侯廣松，高軍，徐珂，吳衍達

（國網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司山東菏澤274000）

基于遠程監(jiān)控技術(shù)的電力調(diào)度設(shè)計與實現(xiàn)

侯廣松，高軍，徐珂，吳衍達

（國網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司山東菏澤274000）

針對目前電力調(diào)度遠程監(jiān)控技術(shù)存在的問題，提出了一種基于C/S構(gòu)架下的在線電力調(diào)度遠程監(jiān)控平臺。首先根據(jù)感知層、傳輸層和應用層設(shè)計了系統(tǒng)總體架構(gòu)，然后利用ZigBee協(xié)調(diào)器模擬Modbus主站變電站傳感器、繼電器傳感器和用電負載傳感器，并通過嵌入式網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了與云服務器的TCP/IP通信。最后對整個系統(tǒng)中的電壓傳感器和功率傳感器進行網(wǎng)絡傳輸性能測試，結(jié)果表明：電壓傳感器和功率傳感器的ZigBee網(wǎng)絡傳輸分別達到5bps/Hz和10bps/Hz以上時，IR工作模式優(yōu)于1bxNt模式，并且ZigBee網(wǎng)絡監(jiān)控傳輸數(shù)據(jù)幀封裝正確。

電力調(diào)度；遠程監(jiān)控；ZigBee；工作模式；

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展為傳統(tǒng)的電力調(diào)度方法帶來新問題和新機遇，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電網(wǎng)一體化平臺（IMS）監(jiān)管系統(tǒng)通過先進的信息技術(shù)手段實現(xiàn)能源和電力的進一步精密化調(diào)控［1-2］。而電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)承載著大量關(guān)鍵信息的交互任務，其安全性與可靠性影響著電力系統(tǒng)的生產(chǎn)管理和調(diào)度運行［3-5］，因此，電力調(diào)度工作流具有廣域傳輸、安全以及系統(tǒng)集成等特性［6］。隨著電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的規(guī)模及業(yè)務應用逐步擴展，入網(wǎng)路由器設(shè)備類型不斷增加，設(shè)備的組網(wǎng)特性、性能和兼容性等技術(shù)要求對于調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的安全穩(wěn)定運行起著重要的作用［7］。

文中為了研究并優(yōu)化基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力調(diào)度，根據(jù)感知層、傳輸層和應用層設(shè)計了電力調(diào)度遠程監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)，通過設(shè)計系統(tǒng)的接收方案、工作模式選取等問題，從網(wǎng)絡傳輸與數(shù)據(jù)幀封裝的角度分析了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并輔以仿真分析。遠程監(jiān)控技術(shù)通過獲取變電站的傳感器的信息，不斷做出相應的電力調(diào)度指令，最終實現(xiàn)針對各變電站的電力綜合調(diào)度。

1　遠程監(jiān)控平臺總體設(shè)計

本系統(tǒng)采用感知層、傳輸層和應用層3個部分。其中，感知層主要由ZigBee傳感器網(wǎng)絡組成［8-9］，對變電站主控機箱、區(qū)域用電負荷數(shù)據(jù)進行采集送。傳輸層主要由嵌入式網(wǎng)關(guān)及相應的TCP/IP通信模塊組成［10］，實現(xiàn)對感知層的數(shù)據(jù)處理以及同服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸。應用層由服務器和客戶端組成，應用層設(shè)計采用C/S架構(gòu)，能方便地向供電監(jiān)管人員提供數(shù)據(jù)訪問和管理服務。

本系統(tǒng)感知層硬件主要分為3部分，變電站主控機箱、區(qū)域用電負荷傳感器和繼電器組。其中，變電站主控機箱、繼電器組、傳感器節(jié)點均采用基于ZigBee的無線網(wǎng)絡，繼電器組連接電氣設(shè)備。在傳輸距離上，選用ZigBee組網(wǎng)可實現(xiàn)下設(shè)備之間的互聯(lián)互通，且功耗較低，所以底層網(wǎng)絡采用ZigBee組網(wǎng)［9］。雖然ZigBee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸較低，但是在優(yōu)先保證本系統(tǒng)底層傳感器網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和可靠性的前提下，本系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡采用ZigBee網(wǎng)絡。

本系統(tǒng)傳輸層與應用層之間的通信基于TCP/IP協(xié)議，嵌入式網(wǎng)關(guān)采集感控終端網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)，通過TCP連接到服務器，將數(shù)據(jù)傳輸至遠程監(jiān)控平臺。在應用層遠程監(jiān)控平臺，本系統(tǒng)采用云服務器作為遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲管理平臺，并搭建數(shù)據(jù)庫，以C/S模型向供電監(jiān)管人員提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問和管理服務，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。整個系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)構(gòu)架

2　智能網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡終端

2.1ZigBee網(wǎng)絡傳輸

ZigBee網(wǎng)絡根據(jù)拓撲類型可以分為星型網(wǎng)絡、樹型網(wǎng)絡和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡3種［11］。鑒于本系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋范圍較小，因此選擇星型網(wǎng)絡作為網(wǎng)絡拓撲。為保證ZigBee網(wǎng)絡無線傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性以及該網(wǎng)絡的通用性，本系統(tǒng)以ZigBee協(xié)調(diào)器模擬Modbus主站，各ZigBee終端節(jié)點模擬Modbus從站，為每個ZigBee終端節(jié)點設(shè)置了一個節(jié)點地址，并在ZigBee傳輸報文中內(nèi)嵌了Modbus報文。Modbus通信協(xié)議是一個請求/應答協(xié)議，并且提供功能碼規(guī)定的服務。本系統(tǒng)中由ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)出數(shù)據(jù)請求和控制命令，等待對應ZigBee節(jié)點的反饋響應，實現(xiàn)對變電站監(jiān)測數(shù)據(jù)的讀取和底層網(wǎng)絡的控制。應用Modbus通信協(xié)議與多波段技術(shù)同時應用于系統(tǒng)之中，最大限度的利用ZigBee網(wǎng)絡傳輸空間與頻譜資源。通信容量可以用累積分布函數(shù)（CDF）來表征［12］，根據(jù)子波段選取規(guī)則不同，感應層節(jié)點可以分不同的工作模式，如表1所示。

表1　感知層的ZigBee節(jié)點

2.2變電站主控機箱

變電站主控機箱是為了實現(xiàn)電力調(diào)度控制的自動化、加強安全管理、提高供電效率而設(shè)置的一種現(xiàn)場級的監(jiān)控設(shè)備，它可以獨立使用也可以添加通信模塊接入網(wǎng)絡便于遠程集中管理和控制。主控機箱的硬件主要包括微控制器系統(tǒng)、傳感器模擬量輸入輸出模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、串口通訊模塊、CAN通信模塊和電源模塊。各模塊間的關(guān)系如圖2所示。

圖2　變電站主控機箱硬件結(jié)構(gòu)

其中，微控制器是主監(jiān)控機箱的控制核心，其通過開關(guān)量輸入模塊和模擬量輸入模塊分別檢測外部控制信號和外部傳感器輸入信號，通過開關(guān)量輸出模塊和模擬量輸出模塊發(fā)出控制信號。另外，相序檢測模塊用于檢測變電站的三相電順序，防止相序錯誤或者缺相錯誤。整個主控機箱通過USART接口連接一個ZigBee通信模塊實現(xiàn)與嵌入式網(wǎng)關(guān)進行通信。電源模塊為整個主控機箱硬件系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供應。

2.3開關(guān)量輸入模塊

由于區(qū)域工業(yè)環(huán)境中控制電壓和輸出電壓都比較高，且存在著許多瞬變脈沖，這些瞬變脈沖會損傷互連的設(shè)備。由于微控制器芯片高電平信號只有3.3V［13］，為防止瞬變脈沖損傷主控板卡，兩者之間需使用具有絕緣隔離功能的光電耦合器來維持信號的傳輸并保護主控板卡。開關(guān)量輸入模塊連接變電站供給的轉(zhuǎn)向動作請求電路，將變電站的供電、斷電以及配電量負載電壓信號轉(zhuǎn)換成微處理器可以識別的0～3.3V開關(guān)量信號。當主控芯片檢測到輸入信號變化，可啟動或停止相應定時器并執(zhí)行相應動作。開關(guān)量輸出模塊連接變電站控制繼電器，控制變壓器的供電負載。當程序判定允許加載高壓時，對應I/O口輸出高電平，光電隔離模塊放大輸出，繼電器線圈通電。

2.4模擬量輸入模塊

芯片雖然集成了A/D轉(zhuǎn)換器，但測量范圍只有0～3.3V，檢測范圍有限，而一般傳感器輸出電壓均在0～10V［14］。一旦外部電壓過高，很可能燒壞主控芯片，因此必須設(shè)計獨立的模擬量輸入模塊電路。為便于模擬量輸入端口的擴展，實現(xiàn)多路AD采集，本系統(tǒng)采用多路選擇開關(guān)。CD4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，有A、B和C 3個二進制控制輸入端以及INH共4個輸入，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。

2.5ZigBee協(xié)調(diào)器

ZigBee協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡的中心節(jié)點，負責建立ZigBee網(wǎng)絡并完成整個網(wǎng)絡的參數(shù)配置。由于本系統(tǒng)以ZigBee協(xié)調(diào)器模擬Modbus主站，ZigBee協(xié)調(diào)器需要對各節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)請求，等待接收節(jié)點的反饋信息并進行解析處理。通過設(shè)定定時器及其對應事件，協(xié)調(diào)器可周期性將接收到的ZigBee終端網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)送至ARM嵌入式網(wǎng)關(guān)。

2.6嵌入式網(wǎng)關(guān)

在Visual Studio 2008開發(fā)平臺上進行MFC智能設(shè)備程序設(shè)計以實現(xiàn)嵌入式智能網(wǎng)關(guān)功能。本嵌入式網(wǎng)關(guān)程序采用多線程技術(shù)，通過開辟兩條獨立線程，分別與ZigBee協(xié)調(diào)器和服務器進行通信，完成數(shù)據(jù)的接收、解析和發(fā)送工作。與此同時，為便于電力監(jiān)控人員根據(jù)需求進行定制，本嵌入式網(wǎng)關(guān)與服務器的TCP/IP通信，電力監(jiān)控人員可通過UART串行接口連接與服務器進行TCP/IP通信，也可插上網(wǎng)線直接與服務器進行TCP/IP通信。網(wǎng)線直接接入的可靠性最高，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量最穩(wěn)定，可利用Win CE下的Socket網(wǎng)絡編程接口［15］，輕松實現(xiàn)與服務器的TCP/IP通信，但必須考慮網(wǎng)線布置問題。

3　遠程監(jiān)控平臺

遠程監(jiān)控平臺主要由服務器、數(shù)據(jù)庫和智能電網(wǎng)平臺程序組成，其中服務器是遠程監(jiān)控平臺的核心，是供電監(jiān)管人員和設(shè)備的橋梁。

3.1數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫主要對現(xiàn)場采集到的起重機狀態(tài)信息和環(huán)境信息進行存儲和維護，并向客戶端程序提供連接接口，以便于向客戶提供數(shù)據(jù)查詢和分析服務。由于SQL Server成本較低且數(shù)據(jù)庫的可恢復性更好［16］，因此本系統(tǒng)選擇SQL Server數(shù)據(jù)庫。

3.2服務器

服務器軟件主要負責嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)的接收和校驗，當服務器接收到終端網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行加工處理后，一方面通過將數(shù)據(jù)存儲至云端的SQL Server數(shù)據(jù)庫，另一方面提供智能電網(wǎng)平臺連接，向智能電網(wǎng)平臺轉(zhuǎn)發(fā)當前實時數(shù)據(jù)，與此同時時刻準備接受來自變電站的反饋信息，進而對嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)送控制命令。為實現(xiàn)各區(qū)域變電站同時連接，服務器程序使用線程池和完成端口模型，該模型解決了并行線程過多導致系統(tǒng)效率降低的問題，能夠充分利用Windows內(nèi)核進行I/O調(diào)度，大大提升應用程序并發(fā)處理能力，通過通知隊列將實時數(shù)據(jù)發(fā)送至各個客戶端，即使很多所變電站同時連接也可保持服務器程序的穩(wěn)定運行。

3.3智能電網(wǎng)平臺

智能電網(wǎng)平臺軟件基于MFC單文檔程序設(shè)計，為保證智能電網(wǎng)平臺與服務器連接的可靠性，本系統(tǒng)采用TCP連接。本文智能電網(wǎng)平臺軟件既可接收由服務器發(fā)來的實時數(shù)據(jù)，也可連接云端的SQL Server數(shù)據(jù)庫進行歷史記錄查詢。同時，客戶端軟件也可向服務器發(fā)出對終端網(wǎng)絡的控制信息，實現(xiàn)電力調(diào)度遠程控制。

4　性能檢測

本系統(tǒng)采用Packet Sniffer軟件監(jiān)聽ZigBee網(wǎng)絡，以變壓傳感器和功率傳感器為例，協(xié)調(diào)器模擬的Modbus主站依次向變壓傳感器節(jié)點和功率傳感器節(jié)點請求數(shù)據(jù)。表2中給出遠程監(jiān)控信號傳輸仿真各參數(shù)設(shè)置。

表2　監(jiān)控信號傳輸仿真參數(shù)設(shè)置

圖3　傳感器工作模式對應的累積分布函數(shù)

圖3給出了變壓傳感器和功率傳感器兩個工作模式的CDF曲線，細線表示變壓傳感器在IR工作模式下不同ZigBee網(wǎng)絡傳輸設(shè)置對應的CDF曲線，粗線表示1b×Nt模式下不同ZigBee網(wǎng)絡傳輸設(shè)置對應的CDF曲線，可見ZigBee網(wǎng)絡傳輸達到5 bps/Hz以上時，IR工作模式優(yōu)于1b×Nt模式（虛線部分表示功率傳感器，同變壓傳感器）。變壓傳感器節(jié)點的Modbus從站地址事先設(shè)定為0x08，功率傳感器節(jié)點的Modbus從站地址事先設(shè)定為0x09。網(wǎng)絡地址為0x0000的協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送的Modbus變壓數(shù)據(jù)請求如表3所示。

表3ZigBee網(wǎng)絡監(jiān)控結(jié)果

由表3可見，Modbus請求報文為08 14 05 00 08 0F 14 08，其中，第1字節(jié)為Modbus從站地址；第2字節(jié)是功能碼，此處為功能碼14，讀取保存寄存器值；第3、4字節(jié)是起始寄存器地址，此處為5；第5、6字節(jié)為寄存器數(shù)量，此處為8F；第7、8字節(jié)是CRC校驗碼。網(wǎng)絡地址為0XC4C9的變壓傳感器節(jié)點的應答報文為00 14 04 00 08 0F 14 09 08，其中，第1字節(jié)為Modbus從站地址；第2字節(jié)是功能碼；第3字節(jié)是寄存器數(shù)量；第4、5、6、7字節(jié)為讀取的數(shù)據(jù)；第8、9字節(jié)是CRC校驗碼。在協(xié)調(diào)器節(jié)點收到應答后繼續(xù)向網(wǎng)絡地址為0XBAB6的功率傳感器節(jié)點發(fā)送08 14 05 00 08 0f 14 09的Modbus請求報文，功率傳感器節(jié)點回復00 14 04 00 08 0F 14 0A 09的Modbus應答報文，經(jīng)測試，Modbus數(shù)據(jù)幀封裝正確。

5　結(jié)論

文中通過構(gòu)建了感知層、傳輸層和應用層三層架構(gòu)，實現(xiàn)了嵌入式網(wǎng)關(guān)、服務器和客戶端之間的信息交換。利用ZigBee［17-18］協(xié)調(diào)器模擬Modbus主站變電站傳感器、繼電器傳感器和用電負載傳感器，并通過嵌入式網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了與云服務器的TCP/IP通信。對整個系統(tǒng)中的傳感器進行網(wǎng)絡傳輸性能測試中，電壓傳感器的ZigBee網(wǎng)絡傳輸達到5bps/Hz以上時，IR工作模式優(yōu)于1bxNt模式；而對于功率傳感器而言，只有ZigBee網(wǎng)絡傳輸達到10bps/Hz以上時，IR工作模式才能優(yōu)于1bxNt模式。模擬驗證了協(xié)調(diào)器的ZigBee網(wǎng)絡監(jiān)控傳輸數(shù)據(jù)幀封裝正確，且整個系統(tǒng)測試運行穩(wěn)定。本研究設(shè)計的電力調(diào)度的遠程控制對區(qū)域內(nèi)的電力配給具有一定的參考和應用價值。

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Electric power dispatching based on the technology of remote monitoring of the design and implementation

HOU Guang-song，GAO Jun，XU Ke，WU Yan-da
（State Grid Shandong Eletric Power Company Limited，Heze 274000，China）

In view of the present problems of electric power dispatching remote monitoring technology，puts forward a kind of based on C/S architecture online power dispatching remote monitoring platform.First according to the perception layer，transport layer and application layer design the system's overall architecture，then using ZigBee coordinator simulation Modbus master station substation sensor，relay sensor and electricity load sensor，and through the embedded gateway to realize the TCP/IP communication with cloud server.Finally to the system voltage sensors and power sensors in the network transmission performance test，the results show that the voltage sensor and ZigBee network transmission of power sensor reached more than 5 bps/Hz and 10 bps/Hz，IR work mode is better than 1bXNt mode，and ZigBee network monitoring data transmission frame encapsulation is correct.

electric power dispatching；remote monitoring；ZigBee；working mode

TN919.5

A

1674－6236（2016）17-0107-04

2016-03-04稿件編號：201603044

國家自然科學基金資助項目（60974032）；山東省自然科學基金資助項目（ZR2011EEM024）

侯廣松（1974—），男，山東菏澤人，碩士，高級工程師。研究方向：調(diào)度技術(shù)與運行管理。