智能電網線路安全實時監控裝置的製作方法
2023-06-27 06:48:31
本發明屬於智能電網通信技術領域，具體涉及智能電網線路安全實時監控領域。
背景技術：
智能電網的解釋包含有3個層面的含義：首先是利用傳感器對輸電關鍵設備的運行狀況進行實時監控，然後把獲得的數據通過網絡系統進行收集、整合，最後通過對數據的分析挖掘，達到對整個電力系統運行的優化管理。數據質量的好壞直接影響著後續數據挖掘優化管理的準確性和有效性，通過實時的監測預警並輔以有效的控制措施，可以加強對數據來源質量的預判和綜合判斷能力，減輕異常的數據質量帶來的危害。
由於通道狀況、參數設置、系統運行、硬體平臺、省市轉發、人為因素等多種原因均會影響智能電網輸電的質量，定期的人工現場觀測是一種有效且直觀的監測方法，但監測周期長，對技術人員的經驗要求高，並且存在一定的安全隱患，在潮溼多雨大風等惡劣天氣情況下，突發事件對技術人員處理分析要求的技術含量高。因此，智能電網的實時監控非常必要。
當前智能電網中常用的數據質量控制方法，即監測方式，主要有：1)基於統計的校驗方法，即，將數據點是否符合以前的統計規律作為異常與否的判定依據；2)多個數據來源的數據校驗，即，對於同一數據如果有多個數據來源，可以將這些數據做比對，如果誤差大於設定的閥值則報警；3)基於數據間關聯關係的數據校驗，即，根據電網拓撲和業務邏輯來判斷多個數據間是否滿足相關約束。
目前關於數據質量預警監測的評價是個十分棘手但需要討論的問題。每個監控中心的運行環境狀況不同，在數據質量異常發生機理並不清楚的情況下進行評價是比較困難的。這種局限性引起的預測準確率低下很可能導致數據質量異常初期預警發布的滯後以及控制措施的拖延，延誤了最佳控制時期。因此，本地化的預判和實時控制也顯得相當重要，且有利於減小後期人力物力的投入。
選擇數據質量控制方法是智能電網數據質量控制過程中的核心。為了選擇合適的質量控制方法首先必須對數據本身的特點進行分析，這一般有數據正態性判斷、數據誤差正態性判斷以及數據量的大小甚至數據分組處理等等。目前常用的數據質量控制方法有基於統計的校驗方法、多個數據來源的數據校驗方法、基於數據間關聯關係的數據檢驗方法等。數據質量控制結果一般通過散點圖、擬合圖、點線圖等圖來分析當前電網環境的狀況以及趨勢。數據質量控制的目的不單單是為了顯示當前的電網環境狀況，其目的還要數據質量控制結果的存儲以達到通過數據積累了解規律。
而現有的自動監測站大都採用人工巡檢工作模式，所需人力資源多，勞動強度大，採集信息較少，效率較低，監測範圍有限，無法滿足規範化要求；並且部分智能監測站出現長期運行穩定性差，壽命短，維護工作量大，實效性差，應急響應滯後等難點。
技術實現要素：
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種集現場檢測、遠程預警和綠色響應於一體的智能電網數據來源質量實時監控裝置，即智能電網實時監控裝置。該裝置能夠實時監測智能電網數據傳輸線路等參數，數據經無線通信模塊傳輸至監測中心，用以評估數據來源質量的預警等級，並實時通過裝置上的數據控制模塊給出預警和監控。
本發明所公開的智能電網線路安全實時監控裝置，包括處理控制單元、通訊模塊、傳感器模塊、電源模塊和變送器模塊，其中，處理控制單元用於控制通訊模塊與其它節點間和監控中心之間的通信，對接收的傳感器採集的數據進行分析處理，並對執行器下達指令；傳感器模塊採用多參數模式，用於採集線路狀況數據；通訊模塊與監控中心連接通信，用於傳送本地數據和接收監控中心指令信息；送變器模塊用於將傳感器輸出的信號轉變成可被處理控制單元識別的信號；電源模塊用於監控裝置的供電。
進一步的，電源模塊包括電源監控電路以及供電模塊；其中，電源監控電路用於監控處理器單元、傳感器模塊所需的電壓是否正常；供電模塊包含兩套太陽能供電單元，分別用於處理控制單元和傳感器模塊的供電。
進一步的，通訊模塊包括射頻模塊和/或GPRS模塊，GPRS模塊用於與遠程監控中心直接通信，射頻模塊用於與本地監控中心的短距離通信。
進一步的，該裝置還包括協處理器，協處理器用於輔助處理控制單元完成對接收的傳感器採集的數據進行分析處理。
進一步的，協處理器用於將經變送器模塊放大的傳感器採集信號採樣並轉換為對應物理量的數位訊號，和/或用於完成發送數據前信道預約避免衝突發生。
進一步的，傳感器模塊包括電流傳感器和電壓傳感器，其中，電流傳感用於測量線路額定電流分量；電壓傳感器用於測量線路額定電壓分量。
進一步的，傳感器模塊還包括溫溼度傳感器，用於外部環境的溫溼度測量。
進一步的，傳感器模塊還包括風速風向傳感器，用於風速風向測量。
有益效果：
基於無線通信的監控裝置與現有的自動監測站相比，具有以下優點：
1)網絡容量大，監測密度高且範圍廣。基於GPRS模塊的無線通信方式利用了成熟、穩定的公共無線網絡，可以跨越很大的物理空間，增大覆蓋的監測區域，特別是對於不易架設有線網絡的邊遠地區和可移動裝置，減少盲區，適合大型區域等距離較遠和比較分散的布點。
2)採用短距離射頻通信模塊為傳感器節點的網絡化提供了物理層和MAC層的支持，組網後可使系統具有很強的容錯性能和自愈功能。
3)本裝置適用於分布式的監控方式，節點的空間分布更靈活，基本不受地理環境影響，可以全部覆蓋，沒有盲區，且每個裝置都能得到充分利用；由此使得，從不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比，通過分布式處理大量的採集信息能夠提高監測的精度，降低對單個節點傳感器的精度要求。
4)多參數傳感器集成方式，解決了傳統測量法測量周期長、測量參數少、測量點分布不一等問題，提高了監測數據的及時性、有效性，增強了預警的準確性、可靠性。而且裝置配備的傳感器可以直接檢測電網參數，即使發生監測中心沒有通報預警的突發情況，一旦被檢測到，節點也可以獨立於監控中心做出應急響應。
5)採用本裝置進行監控，無需布線，建站成本低，對生態環境影響小；在過程中不需要人工參與，也降低了運營成本。
附圖說明
圖1為線路安全實時監控裝置的結構示意圖
圖2為線路安全實時監控裝置的模塊框圖
圖3為線路安全實時監控的系統框圖
圖4為線路安全實時監控裝置的工作流程示意圖
具體實施方式
附圖1為本裝置一實施例的結構示意圖，圖中，1、2、3、4為太陽能電池板，5為外儀器艙，6為風速風向傳感器，7為電流傳感器，8為射頻天線，9為溫溼度傳感器，10為電壓傳感器。太陽能電池板共有四塊，呈十字形水平分布，保證從各角度都可以接收到太陽的輻照。電池板的四條短邊圍成的正方形即為外儀器艙的頂部，其上安裝有風速風向傳感器6，7為電流傳感器，9為溫溼度傳感器，10為電壓傳感器以及用於無線通信的射頻天線8。安裝過程中，電流、電壓、風速風向、溫溼度傳感器四種器件應互不遮擋，並且較高的離地距離可以使通信距離更遠，儀器艙頂層蓋板與四種器件的連接處密封以防滲水。四種傳感器器件的正下方為處理器單元，以便不被陽光直射和雨水淋溼。四種傳感器和射頻模塊直接由處理器的IO口控制。
附圖2為智能電網線路安全實時監控裝置的實施例的模塊框圖，線路安全實時監控裝置安裝於智能電網線路中的節點部位，其包括：處理控制單元、射頻模塊、GPRS模塊、傳感器模塊、電源監控電路以及供電模塊、變送器、協處理器。
其中，處理器控制單元可採用TI公司的CC2430低功耗無線單片機，它集成了行業領先的射頻2.4GHz收發器CC2420，以及工業級、小體積的8051微處理器，具有集成度高、功耗低的特點。CC2420收發器用於接收傳感器採集數據，它支持的IEEE 802.15.4協議採用了CSMA－CA的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和衝突；其MAC層採用了完全確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息，增強了無線通信的可靠性。作為處理器控制單元核心的內置8051處理器主要起著兩方面作用：1)用於控制射頻模塊、GPRS模塊與其它節點間和監控中心之間的通信；2)採集傳感器的數據，並作簡單的分析處理，同時結合監控中心下達的預警等級對執行器是否工作及工作強度作出判斷。
為減輕系統處理器控制單元主處理器的負荷，還可採用協處理器晶片完成一部分特定處理任務，如採用CSMA/CA協處理器晶片，用於完成發送數據前信道預約避免衝突發生，還可用於將經變送器模塊放大的傳感器採集信號採樣並轉換為對應物理量的數位訊號。
射頻模塊用於短距離無線通信，即與本地監控站的連接通信。其包括射頻通信單元及射頻天線。射頻通信單元包含了片內的CC2420收發器和少量外圍元件，它與處理控制單元內置的8051單片機之間通過SPI接口通信，並和射頻天線共同構成短距離無線通信模塊。
GPRS模塊用於與遠程監控中心直接通信，將本地數據直接傳送給遠程監控中心或接收來自遠程監控中心的指令信息。
GPRS是在GSM基礎上發展起來的一種分組交換的數據承載和傳輸方式，在數據業務的承載和支持上具有非常明顯的優勢：通過多個GSM時隙的復用，支持的數據傳輸速率更高，理論峰值達115kb/s；不同的網絡用戶共享同一組GPRS信道，但只有當某一個用戶需要發送或接收數據時才會佔用信道資源。這樣，通過多用戶的業務復用，更有效地利用無線網絡信道資源，特別適合突發性、頻繁的小流量數據傳輸，很好地適應數據業務的突發性特點。
本發明的實時監控裝置使用GPRS模塊用於實現遠程數據的傳送，非常經濟實用，特別是對於不易架設有線網絡的邊遠地區和可移動裝置。本裝置內置的GPRS模塊與處理器控制單元通過RS-232串行接口進行通信，通信速率最快可以達到115200b/s。
GPRS模塊與控制器間的通信協議是AT命令集。除了串口發送(TX)、串口接收(RX)之外，微控制器與GPRS模塊之間還有一些硬體握手信號，如DTR、CTS、DCD等。本發明為了簡化處理控制單元微控制器的控制工作量，本裝置在硬體設計時不需要使用全部的硬體握手信號，而只使用數據載波檢測(Data Carrier Detect,DCD)和終端準備(Data Terminal Ready,DTR)信號。
傳感器模塊採用多參數模式，包括電流傳感器、溫溼度傳感器、電壓傳感器和風速風向傳感器等。傳感器輸出的信號在變送器內被放大，經協處理器採樣並轉換為對應物理量的數位訊號，通過RS-232接口上報處理器單元。
電流傳感器採用空心線圈結構，在全測量範圍內線性輸出，不存在勵磁電流和磁飽和，消除了相位差，提高測量精度和保證測量精度穩定性，無傳統的鐵芯，體積小，便於安裝，輸出弱信號，消除了過電壓危險，通過在裝置上設置分組抽頭，可實現一組裝置覆蓋寬測量範圍範圍。如K E C A—A1型傳感器，通過轉換擋，可覆蓋4OA-1 6 0 0A的額定一次電流，並保持穩定的精度。
電壓傳感器包括阻抗分壓器、電阻分壓器和電容分壓器，可直接與數字微處理器及保護裝置配套，無需接口裝換，設備選型靈活。
溫溼度傳感器可採用DHT22數位訊號輸出的溫溼度複合傳感器。該傳感器測溫、測溼的精度分別為0.1℃和0.1％RH。它與CC2430之間通過單總線方式連接，節省埠且時序簡單。
風速風向傳感器用於風速風向測量，可採用FC-5SX風速風向傳感器，風速風向傳感器輸出為0～5V電壓信號，風速測量範圍為0～50M/S，風向測量範圍為32方位角，具有很好的耐惡劣環境的適應性。
本發明設計的這種多參數傳感器集成方式，解決了傳統測量法測量周期長、測量參數少、測量點分布不一等問題，提高了監測數據的及時性、有效性，增強了預警的準確性、可靠性。而且裝置配備的傳感器可以直接檢測電網參數，即使發生監測中心沒有通報預警的突發情況，一旦被檢測到，節點也可以獨立於監控中心做出應急響應。
變送器模塊是把傳感器的輸出信號轉變為可被處理器識別的信號的轉換器，即，將傳感器輸入的非電量轉換成電信號同時放大以便供處理器測量和控制的信號源。傳感器和變送器一同構成自動控制的監測信號源。
本裝置的供電模塊包含兩套太陽能供電單元，即供電模塊I和供電模塊II，使得給處理器模塊與小功率的傳感器模塊獨立供電，減小相互幹擾，提高穩定性。電源監控電路用於監控處理器單元、傳感器單元所需的電壓是否正常。
結合附圖3所示，本發明設計的實時監控裝置採用了基於無線通信技術的監控方式，根據所需，安裝在電網線路的相應節點處。每個裝置本身又是傳感器和執行器的結合體，結合傳感器系統採集電流電壓、溫溼度等數據，與以往數據進行校對，執行監控操作或者執行異常數據報警操作，並顯示給用戶數據或者預警信息。在實際應用中，實時監控裝置根據監控需求被布置在整個觀測電網中的傳感器節點處，將採集到的有用信息通過初步的數據處理和信息融合後傳送給用戶。數據傳送的過程是通過GPRS模塊或短距離射頻通信模塊直接或間接地傳送給遠程監控中心或本地監控站。監控站或監控中心對每個節點傳回的數據進行綜合分析、判斷預警等級，並通過反向的通信鏈路下達給對應傳感器節點處的實時監控裝置，實時監控裝置結合自身對電網數據的實時監測結果，對異常數據進行預警。
本裝置採用的監測和控制方式是基於統計的校驗方法，具體是對電流電壓等信號進行收集相關的數據，通過系統採集數據，同時輔助監測系統的溫溼度、風速風向等氣象信息監測數據，根據天氣的變化，環境因素，在線監測系統能通過各種報表、統計的圖表，將電流電壓等數值與以往數據進行校對，對輸電線路進行系統的分析和綜合，然後把信息的顯示方式傳給用戶，讓用戶知道輸電線路的用電量和總體情況，如果誤差大於設定的閥值則報警。
圖4為實施例所示線路安全實時監控裝置的工作流程示意圖。工作流程具體如下：
實時監控裝置上電開始工作後，首先對串口、定時器、中斷、射頻模塊等進行初始化，選擇合適的波特率、定時喚醒周期和通信信道。然後嘗試和監控中心建立連接，連接成功後中心將該節點的實時監控裝置加入監控網絡。
節點通過本地定時和外部查詢的方式工作，當沒有上述事件觸發中斷時，處理器單元進入空閒狀態以降低功耗。如果檢測到中斷觸發，則判斷中斷類型。如果是本地的定時中斷，則首先判斷是否有正在執行的監控任務，任務是否完成。完成則檢測數據量，判斷是否需要預警；沒有完成，則執行器繼續工作。如果是射頻中斷，則判斷是否有監控中心發來的預警指令，當檢測到監控中心發來的指令時，根據指令類型進行相應的預警或傳感器讀取和數據發送工作；若沒有接收到監控中心的預警指令，則進一步判斷是否為查詢指令，如果是查詢指令，則傳感器模塊開始讀取相關數據，並發送至變送器，經協處理器採樣並轉換為對應物理量的數位訊號，通過RS-232接口上報處理器單元。
以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。