杜春梅，代長(zhǎng)明，屈建平，王慶林

（河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000）

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)研究

杜春梅，代長(zhǎng)明，屈建平，王慶林

（河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000）

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜度日益提高，對(duì)智能電網(wǎng)的堅(jiān)強(qiáng)性、可靠性、安全性、故障監(jiān)控等方面有了更高的要求，因此，對(duì)智能電網(wǎng)進(jìn)行有效的監(jiān)控具有重要的意義。針對(duì)智能電網(wǎng)的可能故障，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建出相應(yīng)的綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)來(lái)構(gòu)建底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)，采用GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)實(shí)現(xiàn)中層的數(shù)據(jù)傳輸，上層采用SQLServer2005構(gòu)建數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理中心，從而實(shí)現(xiàn)了有效的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

智能電網(wǎng)；GPRS；物聯(lián)網(wǎng)；監(jiān)控系統(tǒng)

為了提高電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)性，提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，智能電網(wǎng)成為世界各國(guó)關(guān)注的電力改革重點(diǎn)。智能電網(wǎng)的核心技術(shù)是數(shù)字化電網(wǎng)，是一個(gè)基于先進(jìn)信息技術(shù)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，它利用遍布全網(wǎng)的傳感器對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行快速診斷并采取行動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)高峰時(shí)段電網(wǎng)運(yùn)行效率的決策支持。智能電網(wǎng)的研究和發(fā)展對(duì)電力系統(tǒng)的改革產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，同時(shí)也對(duì)智能電網(wǎng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。因此，開(kāi)發(fā)基于先進(jìn)技術(shù)的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)成為各國(guó)科研人員的重點(diǎn)課題。

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了一套智能電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多種傳感器、ZigBee短距離無(wú)線通信網(wǎng)作為底層數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送系統(tǒng)，并通過(guò)GSM/GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，以便實(shí)現(xiàn)有效的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分析

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)被應(yīng)用在各行各業(yè)，在智能家居、交通、環(huán)保、安全及工業(yè)監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。物聯(lián)網(wǎng)又叫傳感網(wǎng)，是利用底層RFID（射頻識(shí)別）、紅外感應(yīng)器等各種信息傳感設(shè)備，按約定的通信協(xié)議，將被監(jiān)控對(duì)象與互聯(lián)網(wǎng)相連接，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種綜合智能網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)是以數(shù)據(jù)為中心的面向應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的組成包括感知結(jié)點(diǎn)、傳感網(wǎng)、核心承載網(wǎng)和信息服務(wù)系統(tǒng)等幾大部分。系統(tǒng)硬件平臺(tái)組成如圖1所示，其中，傳感網(wǎng)包括感知結(jié)點(diǎn)（數(shù)據(jù)采集、控制）和末梢網(wǎng)絡(luò)（匯聚結(jié)點(diǎn)、接入網(wǎng)關(guān)等）；核心承載網(wǎng)絡(luò)為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)；信息服務(wù)系統(tǒng)硬件設(shè)施主要負(fù)責(zé)信息的處理和決策支持[1]。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)硬件平臺(tái)示意圖

物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別在于：物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)大了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的通信范圍，即物聯(lián)網(wǎng)不僅僅局限于人與人之間的通信，還擴(kuò)展到人與物、物與物之間的通信，所以物聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值主要在于網(wǎng)，而不在于物。因此，如何借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)構(gòu)建智能電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是課題的研究重點(diǎn)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

智能電力監(jiān)控系統(tǒng)是由智能測(cè)控裝置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及計(jì)算機(jī)設(shè)備等互聯(lián)布局而成。主要功能是對(duì)電力系統(tǒng)中的高壓開(kāi)關(guān)柜、低壓開(kāi)關(guān)柜、應(yīng)急發(fā)電機(jī)組、電力變壓器和EPS/UPS/ATS等的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)實(shí)時(shí)記錄單相/三相電壓、單相/三相電流、功率、功率因數(shù)、電度、頻率和電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)等各項(xiàng)參數(shù)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，當(dāng)參數(shù)值超出允許范圍時(shí)便產(chǎn)生預(yù)警、報(bào)警，并對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制。

底層傳感網(wǎng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，終端結(jié)點(diǎn)都采用智能終端。如圖2所示，每個(gè)終端結(jié)點(diǎn)都具備無(wú)線電收發(fā)器、微控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換等結(jié)構(gòu)，因此每一個(gè)結(jié)點(diǎn)都具有一定的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算的能力。

圖2 ZigBee結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

ZigBee射頻芯片采用德州儀器(TI)所生產(chǎn)的CC2530-F256，片上集成高性能低功耗8051內(nèi)核、128-bit ADC、2個(gè)USART以及功能強(qiáng)大的DMA功能，支持Zig-Bee2207/Pro協(xié)議棧。較CC2430相比，CC2530在發(fā)射功率、鏈路預(yù)算、射頻噪聲抑制能力、低功耗以及ESD防護(hù)能力等方便都有較大的提升[2]。因此，本設(shè)計(jì)中采用CC2530作為Zig-Bee解決方案。

整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)和多個(gè)ZigBee終端終點(diǎn)。協(xié)調(diào)點(diǎn)采用全功能設(shè)備FFD，負(fù)責(zé)建立和維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。其他結(jié)點(diǎn)一般選擇簡(jiǎn)化功能設(shè)備RFD，同時(shí)在關(guān)鍵設(shè)備上放置FFD，以便保證數(shù)據(jù)的處理能力。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用多跳自組織形式，具有完善的自恢復(fù)能力。

為增強(qiáng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理能力，底層的數(shù)據(jù)采集部分在將數(shù)據(jù)傳送至通信層之前設(shè)置數(shù)據(jù)融合中心，底層的數(shù)據(jù)將集中傳送到該中心。該中心由現(xiàn)場(chǎng)PC機(jī)擔(dān)當(dāng)，具有一定的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理能力和控制功能，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的故障狀況作出及時(shí)的反應(yīng)。

監(jiān)控系統(tǒng)的通信層由GSM/GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)建。GSM是全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，是世界上最先推出的數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)，具有頻譜效率高、容量大、話音質(zhì)量高、安全性強(qiáng)、可以實(shí)現(xiàn)智能業(yè)務(wù)和國(guó)際漫游的功能。我國(guó)從1993年開(kāi)始正式開(kāi)放GSM業(yè)務(wù)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，GSM已經(jīng)成為目前國(guó)內(nèi)最成熟和市場(chǎng)占用量最大的一種數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)。但是GSM是基于電路交換方式的9.6 kb/s的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，這個(gè)速率對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)的多媒體業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，速率太低而無(wú)法實(shí)現(xiàn)圖像和視頻的監(jiān)控。因此，在GSM的基礎(chǔ)之上采用通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)GPRS是實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)控的一種方式。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無(wú)線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、跳頻規(guī)則及相同的TDMA幀結(jié)構(gòu)。因此GPRS既可以利用現(xiàn)有完善的GSM網(wǎng)絡(luò)資源，又可具有比GSM更高的數(shù)據(jù)傳輸效率，可擔(dān)當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。如果監(jiān)控系統(tǒng)要采用視頻監(jiān)控的話，應(yīng)當(dāng)選擇3G網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成數(shù)據(jù)的傳輸。

智能電網(wǎng)的上層管理功能由中央監(jiān)控中心來(lái)完成。中央監(jiān)控中心內(nèi)設(shè)置高性能服務(wù)器，選擇SQL Server2005作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，利用VC編制相應(yīng)的監(jiān)控應(yīng)用軟件。服務(wù)器與一部GSM通訊機(jī)相連，通過(guò)GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)所轄臺(tái)區(qū)的漏電保護(hù)器及其它智能電力設(shè)備進(jìn)行管理。具體功能包括所有設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)查詢、故障信息收集，對(duì)漏電保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行信息查詢，對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作及信息的存儲(chǔ)和傳遞。

智能電網(wǎng)的上位機(jī)部分除完成基層電力設(shè)備的信息存儲(chǔ)、查詢外，還設(shè)有相應(yīng)的專家決策系統(tǒng)，從而幫助系統(tǒng)有效協(xié)調(diào)電網(wǎng)的整體運(yùn)行狀況。專家決策系統(tǒng)由三部分組成，分別為數(shù)據(jù)支持層、網(wǎng)絡(luò)分析層、指揮系統(tǒng)協(xié)調(diào)層。數(shù)據(jù)支持層主要完成實(shí)時(shí)收集電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)和監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的作用，內(nèi)設(shè)兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，一個(gè)為運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，另一個(gè)為故障數(shù)據(jù)庫(kù)。運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)會(huì)在應(yīng)用程序中與系統(tǒng)中的工作標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比較，如果運(yùn)行數(shù)據(jù)合乎運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，則進(jìn)行保存，如果運(yùn)行數(shù)據(jù)不合乎標(biāo)準(zhǔn)，則將數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)絡(luò)分析層。網(wǎng)絡(luò)分析層設(shè)置模糊規(guī)則數(shù)據(jù)庫(kù)，利用模糊算法結(jié)合故障數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)對(duì)疑似故障數(shù)據(jù)進(jìn)行安全性分析，并所出相應(yīng)的判斷。第三層為指揮系統(tǒng)協(xié)調(diào)層，這一層根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析層所分析的結(jié)果，決定系統(tǒng)的控制功能，以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效、方便地利用智能終端對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，節(jié)約了人力成本，大大提高了工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。

該系統(tǒng)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建底層數(shù)據(jù)采集層，終端節(jié)點(diǎn)采用嵌入式智能終端系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時(shí)采集與傳輸。通信層由GRPS網(wǎng)絡(luò)來(lái)?yè)?dān)當(dāng)，由VC+SQL Server2005來(lái)組成遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用體系。

該系統(tǒng)的使用可以將目前的電網(wǎng)管理提升一個(gè)新的臺(tái)階，有助于對(duì)電網(wǎng)用電狀況作出準(zhǔn)確的分析和決策，對(duì)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能管理具有重要的意義。

[1]屈軍鎖.物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2011：30-35.

[2]胡雯.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能建筑溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].智能建筑與城市信息，2009(9)：98-99.

Research and analysisof smartgridmonitoring system based on Internetof things

DU Chun-mei,DAIChang-ming,QU Jian-ping,WANGQing-lin

With the developmentof power electronics technology,the scale and complexity of the power system are increasingly advanced.There are higher demands for strength,reliability,security,faultmonitoring,etc of the smart grid.Thus,effective monitoring of the smart grid has important significance.An integrated monitoring and management system based on the Internet of things was built as to the possibility of failure of the smart grid.The system used ZigBee technology to build the bottom data acquisition network,and used GPRS network and Internet to achieve m iddle data transm ission network,and used SQL Server2005 to construct upper data storage and processing centers,achieving effective remotemonitoring.

smartgrid;GPRS;Internetof things;monitoring system

TM 727

A

1002-087 X(2014)05-0914-02

2013-11-30

河北建筑工程學(xué)院青年基金項(xiàng)目(KYQ-201317)

杜春梅(1979—)，女(滿族)，遼寧省人，講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)檢測(cè)技術(shù)。