基于无线传感器网络的变压器运行状态监测系统

电力系统作为关系经济、民生的基础性行业，其安全运行是非常重要的，其中电力设备自身的安全运行问题是影响电力系统安全稳定运行的一个重要方面，而变压器作为电力系统中的主要电气设备一旦发生事故将造成严重的损失并且需要较长时间去修复。长期以来，电力系统内对变电站中变压器的运行和维护主要是采用事后维修、预防型维修和计划检修等方式，但是，这些检修方式都存在着一些不可避免的弊端。随着电力系统的不断发展，电力设备由定期检修逐渐向状态检修转变已成为了一种发展趋势，于是设备的在线监测系统就应运而生，因此对变压器的状态进行实时监测对于电网来说意义重大。 然而，现有的变电站综合自动化系统一般都是通过有线的介质进行通信，例如电线、光缆等，通信介质通过物理的实地连接都要受到布线的限制，并且变电站设备杂多、信号繁多，线路的布置和更改都不容易，网络的升级、扩展不方便，安装维护也很复杂。这给综合布线及检查维修带来了不便，工程量大，同时安装、维护费用高，因此开发一种无线的电力设备在线监测和故障预警系统对于保障电力设备安全稳定运行和降低监测设备成本，提高变电站的自动化水平有着重要的意义。 本文采用的通过无线传感器网络技术对变压器进行实时监测的系统，避免了布线繁琐、扩展及维护不方便等特点，并且大大降低了监测成本，具有很高的推广价值。根据变电站内的实际情况，结合无线传感器网络的基本结构和监测系统的设计需求对监测系统进行了总体设计。整个监测系统由协调器节点、路由器节点和终端节点三种类型的网络节点，通过构建网状形拓扑结构实现了网络的组建，系统通过在监测区域部署的终端节点来完成对各变压器运行状态数据的采集，由路由器节点转发数据以延长通信距离和扩大网络的覆盖范围，各传感器终端节点采集到的信息通过无线传感器网络最终将传输至协调器，经协调器汇聚后通过串口发送到PC机处理，从而完成对变电站内各变压器运行状态的实时监测。在硬件设计部分，对无线传感器网络节点进行了硬件选型，选择了ZigBee新一代片上系统解决方案CC2530做为主控芯片，并对各节点主要电路设计进行了详细的说明，其中对终端节点的信号采集电路部分进行了针对性的分析和设计，实现了温度传感器DS18B20和MQ-8系列氢气传感器模块的电路设计。在软件设计部分，深入研究了ZigBee的协议栈Z-Stack的结构，对协议栈各层的功能和再次开发做了大量的工作，成功实现了监测数据的收发，并对DS18B20温度传感器和MQ-8系列氢气传感器模块进行了软件编程，编写了相对应的信号采集程序，实现了数据信号的采集。如何将ZigBee无线传感器网络技术应用于变电站内运行中变压器的状态信息的监测是本文的重点内容，也是本文的创新点。 除上述内容之外，一个优秀的人机界面作为计算机与人之间进行信息交互的纽带，在自动化集成系统中已成为了不可或缺的重要组成部分。因此本文还利用LabVIEW软件开发设计了一个具有针对性的变压器监测系统的人机监测界面，用来显示通过无线传感器网络采集到的数据信息以达到对变压器运行状态的实时监测。监测界面具有曲线显示、声光故障报警以及数据存储等功能，工程技术人员可以通过监测界面及时、直观的了解到变压器的实际运行情况。监测界面的设计部分包括了登陆界面及程序的设计、启动界面及程序的设计、主面板界面及程序的设计、串口通信程序的设计、变压器监测界面及程序的设计以及报表生成程序的设计，文中介绍了使用美国国家仪器（NI）公司的LabVIEW软件来设计开发变压器运行状态监测系统人机界面的具体过程，并对其中部分重要环节的设计方法做了详细的介绍。 在文章的最后，针对本文所设计的基于无线传感器网络的变压器运行状态监测系统进行了相关的实验测试，用以验证监测系统的安全性、稳定性和可行性。测试包括了无线组网实验、数据采集和收发实验、上位机监测界面运行实验以及采集数据的归档保存情况等。通过实验结果和数据证明，本文所设计的基于无线传感器网络的变压器运行状态监测系统能够准确采集监测点的数据，无线传感器网络的组网状况良好，采集到的数据信息能够通过无线传感器网络安全传送至接收端，上位机LabVIEW监测界面运行情况良好，各个功能均工作正常。整个监测系统运行安全稳定，满足了设计的要求。