CN105372486A - 一种基于wsn的智能变电站能效检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于WSN的智能变电站能效检测方法，包括：S1)确定智能变电站中主变压器、站用变压器、电抗器、电容器其他智能设备等主要设备能耗计算信息参数，根据各参数在对应设备上安装相应的无线传感器；S2)将无线传感器组成无线传感器网络，并与能效监测平台无线连接；S3)采集各无线传感器的数据；S4)对智能变电站各设备的能耗参数在线采集；S5)对智能变电站的能耗情况进行现场检测。该方法可对新型智能变电站能耗全场景现场检测，检测数据通过WSN上传至能耗检测平台，并对能耗数据进行分析、评估，在线分析智能变电站运行能效状况。

Description

一种基于WSN的智能变电站能效检测方法

技术领域

本发明属于能耗现场检测领域，具体涉及一种基于WSN(WirelessSensorNetworks，无线传感器网络)的智能变电站能耗现场检测方法。

背景技术

随着全球节能减排的不断深入和应对高峰负荷压力的不断增大，对于承担着城市基础设施建设和能源供应双从身份的电网，提高其节能性更为重要。电力作为整个国家能源战略的核心要素，是国民经济的命脉,随着我国经济快速发展，电力建设也得到了长足发展。目前我国基本上进入大电网、大电厂、大机组、高电压输电、高度自动控制的新时代。目前,发电装机容量在2GW以上的电力系统11个,其中东北、华北、华东、华中电网装机容量均超过30GW,华东、华中电网甚至超过40GW,西北电网的装机容量也达到20GW。南方电力联营系统连结广东、广西、贵州、云南四省电网,实现了西电东送。其它几个独立省网,如四川、山东、福建等电网和装机容量也超过或接近10GW。虽然我国发电机总量上直线上升,但是电力工业能耗形势不容乐观。我国电力工业在供电煤耗、线损率、厂用电率、发电能源构成方面与发达国家相比还有很大差距。

智能电网作为未来电网的发展方向，渗透到发电、输电、变电、配电、用电各个环节，在上述这些环节中，变电站无疑是其中重要的一环，开展智能变电站能效评测与能效提升项目研究，有利于降低电网综合损耗，增加电网企业利润，促进变电站智能化的建设和发展。而对于智能变电站的能效评测与能效提升，这些都依赖于对智能变电站的能耗现场检测，找出具有节能潜力的地方，进行合理的节能改造。

同时，WSN是无线Ad-Hoc(自组织对等式多跳移动通信网络)网络的一个重要研究分支，是随着MEMS(微机电系统)、传感技术、无线通讯和数字电子技术的迅速发展而出现的一种新的信息获取和处理模式。它是由随机分布的传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成的网络，WSN具有造价低、规模大、分布式模式、无需布线、节约成本、面向具体应用、配置灵活、工作频段无需申请和付费、支持硬件加密等特点，现在已经在很多领域进行了成功的应用，比如军事应用、工业监测、数据采集等。

目前，经过对文献的检索，对于智能变电站能效检测方法尚未发现系统的无线传感网络在线检测及计算方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供了一种基于WSN的智能变电站能耗现场检测方法，该方法可对新型智能变电站能耗全场景现场检测，检测数据通过WSN上传至能耗监测平台，并对能耗数据进行分析、评估，在线分析智能变电站运行能效状况。

本发明所采用的技术方案是：一种基于WSN的智能变电站能耗检测方法，包括：

S1)确定智能变电站中各待测设备的能耗计算参数，根据各设备能耗计算参数在对应设备上安装相应的无线传感器；

S2)将无线传感器组成无线传感器网络，并与能效检测平台无线连接；

S3)采集各无线传感器的数据；

S4)对智能变电站各设备的能耗参数在线采集；

S5)对智能变电站的的能耗情况进行检测。

所述的方法，步骤S1中，智能变电站的待测设备包括主变压器、站用变压器、电抗器、电容器及其他智能设备；所安装的无线传感器包括电压传感器、电流传感器和频率传感器。

所述的方法，步骤S2具体包括：无线传感器的数据采集模块通过串行通信接口与数据处理模块相连，无线传感器再通过IEEE802.15.4与ZigBee协议与汇聚节点设备和网关设备组成无线传感器网络；能耗检测平台包括数据接收设备、数据显示设备、数据存储设备和微处理芯片，数据接收设备、数据显示设备、数据存储设备均和微处理芯片相连，数据接收设备与网关设备无线连接。

所述的方法，步骤S4的智能变电站能耗参数包括主变压器、电抗器、电容器、站用变压器的电能及其他智能设备的能耗，计算方法包括：

a.主变压器与站用变压器能耗ΔA₀按照下式计算：

${\mathrm{\ΔA}}_0={\left(\frac{U}{U_N}\right)}^2{\mathrm{\ΔP}}_0\·T+{\left(\frac{I_{if}}{I_N}\right)}^2{\mathrm{\ΔP}}_k\·T$

其中，ΔP₀为变压器空载损耗，U为变压器输入电压的均方根值，U_N为变压器额定电压，T为设备运行时间，ΔP_k为变压器短路损耗，I_if为变压器负载电流的均方根值，I_N为变压器的额定电流(应取与负载电流同一电压侧的数值)；

其中u、i分别为变压器电压传感器与电流传感器输出数据，t为时间；

b.电抗器能耗ΔA₁按照下式计算：

串联电抗器的损耗电能

式中，

I_N1——串联电抗器的额定电流；

I_if1——流过串联电抗器的均方根电流；

ΔP_k1——电抗器通过额定电流、温度达到75℃时的功率损耗，按厂家提供的手册查得；

i₁为串联电抗器电流传感器输出数据；

并联电抗器的损耗电能

U_N1——并联电抗器的额定电压；

U_if1——并联电抗器的运行电压；

ΔP_k1——电抗器通过额定电流、温度达到75℃时的功率损耗，按厂家提供的手册查得；

u为并联电抗器电压传感器输出数据；

则ΔA₁＝ΔA₁₁+ΔA₁₂；

c.电容器能耗ΔA₂按照下式计算：

并联电容器的损耗电能ΔA₂₁＝Q_c·tanδ₂₁·T

式中，

Q_c——并联电容器的容量；

tanδ₂₁——并联电容器的损耗角正切值，可取厂家的实测值；

串联电容器的损耗电能 ${\mathrm{\ΔA}}_{22}=3I_{jf2}^2\·{\mathrm{tan\δ}}_{22}\·T\×{10}^3$

I_jf2——流过串联电容器的均方根电流；

tanδ₂₂——串联电容器的损耗角正切值，可取厂家的实测值；

i₂为串联电容器电流传感器输出数据；

则ΔA₂＝ΔA₂₁+ΔA₂₂；

d.其他智能设备的站用电能耗E_c：

站用电能耗E_c通过在站用电计量表计上安装无线数据采集装置获取，无线数据采集装置将站用电计量表计上的数据无线传输给能耗检测平台。

所述的方法，步骤S5的检测方法包括：将各设备能耗情况汇总后进行环比和同比能耗比较。

本发明的优点：本发明提供了一种基于WSN的智能变电站能耗现场检测方法，该方法采用无线传感网络技术，可对新型智能变电站能耗全场景现场检测，检测数据通过WSN上传至能耗监测平台，并对能耗数据进行分析、评估，在线分析智能变电站运行能效状况。同时，该方法中采用无线传感器网络(WSN)，保证终端智能变电站能耗数据可靠、方便的上传至能耗监测平台，克服了传统有线数据采集方式布线不方便、恶劣环境下难以采集数据的困难，实现了智能变电站能耗与能效数据现场检测，检测系统维护成本低、安装方便、适应环境广泛等诸多优点。总之：本发明利用无线检测设备，可以实现所有数据的同步采集与传输；由于采用无线传输，数据处理器可实现对智能变电站的能耗情况检测与计算处理。

附图说明

附图1为一种基于WSN的智能变电站能耗现场检测框图。

附图2为无线传感器网络架构图。

具体实施方式

本发明提供了提供了一种基于WSN的智能变电站能耗现场检测方法，该方法可对新型智能变电站能耗全场景现场检测，对能耗数据进行分析、评估，在线分析智能变电站运行能效状况。该方法包括智能变电站能耗数据采集、无线数据传输和数据处理。数据采集包括智能控制柜、变压器、互感器、冷热源设备、光伏设备等主要设备电压电流参数；数据传输利用无线传感器网络(WSN)传输相应参数，网络包括相连的汇聚节点设备和网关设备，传感器与汇聚节点设备相连；数据处理主要对WSN传输的数据进行实时处理和分析，包括DSP(数字信号处理)处理器及上位机显示装置。该监测方法可对新型智能变电站能耗全场景现场检测，对能耗数据进行分析、评估，在线分析智能变电站运行能效状况

一种基于WSN的智能变电站能耗现场检测方法，主要包含以下步骤：

S1)确定智能变电站中各待测设备的能耗计算参数，根据各设备能耗计算参数在对应设备上安装相应的无线传感器；

S2)将无线传感器组成无线传感器网络，并与能效检测平台无线连接；

S3)采集各无线传感器的数据；

S4)对智能变电站各设备的能耗参数在线采集；

S5)对智能变电站的的能耗情况进行检测。

步骤S1中，智能变电站的待测设备包括主变压器、站用变压器、电抗器、电容器、站用电的电能及其他智能设备；所安装的无线传感器包括电压传感器、电流传感器、非嵌入式变压器参数监测传感器、电能表无线数据采集器。

步骤S2具体包括：无线传感器的数据采集模块通过串行通信接口与数据处理模块相连，无线传感器再通过IEEE802.15.4与ZigBee协议与汇聚节点设备和网关设备组成无线传感器网络；能耗检测平台包括数据接收设备、数据显示设备、数据存储设备和微处理芯片，数据接收设备、数据显示设备、数据存储设备均和微处理芯片相连，数据接收设备与网关设备无线连接。

步骤S4所采集的各设备能耗参数包括电压、电流，通过步骤S3的无线传感器获得。

步骤S5的智能变电站电能损耗包括主变压器、电抗器、电容器、站用电的电能及其他智能设备的能耗；计算方法包括：

a.主变压器与站用变压器能耗ΔA₀按照下式计算：

${\mathrm{\ΔA}}_0={\left(\frac{U}{U_N}\right)}^2{\mathrm{\ΔP}}_0\·T+{\left(\frac{I_{if}}{I_N}\right)}^2{\mathrm{\ΔP}}_k\·T$

其中，ΔP₀为变压器空载损耗，U为变压器输入电压的均方根值，U_N为变压器额定电压，T为设备运行时间，ΔP_k为变压器短路损耗，I_if为变压器负载电流的均方根值，I_N为变压器的额定电流(应取与负载电流同一电压侧的数值)；

其中u、i分别为变压器电压传感器与电流传感器输出数据，t为时间；

b.电抗器能耗ΔA₁按照下式计算：

串联电抗器的损耗电能

式中，

I_N1——串联电抗器的额定电流；

I_if1——流过串联电抗器的均方根电流；

ΔP_k1——电抗器通过额定电流、温度达到75℃时的功率损耗，按厂家提供的手册查得；

i₁为串联电抗器电流传感器输出数据；

并联电抗器的损耗电能

U_N1——并联电抗器的额定电压；

U_if1——并联电抗器的运行电压；

ΔP_k1——电抗器通过额定电流、温度达到75℃时的功率损耗，按厂家提供的手册查得；

u为并联电抗器电压传感器输出数据；

则ΔA₁＝ΔA₁₁+ΔA₁₂；

c.电容器能耗ΔA₂按照下式计算：

并联电容器的损耗电能ΔA₂₁＝Q_c·tanδ₂₁·T

式中，

Q_c——并联电容器的容量；

tanδ₂₁——并联电容器的损耗角正切值，可取厂家的实测值；

串联电容器的损耗电能 ${\mathrm{\ΔA}}_{22}=3I_{jf2}^2\·{\mathrm{tan\δ}}_{22}\·T\×{10}^3$

I_jf2——流过串联电容器的均方根电流；

tanδ₂₂——串联电容器的损耗角正切值，可取厂家的实测值；

i₂为串联电容器电流传感器输出数据；

则ΔA₂＝ΔA₂₁+ΔA₂₂；

d.其他智能设备的站用电能耗E_c：

站用电能耗E_c通过在站用电计量表计上安装无线数据采集装置获取，无线数据采集装置将站用电计量表计上的数据无线传输给能耗检测平台。

所述的方法，步骤S1、S2的方法具体为：在智能变电站中主变压器、站用变压器、电抗器、电容器、站用电的电能及其他智能设备等主要设备安装相应的无线传感器，并组成无线传感器网络，无线传感器网络包括相连的汇聚节点设备和网关设备，传感器与汇聚节点设备相连。基于WSN的智能变电站能耗现场检测系统主要由两部分功能单元组成，现场数据采集与传输单元和能耗检测平台。数据采集与处理单元主要由DSP数据处理器和电流电压传感器构成；能耗检测平台其主要功能是对智能变电站运行能耗参数数据进行实时计算、分析与显示。

下面结合具体实施例来进一步详述本发明。

本发明涉及一种基于WSN的智能变电站能耗现场检测系统与方法，主要是对智能变电站的能耗状况进行在线计算，并对智能变电站的能效状况进行科学的分析。该方法通过运用新型工业无线传感器技术，建立WSN网络，通过WSN上传监测数据，对智能变电站能耗数据现场在线检测。该方法可对新型智能变电站能耗全场景现场检测，对能耗数据进行分析、评估，在线分析智能变电站运行能效状况。

变电站能耗现场检测系统中的WSN(无线传感器网络)主要由固定在设备上依次相连的传感器节点、汇聚节点、网关和监控上位机组成。变电站能耗参数监测传感器所采集数据通过无线传感器网络上传至能耗检测平台。

一种基于WSN的智能变电站能耗现场检测方法，其主要步骤如下：

S1)确定智能变电站中主变压器、站用变压器、电抗器、电容器其他智能设备等主要设备能耗计算信息参数，根据各参数在对应设备上安装相应的无线传感器；

S2)将无线传感器组成无线传感器网络，并与能效监测平台无线连接；

S3)采集各无线传感器的数据；

S4)对智能变电站各设备的能耗参数在线采集；

S5)对智能变电站的的能耗情况进行现场检测。

具体实施步骤如下：

如图1所示，布置在智能变电站的传感器包括电压传感器、电流传感器、非嵌入式变压器参数监测传感器、电能表无线数据采集系统；传感器通过光电脉冲采样器采样后，依次通过Zigbee通信发射模块、Zigbee通信接收模块传输数据，然后通过电脉冲输入接收数据信息，传送到能耗检测平台。

1、智能变电站能耗参数通过传感器采集数据，主要数据为变压器、电抗器、电容器、站用电电能表等主要设备电压、电流、频率等相关参数。

2、智能变电站能耗数据通过WSN网络上传至数据采集单元，该单元主要包括DSP数据采集卡和基于ZigBee的无线数据传输单元。数据采集与处理单元主要由DSP数据处理器和电流电压传感器构成。

3、通过能耗检测平台对智能变电站终端传感器所采集数据进行处理和分析。

Claims (5)

1.一种基于WSN的智能变电站能效检测方法，其特征在于包括：

S1)确定智能变电站中各待测设备的能耗计算参数，根据各设备能耗计算参数在对应设备上安装相应的无线传感器；

S2)将无线传感器组成无线传感器网络，并与能效检测平台无线连接；

S3)采集各无线传感器的数据；

S4)对智能变电站各设备的能耗参数在线采集；

S5)对智能变电站的的能耗情况进行检测。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S1中，智能变电站的待测设备包括主变压器、站用变压器、电抗器、电容器及其他智能设备；所安装的无线传感器包括电压传感器、电流传感器和频率传感器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2具体包括：无线传感器的数据采集模块通过串行通信接口与数据处理模块相连，无线传感器再通过IEEE802.15.4与ZigBee协议与汇聚节点设备和网关设备组成无线传感器网络；能耗检测平台包括数据接收设备、数据显示设备、数据存储设备和微处理芯片，数据接收设备、数据显示设备、数据存储设备均和微处理芯片相连，数据接收设备与网关设备无线连接。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤S4的智能变电站能耗参数包括主变压器、电抗器、电容器、站用变压器的电能及其他智能设备的能耗，计算方法包括：

a.主变压器与站用变压器能耗ΔA₀按照下式计算：

${\mathrm{\ΔA}}_0={\left(\frac{U}{U_N}\right)}^2{\mathrm{\ΔP}}_0\·T+{\left(\frac{I_{if}}{I_N}\right)}^2{\mathrm{\ΔP}}_k\·T$

其中，ΔP₀为变压器空载损耗，U为变压器输入电压的均方根值，U_N为变压器额定电压，T为设备运行时间，ΔP_k为变压器短路损耗，I_if为变压器负载电流的均方根值，I_N为变压器的额定电流；

其中u、i分别为变压器电压传感器与电流传感器输出数据，t为时间；

b.电抗器能耗ΔA₁按照下式计算：

串联电抗器的损耗电能

式中，

I_N1——串联电抗器的额定电流；

I_if1——流过串联电抗器的均方根电流；

ΔP_k1——电抗器通过额定电流、温度达到75℃时的功率损耗，按厂家提供的手册查得；

i₁为串联电抗器电流传感器输出数据；

并联电抗器的损耗电能

U_N1——并联电抗器的额定电压；

U_if1——并联电抗器的运行电压；

ΔP_k1——电抗器通过额定电流、温度达到75℃时的功率损耗，按厂家提供的手册查得；

u为并联电抗器电压传感器输出数据；

则ΔA₁＝ΔA₁₁+ΔA₁₂；

c.电容器能耗ΔA₂按照下式计算：

并联电容器的损耗电能ΔA₂₁＝Q_c·tanδ₂₁·T

式中，

Q_c——并联电容器的容量；

tanδ₂₁——并联电容器的损耗角正切值，可取厂家的实测值；

串联电容器的损耗电能

I_jf2——流过串联电容器的均方根电流；

tanδ₂₂——串联电容器的损耗角正切值，可取厂家的实测值；

i₂为串联电容器电流传感器输出数据；

则ΔA₂＝ΔA₂₁+ΔA₂₂；

d.其他智能设备的站用电能耗E_c：

站用电能耗E_c通过在站用电计量表计上安装无线数据采集装置获取，无线数据采集装置将站用电计量表计上的数据无线传输给能耗检测平台。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S5的检测方法包括：将各设备能耗情况汇总后进行环比和同比能耗比较。