CN106655492A - 智能电网线路安全实时监控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能电网线路安全实时监控装置，包括处理控制单元、通讯模块、传感器模块、电源模块和变送器模块，其中，处理控制单元用于控制通讯模块与其它节点间和监控中心之间的通信，对接收的传感器采集的数据进行分析处理，并对执行器下达指令；传感器模块采用多参数模式，用于采集线路状况数据；通讯模块与监控中心连接通信，用于传送本地数据和接收监控中心指令信息；送变器模块用于将传感器输出的信号转变成可被处理控制单元识别的信号；电源模块用于监控装置的供电。本装置适用于分布式的监控方式，且多参数传感器提高了监测数据的及时性、有效性，增强了预警的准确性、可靠性。
Description
技术领域
本发明属于智能电网通信技术领域，具体涉及智能电网线路安全实时监控领域。
背景技术
智能电网的解释包含有3个层面的含义：首先是利用传感器对输电关键设备的运行状况进行实时监控，然后把获得的数据通过网络系统进行收集、整合，最后通过对数据的分析挖掘，达到对整个电力系统运行的优化管理。数据质量的好坏直接影响着后续数据挖掘优化管理的准确性和有效性，通过实时的监测预警并辅以有效的控制措施，可以加强对数据来源质量的预判和综合判断能力，减轻异常的数据质量带来的危害。
由于通道状况、参数设置、系统运行、硬件平台、省市转发、人为因素等多种原因均会影响智能电网输电的质量，定期的人工现场观测是一种有效且直观的监测方法，但监测周期长，对技术人员的经验要求高，并且存在一定的安全隐患，在潮湿多雨大风等恶劣天气情况下，突发事件对技术人员处理分析要求的技术含量高。因此，智能电网的实时监控非常必要。
当前智能电网中常用的数据质量控制方法，即监测方式，主要有：1)基于统计的校验方法，即，将数据点是否符合以前的统计规律作为异常与否的判定依据；2)多个数据来源的数据校验，即，对于同一数据如果有多个数据来源，可以将这些数据做比对，如果误差大于设定的阀值则报警；3)基于数据间关联关系的数据校验，即，根据电网拓扑和业务逻辑来判断多个数据间是否满足相关约束。
目前关于数据质量预警监测的评价是个十分棘手但需要讨论的问题。每个监控中心的运行环境状况不同，在数据质量异常发生机理并不清楚的情况下进行评价是比较困难的。这种局限性引起的预测准确率低下很可能导致数据质量异常初期预警发布的滞后以及控制措施的拖延，延误了最佳控制时期。因此，本地化的预判和实时控制也显得相当重要，且有利于减小后期人力物力的投入。
选择数据质量控制方法是智能电网数据质量控制过程中的核心。为了选择合适的质量控制方法首先必须对数据本身的特点进行分析，这一般有数据正态性判断、数据误差正态性判断以及数据量的大小甚至数据分组处理等等。目前常用的数据质量控制方法有基于统计的校验方法、多个数据来源的数据校验方法、基于数据间关联关系的数据检验方法等。数据质量控制结果一般通过散点图、拟合图、点线图等图来分析当前电网环境的状况以及趋势。数据质量控制的目的不单单是为了显示当前的电网环境状况，其目的还要数据质量控制结果的存储以达到通过数据积累了解规律。
而现有的自动监测站大都采用人工巡检工作模式，所需人力资源多，劳动强度大，采集信息较少，效率较低，监测范围有限，无法满足规范化要求；并且部分智能监测站出现长期运行稳定性差，寿命短，维护工作量大，实效性差，应急响应滞后等难点。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种集现场检测、远程预警和绿色响应于一体的智能电网数据来源质量实时监控装置，即智能电网实时监控装置。该装置能够实时监测智能电网数据传输线路等参数，数据经无线通信模块传输至监测中心，用以评估数据来源质量的预警等级，并实时通过装置上的数据控制模块给出预警和监控。
本发明所公开的智能电网线路安全实时监控装置，包括处理控制单元、通讯模块、传感器模块、电源模块和变送器模块，其中，处理控制单元用于控制通讯模块与其它节点间和监控中心之间的通信，对接收的传感器采集的数据进行分析处理，并对执行器下达指令；传感器模块采用多参数模式，用于采集线路状况数据；通讯模块与监控中心连接通信，用于传送本地数据和接收监控中心指令信息；送变器模块用于将传感器输出的信号转变成可被处理控制单元识别的信号；电源模块用于监控装置的供电。
进一步的，电源模块包括电源监控电路以及供电模块；其中，电源监控电路用于监控处理器单元、传感器模块所需的电压是否正常；供电模块包含两套太阳能供电单元，分别用于处理控制单元和传感器模块的供电。
进一步的，通讯模块包括射频模块和/或GPRS模块，GPRS模块用于与远程监控中心直接通信，射频模块用于与本地监控中心的短距离通信。
进一步的，该装置还包括协处理器，协处理器用于辅助处理控制单元完成对接收的传感器采集的数据进行分析处理。
进一步的，协处理器用于将经变送器模块放大的传感器采集信号采样并转换为对应物理量的数字信号，和/或用于完成发送数据前信道预约避免冲突发生。
进一步的，传感器模块包括电流传感器和电压传感器，其中，电流传感用于测量线路额定电流分量；电压传感器用于测量线路额定电压分量。
进一步的，传感器模块还包括温湿度传感器，用于外部环境的温湿度测量。
进一步的，传感器模块还包括风速风向传感器，用于风速风向测量。
有益效果：
基于无线通信的监控装置与现有的自动监测站相比，具有以下优点：
1)网络容量大，监测密度高且范围广。基于GPRS模块的无线通信方式利用了成熟、稳定的公共无线网络，可以跨越很大的物理空间，增大覆盖的监测区域，特别是对于不易架设有线网络的边远地区和可移动装置，减少盲区，适合大型区域等距离较远和比较分散的布点。
2)采用短距离射频通信模块为传感器节点的网络化提供了物理层和MAC层的支持，组网后可使系统具有很强的容错性能和自愈功能。
3)本装置适用于分布式的监控方式，节点的空间分布更灵活，基本不受地理环境影响，可以全部覆盖，没有盲区，且每个装置都能得到充分利用；由此使得，从不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比，通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精度，降低对单个节点传感器的精度要求。
4)多参数传感器集成方式，解决了传统测量法测量周期长、测量参数少、测量点分布不一等问题，提高了监测数据的及时性、有效性，增强了预警的准确性、可靠性。而且装置配备的传感器可以直接检测电网参数，即使发生监测中心没有通报预警的突发情况，一旦被检测到，节点也可以独立于监控中心做出应急响应。
5)采用本装置进行监控，无需布线，建站成本低，对生态环境影响小；在过程中不需要人工参与，也降低了运营成本。
附图说明
图1为线路安全实时监控装置的结构示意图
图2为线路安全实时监控装置的模块框图
图3为线路安全实时监控的系统框图
图4为线路安全实时监控装置的工作流程示意图
具体实施方式
附图1为本装置一实施例的结构示意图，图中，1、2、3、4为太阳能电池板，5为外仪器舱，6为风速风向传感器，7为电流传感器，8为射频天线，9为温湿度传感器，10为电压传感器。太阳能电池板共有四块，呈十字形水平分布，保证从各角度都可以接收到太阳的辐照。电池板的四条短边围成的正方形即为外仪器舱的顶部，其上安装有风速风向传感器6，7为电流传感器，9为温湿度传感器，10为电压传感器以及用于无线通信的射频天线8。安装过程中，电流、电压、风速风向、温湿度传感器四种器件应互不遮挡，并且较高的离地距离可以使通信距离更远，仪器舱顶层盖板与四种器件的连接处密封以防渗水。四种传感器器件的正下方为处理器单元，以便不被阳光直射和雨水淋湿。四种传感器和射频模块直接由处理器的IO口控制。
附图2为智能电网线路安全实时监控装置的实施例的模块框图，线路安全实时监控装置安装于智能电网线路中的节点部位，其包括：处理控制单元、射频模块、GPRS模块、传感器模块、电源监控电路以及供电模块、变送器、协处理器。
其中，处理器控制单元可采用TI公司的CC2430低功耗无线单片机，它集成了行业领先的射频2.4GHz收发器CC2420，以及工业级、小体积的8051微处理器，具有集成度高、功耗低的特点。CC2420收发器用于接收传感器采集数据，它支持的IEEE 802.15.4协议采用了CSMA－CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；其MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，增强了无线通信的可靠性。作为处理器控制单元核心的内置8051处理器主要起着两方面作用：1)用于控制射频模块、GPRS模块与其它节点间和监控中心之间的通信；2)采集传感器的数据，并作简单的分析处理，同时结合监控中心下达的预警等级对执行器是否工作及工作强度作出判断。
为减轻系统处理器控制单元主处理器的负荷，还可采用协处理器芯片完成一部分特定处理任务，如采用CSMA/CA协处理器芯片，用于完成发送数据前信道预约避免冲突发生，还可用于将经变送器模块放大的传感器采集信号采样并转换为对应物理量的数字信号。
射频模块用于短距离无线通信，即与本地监控站的连接通信。其包括射频通信单元及射频天线。射频通信单元包含了片内的CC2420收发器和少量外围元件，它与处理控制单元内置的8051单片机之间通过SPI接口通信，并和射频天线共同构成短距离无线通信模块。
GPRS模块用于与远程监控中心直接通信，将本地数据直接传送给远程监控中心或接收来自远程监控中心的指令信息。
GPRS是在GSM基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式，在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势：通过多个GSM时隙的复用，支持的数据传输速率更高，理论峰值达115kb/s；不同的网络用户共享同一组GPRS信道，但只有当某一个用户需要发送或接收数据时才会占用信道资源。这样，通过多用户的业务复用，更有效地利用无线网络信道资源，特别适合突发性、频繁的小流量数据传输，很好地适应数据业务的突发性特点。
本发明的实时监控装置使用GPRS模块用于实现远程数据的传送，非常经济实用，特别是对于不易架设有线网络的边远地区和可移动装置。本装置内置的GPRS模块与处理器控制单元通过RS-232串行接口进行通信，通信速率最快可以达到115200b/s。
GPRS模块与控制器间的通信协议是AT命令集。除了串口发送(TX)、串口接收(RX)之外，微控制器与GPRS模块之间还有一些硬件握手信号，如DTR、CTS、DCD等。本发明为了简化处理控制单元微控制器的控制工作量，本装置在硬件设计时不需要使用全部的硬件握手信号，而只使用数据载波检测(Data Carrier Detect,DCD)和终端准备(Data TerminalReady,DTR)信号。
传感器模块采用多参数模式，包括电流传感器、温湿度传感器、电压传感器和风速风向传感器等。传感器输出的信号在变送器内被放大，经协处理器采样并转换为对应物理量的数字信号，通过RS-232接口上报处理器单元。
电流传感器采用空心线圈结构，在全测量范围内线性输出，不存在励磁电流和磁饱和，消除了相位差，提高测量精度和保证测量精度稳定性，无传统的铁芯，体积小，便于安装，输出弱信号，消除了过电压危险，通过在装置上设置分组抽头，可实现一组装置覆盖宽测量范围范围。如K E C A—A1型传感器，通过转换挡，可覆盖4OA-1 6 0 0A的额定一次电流，并保持稳定的精度。
电压传感器包括阻抗分压器、电阻分压器和电容分压器，可直接与数字微处理器及保护装置配套，无需接口装换，设备选型灵活。
温湿度传感器可采用DHT22数字信号输出的温湿度复合传感器。该传感器测温、测湿的精度分别为0.1℃和0.1％RH。它与CC2430之间通过单总线方式连接，节省端口且时序简单。
风速风向传感器用于风速风向测量，可采用FC-5SX风速风向传感器，风速风向传感器输出为0～5V电压信号，风速测量范围为0～50M/S，风向测量范围为32方位角，具有很好的耐恶劣环境的适应性。
本发明设计的这种多参数传感器集成方式，解决了传统测量法测量周期长、测量参数少、测量点分布不一等问题，提高了监测数据的及时性、有效性，增强了预警的准确性、可靠性。而且装置配备的传感器可以直接检测电网参数，即使发生监测中心没有通报预警的突发情况，一旦被检测到，节点也可以独立于监控中心做出应急响应。
变送器模块是把传感器的输出信号转变为可被处理器识别的信号的转换器，即，将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供处理器测量和控制的信号源。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。
本装置的供电模块包含两套太阳能供电单元，即供电模块I和供电模块II，使得给处理器模块与小功率的传感器模块独立供电，减小相互干扰，提高稳定性。电源监控电路用于监控处理器单元、传感器单元所需的电压是否正常。
结合附图3所示，本发明设计的实时监控装置采用了基于无线通信技术的监控方式，根据所需，安装在电网线路的相应节点处。每个装置本身又是传感器和执行器的结合体，结合传感器系统采集电流电压、温湿度等数据，与以往数据进行校对，执行监控操作或者执行异常数据报警操作，并显示给用户数据或者预警信息。在实际应用中，实时监控装置根据监控需求被布置在整个观测电网中的传感器节点处，将采集到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合后传送给用户。数据传送的过程是通过GPRS模块或短距离射频通信模块直接或间接地传送给远程监控中心或本地监控站。监控站或监控中心对每个节点传回的数据进行综合分析、判断预警等级，并通过反向的通信链路下达给对应传感器节点处的实时监控装置，实时监控装置结合自身对电网数据的实时监测结果，对异常数据进行预警。
本装置采用的监测和控制方式是基于统计的校验方法，具体是对电流电压等信号进行收集相关的数据，通过系统采集数据，同时辅助监测系统的温湿度、风速风向等气象信息监测数据，根据天气的变化，环境因素，在线监测系统能通过各种报表、统计的图表，将电流电压等数值与以往数据进行校对，对输电线路进行系统的分析和综合，然后把信息的显示方式传给用户，让用户知道输电线路的用电量和总体情况，如果误差大于设定的阀值则报警。
图4为实施例所示线路安全实时监控装置的工作流程示意图。工作流程具体如下：
实时监控装置上电开始工作后，首先对串口、定时器、中断、射频模块等进行初始化，选择合适的波特率、定时唤醒周期和通信信道。然后尝试和监控中心建立连接，连接成功后中心将该节点的实时监控装置加入监控网络。
节点通过本地定时和外部查询的方式工作，当没有上述事件触发中断时，处理器单元进入空闲状态以降低功耗。如果检测到中断触发，则判断中断类型。如果是本地的定时中断，则首先判断是否有正在执行的监控任务，任务是否完成。完成则检测数据量，判断是否需要预警；没有完成，则执行器继续工作。如果是射频中断，则判断是否有监控中心发来的预警指令，当检测到监控中心发来的指令时，根据指令类型进行相应的预警或传感器读取和数据发送工作；若没有接收到监控中心的预警指令，则进一步判断是否为查询指令，如果是查询指令，则传感器模块开始读取相关数据，并发送至变送器，经协处理器采样并转换为对应物理量的数字信号，通过RS-232接口上报处理器单元。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种智能电网线路安全实时监控装置，其特征在于：包括处理控制单元、通讯模块、传感器模块、电源模块和变送器模块，其中，处理控制单元用于控制通讯模块与其它节点间和监控中心之间的通信，对接收的传感器采集的数据进行分析处理，并对执行器下达指令；传感器模块采用多参数模式，用于采集线路状况数据；通讯模块与监控中心连接通信，用于传送本地数据和接收监控中心指令信息；送变器模块用于将传感器输出的信号转变成可被处理控制单元识别的信号；电源模块用于监控装置的供电。
2.如权利要求1所述的线路安全实时监控装置，其特征在于：所述电源模块包括电源监控电路以及供电模块；其中，电源监控电路用于监控处理器单元、传感器模块所需的电压是否正常；供电模块包含两套太阳能供电单元，分别用于处理控制单元和传感器模块的供电。
3.如权利要求1所述的线路安全实时监控装置，其特征在于：所述通讯模块包括射频模块和/或GPRS模块，GPRS模块用于与远程监控中心直接通信，射频模块用于与本地监控中心的短距离通信。
4.如权利要求1所述的线路安全实时监控装置，其特征在于：还包括协处理器，协处理器用于辅助处理控制单元完成对接收的传感器采集的数据进行分析处理。
5.如权利要求4所述的线路安全实时监控装置，其特征在于：所述协处理器用于将经变送器模块放大的传感器采集信号采样并转换为对应物理量的数字信号，和/或用于完成发送数据前信道预约。
6.如权利要求1所述的线路安全实时监控装置，其特征在于：所述传感器模块包括电流传感器和电压传感器，其中，电流传感用于测量线路额定电流分量；电压传感器用于测量线路额定电压分量。
7.如权利要求6所述的线路安全实时监控装置，其特征在于：所述传感器模块还包括温湿度传感器，用于外部环境的温湿度测量。
8.如权利要求6所述的线路安全实时监控装置，其特征在于：所述传感器模块还包括风速风向传感器，用于风速风向测量。
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