羅振成，張桂枝，陳桂強(qiáng)

（1.張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河北 張家口 075000；2.河北北方學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 張家口 075000）

基于無線傳感網(wǎng)的變配電監(jiān)控系統(tǒng)

羅振成1，張桂枝1，陳桂強(qiáng)2

（1.張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河北 張家口 075000；2.河北北方學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 張家口 075000）

變配電系統(tǒng)連接電力發(fā)電、輸電系統(tǒng)與供電用戶，是電力傳輸?shù)钠渲幸粋€(gè)環(huán)節(jié)。隨著計(jì)算機(jī)在電力綜合自動(dòng)化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，電力生產(chǎn)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的要求越來越高，使電力監(jiān)控軟件得到了迅速的發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取技術(shù)，在傳感與計(jì)量領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。介紹了基于無線傳感網(wǎng)的變配電監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。該方案包括基于射頻收發(fā)芯片的傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)、適用于中小規(guī)模自組網(wǎng)路由協(xié)議設(shè)計(jì)等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定，自組織能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸可靠，可以勝任本方案的數(shù)據(jù)傳輸工作。

變配電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；自組織；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

變配電站是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。作為變換電壓、匯集和分配電能的主要設(shè)施、電力網(wǎng)絡(luò)的重要連接部分，變配電站的正常運(yùn)行直接關(guān)系著電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，因此對(duì)變電站進(jìn)行監(jiān)控具有十分重要的意義。

變配電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)是利用電力電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與電力設(shè)備相結(jié)合，對(duì)變配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，并將運(yùn)行過程的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)上傳至中央監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變配電設(shè)備的有效遠(yuǎn)程控制，達(dá)到改善供電質(zhì)量、提高服務(wù)水平、減少運(yùn)行費(fèi)用的目的。

目前，大多數(shù)變配電監(jiān)控系統(tǒng)由三大部分組成：第一部分是帶有通訊接口的采集控制模塊，例如：多功能電力綜合儀表、開關(guān)量采集模塊、電流量采集模塊、模擬量采集模塊等，這一部分往往采用現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)來完成數(shù)據(jù)的通信；第二部分為現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)，這一部分完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的融合及遠(yuǎn)程控制指令的下達(dá)；第三部分是中央管理中心，用于整個(gè)變配電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示、參數(shù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、歷史記錄、故障報(bào)警、控制、報(bào)表打印等。

在以上的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)采集部分均采用基于總線結(jié)構(gòu)的有線方式，其組網(wǎng)的靈活性差，維護(hù)困難，因此受到了極大的限制。而隨著傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，具有感知、計(jì)算和通信能力的微型傳感器開始出現(xiàn)，而基于微型傳感器的無線傳感網(wǎng)技術(shù)也逐漸受到業(yè)界的關(guān)注。

將無線傳感網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于變配電監(jiān)控管理系統(tǒng)中，可以改善有線方式的諸多弊端。本文設(shè)計(jì)了基于CC2430型ZigBee芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和無線自組網(wǎng)功能，并能通過GPRS無線模塊實(shí)現(xiàn)Internet網(wǎng)的接入，最終實(shí)現(xiàn)變配電系統(tǒng)的全方位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

1 總體方案

基于無線傳感網(wǎng)的配電監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。整個(gè)配電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線自組網(wǎng)、GPRS系統(tǒng)及互聯(lián)網(wǎng)以及中央監(jiān)控中心組成。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

從圖1可知，整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)層次，分別為終端數(shù)據(jù)采集層、通信層、中央監(jiān)控層。終端數(shù)據(jù)采集層由ZigBee結(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)ZigBee結(jié)點(diǎn)內(nèi)嵌不同的傳感器，如電壓、電流和功率等，用以采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過無線傳感網(wǎng)送至匯結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的初步處理與存儲(chǔ)；通信層由GPRS或CDMA模塊組成，具體功能是將數(shù)據(jù)融合中心的數(shù)據(jù)通過這兩個(gè)通信模塊發(fā)送至電信無線電網(wǎng)，接入到Internet，最后把數(shù)據(jù)上傳到中央監(jiān)控層；中央監(jiān)控層負(fù)責(zé)對(duì)變配電系統(tǒng)進(jìn)行整體監(jiān)控、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、故障診斷以及控制命令的下達(dá)。

2 無線傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是無線Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)重要分支，是隨著微機(jī)電系統(tǒng)、無線通信和數(shù)字電子技術(shù)的迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新的信息獲取和處理模式。它由隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小結(jié)點(diǎn)通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，借助于結(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的形式多樣的傳感器測(cè)量周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號(hào)，從而探測(cè)包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分及移動(dòng)物體的大小、速度和方向等眾多人們感興趣的物理現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)所在環(huán)境的監(jiān)測(cè)[1]。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的終端數(shù)據(jù)采集層的主要功能是負(fù)責(zé)采集變配電系統(tǒng)中的各種物理參量，具體有：電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率、有功電能、無功電能、諧波等，這些信息由設(shè)備端采集至智能電力儀表，同時(shí)斷路器、報(bào)警觸頭等關(guān)鍵設(shè)備直接連接至數(shù)字儀表中。

為了實(shí)現(xiàn)以上采集功能，無線傳感網(wǎng)末端選用了短距離無線通信——ZigBee技術(shù)來完成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

ZigBee節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，而收集來的數(shù)據(jù)則需要利用無線傳感網(wǎng)進(jìn)行傳輸。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各ZigBee終端結(jié)點(diǎn)以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，通過多跳中繼方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳到sink結(jié)點(diǎn)，最終借助長(zhǎng)距離或臨時(shí)建立的sink鏈路將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程中心進(jìn)行集中處理。在通信時(shí)，任何終端節(jié)點(diǎn)都可以承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，同時(shí)也可以快速檢測(cè)到其他節(jié)點(diǎn)的存在和其他節(jié)點(diǎn)的能力集，自主地采取一系列自我配置、規(guī)劃、優(yōu)化、修復(fù)等功能，從而自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化，動(dòng)態(tài)地調(diào)整運(yùn)行狀況，使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最佳。

無線傳感網(wǎng)的終端節(jié)點(diǎn)受體積等因素的影響，傳感器中的電源能量受限[2]。因此，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的多變性是設(shè)計(jì)時(shí)所必須考慮的。一方面，要通過加大網(wǎng)絡(luò)分布密度的方法來防止網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化過快；另一方面，也需要充分利用多跳路由的功能來保證網(wǎng)絡(luò)的連通性。

目前，針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議和算法可分為無路由表型和基于路由表型。無路由表的路由協(xié)議基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)點(diǎn)只存儲(chǔ)相鄰節(jié)點(diǎn)的信息，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間不通過路由表來建立路徑，而是由源節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)包一跳一跳地尋找目的節(jié)點(diǎn)；基于路由表的路由協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸之前，已通過路由表的路由協(xié)議建立了源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的路由。而基于路由表的路由協(xié)議又可分為主動(dòng)型和響應(yīng)型。主動(dòng)型路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)開始時(shí)就建立路由并一直維護(hù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)到數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的一致最新信息，準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性均優(yōu)于其他的路由協(xié)議方式，因此，在本設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，選用的路由協(xié)議為主動(dòng)型路由協(xié)議。

圖2 基于ZigBee的終端采集單元

3 通信層設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的通信層由兩種可選模式構(gòu)成，一種是GPRS模式，另一種是CDMA模式。GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱，是一種基于分組交換傳輸數(shù)據(jù)的高效率方式，特別適用于間斷性、突發(fā)性、頻繁的少量的數(shù)據(jù)傳輸或偶爾大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)幕厩闆r，所以在數(shù)據(jù)采集密度不大的場(chǎng)合，選用GPRS作為無線傳感網(wǎng)與Internet網(wǎng)絡(luò)的接口。

當(dāng)數(shù)據(jù)的傳輸量大而且通信的質(zhì)量要求高時(shí)，可以選用CDMA模式來實(shí)現(xiàn)與公網(wǎng)的通信。CDMA移動(dòng)通信網(wǎng)是由擴(kuò)頻、多址接入、蜂窩組網(wǎng)和頻率再用等多種技術(shù)結(jié)合而成，因此它具有抗干擾性好、抗多徑衰落、保密安全性高和同頻率可在多個(gè)小區(qū)內(nèi)重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地保障大容量數(shù)據(jù)的傳輸性能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)變配電站的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于無線傳感網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于CC2430型ZigBee芯片來構(gòu)建數(shù)據(jù)采集底層系統(tǒng)，通過主動(dòng)型路由協(xié)議來構(gòu)建無線自組網(wǎng)。通信層采用GPRS/CDMA模塊來完成，最終實(shí)現(xiàn)了變配電站運(yùn)行狀態(tài)的無線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。此方案硬件電路連接簡(jiǎn)單、易于調(diào)試，各節(jié)點(diǎn)編程具有通用性，具有較高的實(shí)用推廣價(jià)值。

[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 design of substation and power distributionmonitoring system based onw irelesssensor network

LUO Zhen-cheng1,ZHANGGui-zhi1,CHEN Gui-qiang2

Substation and power distribution system connecting power generation and transm ission systems w ith power users is one part of the power transm ission.W ith the broad app lication of com puter in the power integrated automation domain,the request of power production formonitor control system is higher and higher,leading the powermonitor software developing rapidly.W ireless sensor network is a new kind ofacquiring information technology and has very broad application prospects in the field of sensing and metering.The im plementation scheme of substation and power distribution monitoring system based on w ireless sensor networks was introduced.The scheme consisted of sensor node hardware design based on RF transceiver chip,routing protocol design suitable for small and medium scale self-organization networks and so on.Experimental results show that the w ireless sensor networks stably work,and have strong self-organization capacity and credible data transm ission capacity,so can be capable of data transm ission work of this scheme.

substation and power distributionmonitoring system;self-organization;wireless sensor network

TM 769

A

1002-087 X(2014)05-0975-02

2013-12-25

羅振成（1974—），男，河北省人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化、PLC控制。