靠性的要求也越来越高，与此同时在信息高速发展的今天，日新月异的科学技术和逐年提高的人民生活水平也促使电力系统向着智能化的方向发展，数字化和网络化已成为一种必然的趋势。国家电网公司在 2009年首次公布了 “智能电网”的发展计划，智能电网是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，利用先进的传感和测量技术、信息通信技术、分析决策技术、自动控制技术和能源电力技术相结合，并与电网基础设施高度集成而形成的新型现代化电网 2。坚强、交互、自动化、信息化、环保和经济性是智能电网的主要特征，智能电网要求能够实时监测电网的运行状态，在人工干预尽可能少的情况下及时发现故障并自我恢复，以提高电网运行的安全性和可靠性。智能电网包含了电力系统中的发电、变电、输电、配电、调度和用电六大环节，它能够实现可观测（监测电网所有设备的状态）、可控制（控制电网所有设备的状态）、完全自动化（可自适应并实现自愈）和系统综合优化平衡（发电、输配电和用电之间的优化平衡），从而实现电力系统更加清洁、高效、安全、可靠运行。电网的智能化对电力系统的安全运行提出了更高的要求，影响电力系统安全稳定运行的因素众多，其中一个重要因素就是电力设备自身的运行安全。变电站作为衔接智能电网六大环节的关键，是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的重要电力设施，将各级电压的电网联系起来，在电力系统中起着枢纽的关键作用 1。变电站内电力设备安全、正常运行是电力系统保证电力安全传输的最重要的因素之一。我国在 2 0世纪 50年代初期开始在电力领域内推行以时间周期为基础的设备定期检修制度，为电力设备的安全运行提供了一定保障。但是，这种检修方式受到客观因素（如：周期固定性、检修经验性，不同设备有不同的运行环境等）和主观因素（如：工作死板，人工缺检、漏检等）的双重影响，使得这种检修方式暴露出多种问题：站内可靠性低、停电次数多以及人员工作量大且检修费用高等 7。在传统检修方式暴露出的矛盾日益增多和电力工业、供电技术迅速发展的双重推动下，变电设备在线监测技术应运而生。但是早期的监测存在着稳定性差、信号失真、工艺落后、监测标准不具体等多种问题且安装工作- 1 - 华北电力大学硕士学位论文量大、维修困难。尽管这种监测技术可以大幅度地提高电网的安全运行，但由于上述问题的普遍存在，大多数在线监测系统都出现了数据不可靠、数据不规范、数据不能真实反映设备状态的问题，起不到监测设备状况的作用，从而阻碍了这种新技术的推广和应用。与此同时变电站中起初的各个厂家的在线监测设备大都各自为战不成体系，分别进行数据采集、数据分析和结果输出，使数据结构不兼容缺乏统一的管理。随着技术的逐步发展和问题的逐渐增多，意识到建立统一的、综合的、智能的智能变电站设备在线监测系统的必要性。物联网技术正契合这一实际发展的需求。物联网具有获取、分析、处理、控制和反馈信息的能力，可以实现人类社会与物理系统的整合。将物联网应用于智能变电站的建设过程中是信息时代发展到一定程度的必然结果，可以实现对设备的实时管理和控制。应用物联网技术，通过对外部世界的感知，构建无限传感器监测网络对变电站设备的运行状态进行全方位实时监测。在现有的电力系统设备监测应用中，基本上都是通过有线介质进行连接，有线线路的实施过程中工程量大、线路不易扩展，并且在某些特殊的地理环境和现场中，布线会受到限制而无法实施。无线传感器网络通过无线方式进行通信，不仅摆脱了有线的束缚，而且还具有可移动性强、易扩展和升级的优势。随着传感器技术和通信技术的不断发展，无线传感器网络已经开始逐渐运用到了变电站电力设备在线监测领域之中。物联网把各种供电和用电设备连成一体，在智能电网领域得到广泛的应用，是当今电力系统发展的主要趋势和方向。将物联网技术运用到智能变电站电力设备的在线监测之中，对于保障电力系统的安全稳定运行具有重要的意义，同时对于保障变电站设备安全稳定运行、提高变电站自动化水平以及促进智能电网的数字化、网络化发展都具有十分重要的意义和实用价值。1.2国内外研究现状1.2.1电力设备状态监测国内外研究现状绝大多数电气设备都在不同程度上发展了各类状态监测项目，状态监测在电力系统中越来越受到有关管理、科研、运营和工程技术人员的重视。状态监测系统采用高灵敏度的传感器采集运行中的设备信息，利用有丰富软件支持的计算机网络进行信息的处理和识别，通过状态监测可以引进一些真实反映设备运行状态的特征量，从而实现对设备运行状态的综合诊断。国际上，状态监测已成为非破坏性检测（ Non Destructive Testing，NDT）下属的一个活跃分支。状态监测应用较普遍的地区主要是北美和欧洲， 早在- 2 - 华北电力大学硕士学位论文1951年，美国西屋公司和约翰逊就针对运行中的发电机因槽放电导致电机损坏的问题，研究并监视了电机运行条件下的槽放电现象。 20世纪 60年代美国率研究状态监测技术，成立了庞大的研究机构，每年召开 1-2次学术交流会议，每年都有大量的研究报告、学术论文发表。美国电力科学院（ EPRI）是国际电力工业科学研究的权威机构，它的监测与诊断中心在状态监测方面作了大量工作。加拿大 SYPROTEC INC公司开发了测量一氧化碳的状态监测仪。加拿大的电力工业也很发达，因此电力部门更注重电力设备状态监测，致力于提高供电可靠性和延长设备的使用寿命。其他监测装置的研究还包括：日本东京电力公司研制的油浸变压器实时分析仪，经高分子膜后可以分析各种气体的浓度，然后由专家系统诊断故障种类、故障程度等；加拿大、美国等也已开发了变压器油中气体分析诊断专家系统。在国外由于在线监测的应用，取得了良好地经济效益。国内在电力系统状态监测科研工作和试点工作起步并不晚，国家有关部门对在线监测高度重视。国内各大高校如武汉水利电力大学、西安交通大学、清华大学、中国电力科学院和科研院所、广州科立公司、武汉高德公司等厂商，都积极研究在线监测和故障诊断技术并投入了大量的力量进行开发，已经有实际的系统投入运行。国家电网公司也明确提出，从 2010年起开始全面推广实施设备状态监测，全面提升设备智能化水平，推广应用智能设备和技术，实现电网安全在线预警和设备智能化监控。目前湖北、广东、甘肃、安徽等省都在积极推广在线监测，在线监测已大范围铺开。通常，电气设备状态监测系统包括以下基本过程：信号检测、信号采集、数据处理和分析诊断。通过传感器感知所需要的参量，如光、电、温度、化学、流量等设备状态信号。信号采集系统对信号进行采集存储于存储器中，随后将传感器得到的模拟信号量转换成数字信号量进行传输。数据处理应用数字滤波技术对采集到的信号进行滤波处理，抑制和消除外界干扰，提取真实有效的信号。分析诊断系统依据所得的特征信号利用模糊逻辑、小波分析技术、专家系统、神经网络技术等方法得出诊断结果，从而得到所测量电气设备当前的运行状况。随着传感器技术、光纤技术、计算机技术、信息处理技术的 迅猛发展，状态监测技术正逐步走向实用化阶段。1.2.2物联网国内外研究现状目前，国外对物联网技术的研究和开发主要集中在少数发达国家。 物联网的实践最早可追溯到 1990年施乐公司的网络可乐贩卖机。美国是最早研究物联网相关技术的国家之一，早在 1991年麻省理工学院的 kevin Ash-ton教授就首- 3 - 华北电力大学硕士学位论文次提出了物联网的概念，随后在 1998年就提出了基于 EPC的物联网体系架构，对物联网的发展起到了强有力的推动作用。 2009奥巴马就任美国总统后，在一次科技会议上， IBM首席执行官提出的 “智慧地球 ”这个物联网理念，即把传感器放到电网、铁路、桥梁和公路等物体中，使用能量及其强大的计算机群，对整个网络内部人员和物体实施管理和控制，这一概念的提出引起了高度重视。同时，物联网的相关产业引起了美国工商界和全世界范围的广泛关注， 将新能源和物联网列为振兴经济的两大重点，认为物联网是世界信息产业的第三次浪潮。为了确保欧洲在新技术领域的主导作用，欧盟也加大物联网研究和投资力度。2009年 6月，欧盟委员会向欧盟议事会等提交了一份涉及物联网管理、隐私及数据管理等 14项内容的关于物联网的研究内容方案欧盟物联网行动计划。发布了新时期下物联网的行动计划。日本政府自 20世纪 90年代中期以来相继制定了多项国家信息技术发展战略。 2004年日本总务省（ MIC）提出“U-Japan”战略计划，力求实现人与人、物与物、人与物之间的连接，目标将日本构建成一个 “随时、随地、任何物体、任何人均可连接的泛在网络 ”，2009年7月日本 IT战略本部将 “U-Japan”上升到 “i-japan”战略，致力于构建一个融合机器人技术、纳米技术等众多高科技和新产品的物联网社会。韩国发展历程类似于日本，韩国部署了 U-Korea战略，并制定了出台了基于 IP的传感器网络基础设施构建基本计划，将物联网确定为新增长动力，确保韩国在信息时代的国家竞争力上处于第一阵营。此外，法国、澳大利亚等国也在加大物联网发展战略部署力度。我国在物联网相关技术上研究处于国际领先水平，在 1999年就开始传感器网络的相关研究。 2009年，温家宝“感知中国”的讲话把我国物联网领域的研究和应用开发推向了高潮。无锡市率先建立了“感知中国”研究中心，国家传感器网络创新示范区正式获得国家批准，该示范区的建立标志着我国从政府到地方都对物联网的相关技术研究和产业发展高度重视。物联网通过应用层最终实现信息技术与行业的深度融合，对国民经济和社会发展都具有广泛地影响。物联网在智能电网领域也得到了广泛地应用，国家电网公司提出了物联网研究规划的三个阶段：第一阶段（ 2010-2011年）为研究试点阶段，提出电力物联网系统总体架构模型，开展电力物联网信息处理需求和中间件需求的调研，初步形成电力物联网系统的架构及其应用需求；第二阶段（ 2012-2015年）为全面建设阶段，研发多种多功能传感器，在新能源并网、智能电表、输配电自动化、输电线路巡检、用电双向互动等关键领域取得突破，物联网在智能电网中得到广泛技术应用，促进相关产业发展；第三阶段（ 2016-2020年）为引领提升阶段，在公司范围内全面建成智能电网的统一业务个管理平台，在物联网专- 4 - 华北电力大学硕士学位论文用芯片、标准体系、信息安全、应用系统开发、无线宽带、软件平台、测试技术、实验技术等方面全面发展，主要业务应用达到国际先进水平，全面支撑智能电网建设。1.2.3无线传感器网络国内外研究现状随着微机电系统、片上系统、无线通信技术、传感器技术与集成电路技术等的迅速发展，传感器网络是近些年来国内外倍受瞩目的前沿热点研究学科。无线传感网络以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革，目前无线传感器网络技术在环境、生态、军事、农业、医疗、智能家居、工业监测等领域取到了充分的发展与应用。无线传感器网络技术的研究最早起源于 20世纪 80年代，美国国防部提出了“智慧尘埃”的概念，其目的主要为了满足美国军方的作战需求，监控地方的活动情况而不被察觉。 2005年，美国军方成功测试了由美国 Crossbow产品组建的枪声定位系统，作为一种强有力的手段为救护、反恐等提供支持。 2002年，英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，建立了第一个应用无线传感器网络监测园内气候与环境微变化的葡萄园，将无线传感器网络技术运用到了智能农业上。与此同时，美国交通部、能源部、国家航空航天局、大多数的著名院校都有专门的研究小组从事无线传感器网络关键技术的研究。我国无线传感器网络的研究几乎与发达国家同步启动，近十几年才得到了广泛的关注和快速的发展，总体来说基本仍处于发展阶段。 首次正式出现于1999年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告”中。从 2002年至今，已有多个与无线传感器网络相关的课题被国家自然基金委员会批准，国家 “十五”科技攻关项目也把传感网络列为重大研究项目，各大高校和研究所也在无线传感器网络方面进行了一系列研究工作。除此之外，越来越多公司也开始对传感网络技术的发展进行了关注。 2007年 7月，由华立仪表公司与江西省供电公司合作，在鹰潭市启动了一个新型的基于ZigBee方式的跨区集中抄表系统创新科研项目，开发了一款智能抄表平台，改进了人工抄表的弊端。其他一些公司在这方面也有一定的发展，并相继推出了针对无线传感器网络及 ZigBee无线通信的解决方案和面向一定产业应用的无线传感器网络系统的方案。- 5 - 华北电力大学硕士学位论文1.3本文的研究内容及结构安排本文以物联网应用为背景，构建了一个面向物联网的设备状态监测系统。具体的论文结构安排如下：第一章为绪论：介绍了课题的研究背景及意义，电力设备状态监测、物联网及无线传感器网络的国内外研究现状。第二章为变电站设备状态监测：对变电站内变压器、断路器、隔离开关、避雷器和容性设备等一次设备的状态监测和变电站内通信协议 IEC61850进行简单的介绍。第三章为物联网与无线传感器网络：对物联网的相关技术进行介绍，并重点对无线传感器网络的特点和通信协议进行了介绍。第四章为系统设计：对系统的总体方案进行了设计，包括传感器的选取，网络拓扑结构的设计以及设备配置等。第五章为系统可靠性措施及无线网络测试：对传感器以及网络传输抗干扰措施进行了介绍，并对网络传输距离和传感器节点的性能进行了测试。第六章为变电设备在线监测系统软件设计与实现：以 220KV变电站为例，介绍其所采用的变电站设备监测系统 MDS4000输变电设备状态监测与评估系统平台。最后一部分为结论与展望：对所做的工作进行了总结，并对基于物联网的智能变电站在线监测系统的发展进行了展望。- 6 - 华北电力大学硕士学位论文第 2 章变电站设备状态监测现状随着变电站智能化步伐的快速迈进，国内外对变电设备在线监测的技术也已初具规模。目前站内需要监测的一次设备主要有：变压器、断路器、隔离开关、避雷器和容性设备等。下面针对变电站内一次设备的状态监测进行简单的介绍。2.1变电站设备状态监测对运行状态下的电力设备直接进行的监测。监测既不影响系统正常的运行，又能直接反映运行中的设备状态，比停止运行时进行的离线监测更为有效、及时和可靠。所谓变电站设备状态监测是指利用传感、电子、计算机技术以及各相关领域的成果，通过对运行中的设备进行信号采集和传输、数据处理和逻辑判断，综合构成的辅助运行系统。变电站设备状态监测系统利用系统分析方法，结合系统运行的历史和现状，对设备的运行状态进行评估，以便了解和掌握设备的运行状况，并且对设备状态进行显示和记录，对异常情况进行处理，为设备的故障分析、性能评估提供基础数据。状态监测的原理就是通过传感器将能够反映设备状态的参量送入计算机，经过信号处理获得表征设备特征参数，在与根据历史数据和经验确定的阈值参数进行比较以判断设备的状态情况。2.1.1变压器状态监测对变压器运行状况进行在线监测，尽早发现潜伏故障，提出预警，避免发生严重事故。变压器状态在线监测的项目有：（1）色谱分析一般情况下，充油电气设备内的绝缘油在热和电场的作用下，会逐渐老化分解出少量的可燃性气体，该气体的成分、含量、增长速率与变压器内部故障的类型及严重程度密切相关。油色谱在线监测过程，是将变压器本体油经循环管路循环进入脱气装置，监测组分包括： H 2、CO、CO2、CH 4等，通过对变压器绝缘油中溶解的气体进行色谱分析。能较为准确地分析和判断出变压器内部的故障性质、严重程度、发展趋势及故障的大致部位