基于IEC61850的数字化变电站无线测温系统的研究

基于IEC61850的数字化变电站无线测温系统的研究王娟1，陈敏2，邹磊2(1.63650部队，新疆省乌鲁木齐841700；2.国电南京自动化股份有限公司，江苏省南京211100)摘要：作为电力系统运行的主设备变压器是否安全稳定运行至关重要。针对目前变电站无人职守的趋势，将IEC61850的数字化变电站技术和无线通信技术融合，监控主变压器温度值，而提出了一种数字化变电站无线测温系统的解决方案。本文采用ZIGBEE技术和无线SOC芯片CC2430组成无线测温通信系统的采集部分，采用DS18B20测温传感器，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量。关键词：IEC61850；数字化变电站；ZIGBEE；CC2430中图分类号：TM63文献标识码：A0引言IEC61850是IECTC57制定的有关变电站自动化系统通信的国际标准，代表了变电站自动化的未来发展方向。它是IECTC57在总结UCA2.0的美国经验和IEC60870系列标准的欧洲经验的基础上提出的关于未来变电站自动化系统的通信体系标准。其目标是最大限度地应用现有的标准和被广泛接受的通信原理，在不同制造商的IED之间实现良好的互操作性，并且能适应通信及应用技术的快速发展。数字化变电站技术是指基于IEC61850标准建立全站统一的数据模型和数据通信平台，实现站内一次设备和二次智能电子装置的数字化通信，确保智能装置之间的互操作性。1无线传感器网络体系结构电力设备在线温度监测系统在物理上和功能上均采用分层分布式结构，保证了系统组态的灵活性和功能配置方便性。系统整体上分为采集层、汇集层、监测层三大部分，如下图1所示。温度传感器PC机变电站监控平台无线单片机CC2430测温通信终端监测层汇集层采集层图1系统整体架构图无线实时温度监测报警系统，以SOC为核心，集合了先进的计算机技术、通讯技术、网络技术、微电子技术，构成了功能强大、操作简便、安全可靠、高性价比的温度实时监测报警系统。系统采用无线ZIGBEE技术、485总线、RS232、以太网相结合的通讯方式，使系统的扩展与其它网络互连变得很方便；在扩展测点时不受布线的限制，可以方便的应用这些面向对象设计的单元装置，把它们像“搭积木”一样配置在系统内，并可以根据一次系统的变化，任意增、减或改变系统中的单元装置模块达到改造和扩建的目的。系统提供标准的通讯协议接口，使得现场总线网络可与局域网络互联，实现信息的共享。系统采用温度传感器DS18B20，能同时输出温度数值信号。针对实现变电站无人值守，大多数现场要求温度表具备O～5V温度信号远程传输功能。远程测温的温度变送器安装在温度表内或保护控制屏后。而有的测温系统则将4～20mA输出的温度变送器和24VDC电源模块集成在一起安装于变压器端子箱。温度表上传的电阻信号经温度变送器，输出一个0～5V的电压信号或4～20mA电流信号，经信号采集转换模块采集后计算，通过远动机传输到后台机、集控站、各级调度处。从而实现D-A转换。无线测温终端也是以SOC芯片为核心，实时将测温传感器测取的温度信号转换为电信号，通过信号调理电路转换为数字信号保存在无线测温终端内存中。无线测温终端无需外部提供工作电源，采用电磁互感原理获取工作电源。无线通讯终端采用协调器或者路由器形式，有效通讯距离100米，对系统结构而言无线通讯终端是透明设备，它解决了无线测温终端的数据通讯问题，保证了变电站一次回路因增加测温设备而产生的绝缘问题。无线测温终端、无线通讯终端通过优秀的设计保证无线设备无相互干扰，低发射功耗，在强磁场的干扰下可以正常工作而且不会影响其它的自动化设备，并且做了大量的实验。系统中的通讯管理单元经过必要的设置后，通过有线和无线组合，以主从通讯方式巡回监测系统中的无线测温终端设备，获取系统中各无线测温终端的实时温度数据及对无线测温终端的命令下达。通讯管理单元通过485接口以有线方式连接无线通讯终端，无线通讯终端与无线测温终端采用无线通讯方式，无线通讯终端与通讯管理单元采用有线通讯方式，通信管理单元与变电站后台计算机采用以太网的方式通讯。后台计算机将通信管理单元收集的各无线测温终端的测温数据进行温度曲线绘制、报警信息管理与储存、查看，通过短信猫将报警信息以短信形式发送到设置的手机上。2CC2430硬件模块设计无线模块采用的是无线收发器CC2430。CC2430出自挪威Chipcon公司,是一款真正符合IEEE802.15.4标准的片上ZigBee产品。CC2430采用Chipcon公司最新的SmartRF03技术和0.18μmCMOS工艺制造,采用7mm×7mmQLP48封装;除了包括RF收发器,还集成了加强型8051MCU、32/64/128KB的Flash内存、8KB的RAM、ADC、DMA、看门狗等。3温度传感器模块硬件设计DS18B20是美国Dallas半导体公司的新一代数字式温度传感器，它具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器及其它复杂外围电路的缺点，由它组成的温度测控系统非常方便，而且成本低、体积小、抗干扰性好、可靠性高。单线接口，只有一根信号线与CUP连接；不需要备份电源，可通过信号线供电，电源电压范围从3.3-5V;传送串行数据，不需要外部元件令温度测量范围从-55℃~+125℃，-10-+85℃时测量精度为士0.5℃；用户可自设定非易失性的报警上下限值；报警搜索命令可以识别哪片DS18B20温度超限；通过编程可实现9-12位的数字值读数方式(出厂时被设置为12位)；在93.75ms和75Oms内将温度值转化9位和12位的数字量；零功耗等待；C351AVDD_1.8VC281C251C411DVDD_3.3VC71C421R221R26113X132MC191C441C431C211DVDD_3.3VAVDD_1.8VC231C241C341S112X232KL331L341L321RESETnDDDCP1_71P1_62P1_53P1_44P1_35P1_26DVDD7P1_18P1_09RESETn10P0_011P0_112P0_213P0_314P0_415P0_516P0_617P0_718XOSC_Q219AVDD_SOC20XOSC_Q121RBIAS122RREG_OUT24AVDD_RREG23AVDD_IF125RBIAS226AVDD_CHP27VCO_GUARD28AVDD_VCO29AVDD_PRE30AVDD_RF131RF_P32TXRX_SWITCH33RF_N34AVDD_RF236AVDD_IF237AVDD_ADC38DVDD_ADC39AVDD_DGUARD40AVDD_DREG41DCOUPL42P2_4/XOSC_Q243P2_3/XOSC_Q144P2_245P2_146DVDD47P2_048AVDD_SW35GND49U1CC2430LED1LED2LED3图2CC2430核心原理图GND1DA2VCC3*DS18b20GND3.3vR474.7K4.7KIO图3DS18B20原理图4上位机软件设计变电站测温监控系统后台功能结构如下图4所示：1．显示温度实时监测值。2．分别对每个温度监测点设定上限值。3．温度越上限实时报警。4．绘制每个监测点温度的当日实时曲线。5．保存越限记录及越限曲线并可按多种方式查阅。6．温度越上限手机短信实时报警子系统。7．通过网络从其它机器查看温度实时监测值并可实时报警的客户端子系统。后台系统容量：最大128个变电站，每个变电站最大512个测温节点。显示温度实时监测值将实时温度信息传输到监测平台报警信息管理与存储温度越上限警报温度点设定上限值图4变电站后台监控系统流程图5结束语：在无人值守变电站改造和建设中，信息对点工作繁琐而重要，而主变温度信息成为阻碍，几乎每个综合自动化变电站都存在问题。该无线传感器网络以低成本、低功耗、无线单片机CC2430为核心，采用DS18B20温度传感器获取数据,电路结构简单、工作稳定可靠、检测精度高,且具有无线数据通信灵活方便等特点,特别适用于工业现场环境、变电站监测和其他需要多点监测的特殊场合。该网络的应用极大地提高了综合自动化变电站管理水平,降低了管理成本,同时提高了IEC61850数字化变电站的发展趋势。参考文献[1]CC2430芯片数据手册.[2]谭文恕.远动的无缝通信系统体系结构[J]．电网技术，2001，25(8)：5-10．[3]李兰欣，苗培青，王俊芳.基于IEC61850数字化变电站系统解决方案的研究[J]．电网技术，2006，10(30)：2-4．[4]IEC61850-8-1Communicationnetworksandsystemsinsubstations-part8-1:SpecificCommunicationServiceMapping(SCSM)–MappingstoMMS(ISO9506-1andISO9506-2)andtoISO/IEC8802-3[S].2004.[5]IEC61850-9-1Communicationnetworksandsystemsinsubstations-part9-1:SpecificCommunicationServiceMapping–Sampledvaluesoverserialunidirectionalmultidroppointtopointlink[S].2003.[6]IEC61850-9-2Communicationnetworksandsystemsinsubstations-part9-2:SpecificCommunicationServiceMapping(SCSM)-SampledvaluesoverISO/IEC8802-3(IEC61850-9-2:2004,IDT).ResearchofSubstationAutomationSystemBasedonIEC61850WirelessTemperatureSystemWANGJuan1,CHENMin2,ZOULei2(1.63650Troop,Wulumuqi841700,XinjiangProvince,China；2.GuoDianNanjingAutomaticStockLimitedCorpration,Nanjing211100,JiangsuProvince,China)Abstract:Asthemainequipmentofpowersystemoperationthatisoperationoftransformerswhethersafetyandsatabilizationisessential.InviewofthecurrenttrendsinsubstationLights,CombiningIEC61850digitalsubstationautomationsystemwithwirelesssensornetworktechnology,themaintransformertemperatureismonitored,thepaperproposesawirelesstemperaturemeasurementsystemofdigitalsubstationsolutions.Inthispaper,ZIGBEEtechnologyandwirelessSOCCC2430arecomposedofradiocommunicationssystemandasitisthecollectingpartoftemperature,UsingDS18B20TemperatureSensor,Temperatureis