无线传感网技术（物联网技术）在智能电网中输变电设备的在线监测与电量采集系统中的开发和应用.doc

无线传感网技术（物联网技术）在智能电网中输变电设备温度在线监测与电量采集系统中的开发和应用一、 企业基本情况山东鑫隆实业有限公司成立于2000年，注册资本2000万元。拥有22名电力相关专业人员的技术团队，其中5名国内外知名的智能电网学术专家组成的专家顾问团和7位山东大学电气工程系博士、硕士、学士组成的研发团队以及10名具有电力行业丰富经验的业务支持和技术服务人员。公司高度重视与国内相关企业、高等院校、科研院所的交流合作，充分发挥合作优势，建立产学研战略联盟。公司依托中国科学院沈阳自动化所、清华大学柔性输电研究所、山东大学电气学院、山东大学信息学院、国家“电网智能化调度与控制”重点实验基地的科研实力，致力于输配电线路监测、变电站监测技术的研究、柔性输电电能质量改善及相关产品的研发、制造、推广和技术服务，提供电网状态智能监测、电能质量的整体解决方案，助力国家坚强智能电网建设。二、项目建设纲领及必要性1. 本项目相关国家电网公司实际生产力水平和今后的发展方向我国智能电网建设的主要工作和难点之一是建立对电网全面监测的安全体系和对电量使用的自动化计量及数据采集体系，全面解决电网运行状态信息缺失问题，建立统一的智能电网信息系统。利用传感器对重要设备的运行状况进行实时监控、进而实现电网设备可观测、可控制和自动化是智能电网设备的核心和目标之一。利用先进的自动电量信息采集与数据传输技术完成用电量抄收是电网获取用户用电信息的重要手段。目前我国电网对输变电设备的状态监控与运行维护还是以人工巡检为主。该方式存在对重要设备的状态信息获取实时性差、时间分辨率差的缺点。在电量采集方面，目前国网公司主推电力载波（PLC）通信方式的抄表系统，但此技术在实际应用中还存在抄收成功率低、可靠性不高、实时性低的不足。无线传感网与宽带移动通信网相结合的新一代物联网恰好为建立面向智能电网的新型信息体系提供了可行的解决方案。“十一五”期间，我国在新一代宽带无线移动通信网和传感网研究方面布署了国家科技重大专项、国家863计划等研究项目，取得了一系列研究成果，形成了丰富的技术积累。无线传感网技术采用低成本、短距离、低功耗无线通信方式构建集检测与数据传输功能为一体的网络，进而与宽带无线移动通信网结合，形成新型数据传输系统。该技术可应用于电网中目前采用的输变电设备在线监测与电量采集系统，形成安装方便、电气绝缘、监测精细的在线监测与电量采集系统，提高中国电网的智能水平和自动化水平。2. 项目成果对电网现状和技术发展的作用国家电网在推进智能电网建设，现有变电站的状态监控与运行维护还是以人工巡检为主。例如对断路器动作次数、避雷器泄漏电流与雷击次数、线路温度等均需要人工定期或不定期到现场观察表头读数。这些方法在使用中均收到一些条件的限制，如线路温度采用手持式红外热像仪巡检方式，这种方式在实际应用中受到测距限制和光强的限制，一般只能在距离被测点附近和夜间使用才能获得较好的测量精度，不能完成在任意时间的连续测量。智能化变电站建设是我国坚强智能电网的主要任务和重点工程之一。本课题紧密结合国家电网公司智能电网投资建设政策，面向电力系统实际需求，研制开发具有自主知识产权的先进终端和系统，提高中国电网的智能水平和自动化水平，从而更好的为社会服务。3. 成果应用和推广的途径本项目通过技术攻关可研发出应用于变电站关键点测温的原型装置，并构成系统进行示范应用，在经过应用完善后，形成详细设备制造说明书、使用规程等文件，并制定大规模推广计划。三、项目产品和技术水平1国内外研究水平的现状和发展趋势当前国际上工业通信技术的发展特点和趋势是网络化和智能化。网络化是适应工业现场仪表、控制设备不断增加，测控系统规模不断扩大的要求，将工业现场需要交互信息的单元组织成高效的通信系统；智能化是适应降低使用和维护成本、提高系统可靠性和易用性的要求，使测控系统具备自配置、自修复能力。目前国外基于工业无线技术的测控系统的发展还处于关键技术攻关和实验室测试验证阶段，工业无线通信的关键技术难题正在被逐渐攻克，市场需求非常旺盛，相关技术标准正在制定中，尚没有形成成熟的产品、标准和相关专利。在国内方面，中科院联合一些高校也正在积极开展相关技术的研究工作，并取得了丰富的技术积累。2006年7月份，美国仪表系统和自动化学会SP100标准委员会面向全球征集技术提案，国内的沈阳自动化所、浙江大学、重庆邮电大学等三家单位与Honeywell、GE、Siemens等国际著名公司分别提交了自己的技术提案，并于10月份进一步提交了技术白皮书。目前，沈阳自动化所已作为工作组成员参与工业无线标准SP100、现场总线基金会Wireless FF标准的制定工作，由中科院沈阳自动化提出的WIAPA国家标准已获批，国际标准进入实质性的正式标准形成阶段。2.国外研究机构或者公司对本项目的研究情况近几年，国外智能电网建设升温，信息与通信技术是其重要关键技术之一。2009年2月，IBM与地中海岛国马耳他签署协议，双方将建立一个“智能公用系统”，以实现该国电网和供水系统的数字化，其中包括在电网中建立一个传感器网络。IBM提供搜集分析数据的软件，帮助电厂发现机会，降低成本及碳排放量。美国能源部西北太平洋国家实验室协助建立了电网智能化联盟并进行实地示范，近期完成了高级需求响应网络太平洋西北电网智能化试验台。欧洲未来电网发展策略提出了欧洲智能电网的发展重点和路线图，信息和通信技术是其优先关注的重点领域之一。澳大利亚由国家电力委员会从2007年开始在全国范围内推行AMI项目，引入分时电价，使用户能够更好地管理电能消耗。澳大利亚GridSense公司开发出LineTracker产品，可完成最高138KV架空线路的无线监测，所监测的参数包括故障、保护动作、断电、负荷等，可提高安全性和供电质量，如图1所示。该产品分为传感单元、通信单元、远程监测数据收集单元和后台显示和分析单元。其中传感单元和通信单元构成的装置能完成功率因数、环境温度测量、故障录波、时序事件记录等功能，由太阳能供电，可人工在线路带电运行时安装。测量数据可先由检测装置本地记录，之后可通过无线下载供线路维护人员使用。图1 澳大利亚GridSense公司LineTracker产品加拿大cooperpower公司与美国AT&T公司合作研制了用于架空配电线路故障指示器（OutrageAdvisor）。如图2所示。cooperpower公司负责通过电流、电压法检测线路故障，AT&T公司提供无线通信技术。与二者结合的好处在于，与传统目测式故障指标器产品相比，供电部门不需要人工巡检线路也可以判断故障位置，大大缩短了故障排除时间，降低了人力成本。图2 加拿大cooperpower公司与美国AT&T公司合作架空配电线路故障指示器（OutrageAdvisor）3.国内其他研究单位对本项目的研究情况。电力系统中使用最多的通信方式目前还是有线方式，如电力线载波（PLC）、CAN总线、光纤等。但是PLC在电力线电流电压扰动环境下通信效果不佳并且成本较高，现场总线和光纤安装成本高。因此，一些国内大学、科研单位、公司等也对电力系统中的无线通信技术作了一些尝试。其中，使用最广泛的技术当属zigbee无线通信技术。Zigbee的设计主要面向个人和家庭近距离通信需求，对工业环境下的抗干扰能力考虑较少，此外zigbee采用树状结构，路由节点必须使用固定电源供电，网络的灵活性不高 。此外，辽宁电能有限公司在其各类无功补偿装置中加入了基于Mobitex无线通信技术的通信装置。但经武高院调查，这些在线监测系统普遍存在运行稳定性不高、供电方式不完善等不足。在数据传输技术方面，通信距离、抗干扰能力、通信能耗等指标还不能令人满意。尽管已经开展了一些初步的试制试验，但尚未形成规模。同时，由于缺乏统一的标准，导致设备或系统之间集成不便、不利于大规模推广。我公司联合沈阳自动化所、山东大学信息学院针对短程工业无线通信技术取得了一系列成果，达到国内一流水平。主要有：（1）基于同步通道切换的自适应跳频机制为了解决无线传感器网络在复杂环境中受到各种干扰影响，一般采取跳频的方式。传统跳频方式仅能解决短暂的随机干扰。沈自所开发的自适应跳频技术可以根据信道状况的历史信息，自动选择跳频方式，避开干扰剧烈的信道，达到较高的可靠性。整个跳频过程示意图如图3：图3自适应跳频示意图（2）基于实时性保证的动态多路径路由技术由于网络应用需要保证一定的实时性，同时工作在干扰环境下，因此，沈自所研发的动态多路径路由技术通过设置多路径，不同路径上发送重要报文的多个副本，达到实时可靠的目的。 （3）基于动态功率调节的空分复用技术变电站内设备位置比较分散，可以根据这一特点采用空间复用技术，使网络容量增加。同时也要考虑空间复用带来的隐藏终端问题。我公司研发的动态功率调节技术，防冲突空间复用技术，动态带宽分配技术以及基于空分的网络拓扑控制技术可以解决这一问题。（4）基于能量均衡、休眠的低功耗技术为传感器节点供电的电池或太阳能、风能等能提供的能源有限，为了使网络能够长期的运行，需要采用节能技术。沈自所研发的面向应用的按需通信/休眠技术和基于能量优先的簇首选择技术。有效地解决了这一问题。（5）密闭小空间内的射频抗干扰技术在变电站中，建筑物大多采用采用金属屏蔽，同时内部设备排列比较紧凑，构成了密闭小空间，电磁波的传输会受到屏蔽、反射、折射、绕射等影响，信号情况复杂，通信难度大大增加。沈自所在前期工厂项目中，已经通过最优网络部署，无线有线结合等策略较好地解决了这一问题。沈自所目前研制成功了多个通信频段的无线通信模块（2.4GHz，433MHz等），采用单处理器加辅助硬件结构、硬件加速器加缓存的结构、共享单总线结构等；在通信软件设计方面，建立以微操作系统为核心具有低开销特征的嵌入式软件运行、调试和动态加载平台。无线通信模块如图4所示。 图4 无线通信模块无线通信模块具有以下特征：l 节能低功耗：微处理器和射频收发器是节点主要的能耗部件，其能耗特征不同。需要在硬件结构设计的过程中降低二者耦合程度，提供节能控制与管理系统。l 并发性处理能力：硬件结构需要具有处理细粒度并发事件的能力，实现节点高性能需求。l 灵活接口：硬件结构需要具有满足多种应用要求的能力，为面向不同应用的协议栈和应用软件提供丰富的硬件接口。l 可重构的模块化设计：硬件结构采用模块化设计，需要具有可重构能力，系统可以针对不同应用需求调整其加载的传感器种类、无线频率和微处理器的选择。l 低开销：在满足应用需求的前提下，尽量降低对存储资源、计算资源和能量的使用。l 可移植性：可以满足多种应用需求，针对不同的需求进行裁剪，并可实现在不同硬件平台间移植。l 可靠性：在缺少硬件机制（如页面保护）支持的条件下，提供鲁棒的任务调度服务。l 动态加载程序：根据应用需求，系统可以通过无线电通信远程动态加载应用程序，实现系统的运行时动态可编程能力。沈自所还研制基于上述通信模块的通信设备，具备如下特征：l 具备多种通信接口，包括以太网，RS485，RS232等等。l 支持工业总线常用的通信协议。l 可通过TCP/IP协议接入中高速传感网或移动通信网。l 可替代现有通信线缆。上述无线通信设备的外观如图5所示： 图5 具有多种通信接口的无线通信设备4项目的理论和实践依据1. 研究内容原理采用无线传感器网络技术构成的网络具有以下优点：（1） 频段为免许可开放频段，在本地构成网络，不需要专用公网支持。（2） 通信距离从几十米到上千米可调。（3） 通信模块集成度高，功耗低。（4） 通信节点通过相互间的报文交互可以自己形成网络，当前网络通信遭到破坏后可重构网络。（5） 远程通信节点可以通过其它通信节点以接力的方式与接入点通信（6） 如果直接通信被阻可建立绕碍路径本项目具体研究该技术在测量变电站设备温度在线监测中的应用。（1）变电站关键设备温度测量目前，在建的智能化变电站一般采用光纤及工业现场总线通信方式。近年来由于短程无线技术的迅速发展，由于无线通信技术便于设备的安装维护，并具有天然的电隔离优点，人们开始探索将无线技术应用于智能化变电站中。导线测温方面。导电连接分为固定接触和可动接触两类。常有多种原因造成接触不良，例如机械振动、触头烧蚀而造成接触处温度升高，引起接触处氧化，使接触电阻进一步增加，温度进一步上升，出现局部熔焊或产生火花甚至电弧放电，殃及周围绝缘材料，最终造成电气设备的损坏。因此，对开关设备导电连接处进行温度监测，实现过热报警，是避免重大事故发生或控制故障恶化的有力手段，从目前生产运行的情况看，温度的在线监测有良好的应用前景。2. 研发的关键和难点将基于无线通信的传感器网络技术应用于输变电设备在线监测与电量采集系统，需要解决现有面向商用的无线通信技术未曾考虑的特有问题：1）复杂环境下的可靠通信问题：本项目的应用场合处于野外、高电磁环境等条件下，对于无线通信的可靠性提出了挑战，本项目必须解决可靠通信问题。2）实时性：对于局放检测及定位应用，要重点解决数据传输的实时性问题。3）节能运行：为了取得较长的免维护时间，检测设备要能在无外界专用电源的条件下工作至少五年以上。四、项目产品系统硬件组成图1 给出了输电线路负荷/温升在线监测系统组成。 图1 输电线路负荷/温升在线监测系统框图输电线路负荷/温升在线监测系统主要由监控中心和远端监测装置组成。u 监控中心（MS，Master Station）是整个系统的监控和管理中心，实现所有监测信息的汇集、处理、分析、显示、控制等功能。u 远端监测装置（RTU，Remote Terminal Unit）是用于输电线路导线负荷、温度和该区域环境温度在线监测的各种装置的总称。包括输电线路负荷/温升在线监测终端（简称电流温度检测终端）、环境温度在线监测终端（简称温度检测终端）和数据采集终端。系统软件输电线路负荷/温升在线监测系统可实现以下功能：n 可实时监测、定时采集记录并显示导线温度、导线负荷和环境温度（如图5所示）；图 5 输电线路实时负荷/温度显示图n 可查询同一监测点的导线温度、负荷和环境温度的历史数据和当前数据，并可通过统计表、曲线图、柱状图等多种形式进行展示（如图6所示）；图 6 负荷/温度数据统计图n 可实现对任一监测点的三相输电导线的温度对比分析和显示，以及当三相温差超过门限时进行报警；n 可实现对任一监测点的三相输电导线的负荷对比分析和显示，以及当三相负荷不平衡时进行报警；n 可实现对任一监测点的三相输电导线温度和负荷的综合对比分析，以及重载预警和过载报警；n 可通过数学模型对输电导线温度、负荷和环境温度等历史数据进行综合分析，获取满足线路安全运行的负荷范围，作为输电线路容量调整的重要依据，并根据实时数据计算出线路输电量的裕度；n 可结合其他高级应用（气象、导线弧垂等）的数据和信息，进行更全面地综合分析，得到更可靠、更准确的输送容量分析和预测。节点处长期处于室外环境下，会出现氧化，造成温度升高、打火等现象，给变电站供电带来很大的安全隐患，负荷设备主要安装在变电站负荷较大的位置，如入线端、出线端。五、项目投资、资金来源及经济和社会效益预测：1、项目投资5000万元，引进高水平物联网技术人才，购置新研发中心、购置先进试验设备和检测设备。2、资金来源，自筹2500万元，贷款2500万元。3、成果推广后的直接和间接效益1.电网安全监控可以提高输电效率目前，国网公司的骨干电网安全监控不多，并且需要大量的人力维护