基于無線傳感網(wǎng)變配電監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

代長(zhǎng)明，杜春梅，王劍雄，馮英偉

（河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075000）

電網(wǎng)的可靠運(yùn)行是工農(nóng)業(yè)建設(shè)的關(guān)鍵因素。而變配電作為供配電系統(tǒng)的重要一環(huán)，它的運(yùn)行也至關(guān)重要。早期的變配電站是通過大量的人員巡檢來了解和監(jiān)控各個(gè)用戶或線路的運(yùn)行狀況，這種方式對(duì)供電系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行情況、各條線路的電壓、電流和功率等情況，都不能做到及時(shí)、全面的掌握。操作人員只能根據(jù)掌握的情況，結(jié)合個(gè)人的操作經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行線路運(yùn)行調(diào)整。一旦發(fā)生事故，因?yàn)楣收宵c(diǎn)不一定只處在一點(diǎn)，所以操作起來需要比較長(zhǎng)的時(shí)間，具有明顯延遲的特征。顯然，這種落后的狀況直接影響了電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

電力電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為供配電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供了有力的技術(shù)支持。于是帶有“四遙”功能的無人值班變電站應(yīng)運(yùn)而生。這種無人值守的變配電監(jiān)控系統(tǒng)，將測(cè)量、監(jiān)控、保護(hù)和通訊等功能綜合在一起，構(gòu)成了一個(gè)資源和信息共享的全微機(jī)化系統(tǒng)，對(duì)變配電站的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了遙信、遙測(cè)、遙控和遙調(diào)，以真正實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的自動(dòng)化和智能化，保證系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行。

變配電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)包括本地監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控兩種方式。過去，本地監(jiān)控都主要利用有線線路構(gòu)建局域網(wǎng)的形式完成，而遠(yuǎn)程監(jiān)控部分利用信息公用網(wǎng)完成。這種方式缺乏組網(wǎng)布線的靈活性，維護(hù)困難。因此，利用無線傳感網(wǎng)和公共移動(dòng)通信網(wǎng)來完成本地和遠(yuǎn)程監(jiān)控，是一種真正實(shí)現(xiàn)無人值守，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)現(xiàn)代化管理的方法，并在運(yùn)行、安全、設(shè)計(jì)、施工、檢修、維護(hù)和管理等方面都能帶來便利的良好措施。

1 無線傳感網(wǎng)的構(gòu)建及遠(yuǎn)程通訊的設(shè)計(jì)

微電子、計(jì)算機(jī)、無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，推動(dòng)了低功耗傳感器系統(tǒng)的發(fā)展。這種傳感器系統(tǒng)能夠在微小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等功能，以便對(duì)一定范圍內(nèi)的設(shè)備儀器進(jìn)行有效地監(jiān)控。

一個(gè)典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)一般包括傳感器節(jié)點(diǎn)、接收發(fā)送設(shè)備等組成環(huán)節(jié)，這些設(shè)備通過無線通信方式組成一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的相關(guān)對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行感知、數(shù)據(jù)收集、信號(hào)傳輸?shù)?，以?shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、監(jiān)控和管理的一種新型網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)被稱為“無線傳感網(wǎng)”[1]。

對(duì)于每一個(gè)無線傳感網(wǎng)而言，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是組成網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。針對(duì)于每個(gè)不同的應(yīng)用環(huán)節(jié)，傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)也有所不同，但是其主要的功能都是負(fù)責(zé)設(shè)備信息及環(huán)境信息的采集和進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；在傳感器節(jié)點(diǎn)中，處理控制中心是核心部件，它負(fù)責(zé)處理傳感器節(jié)點(diǎn)采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，同時(shí)協(xié)調(diào)無線傳感網(wǎng)其他部分的功能；整個(gè)無線傳感網(wǎng)的通信功能由通信處理單元來完成，負(fù)責(zé)無線傳感網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)之間控制和數(shù)據(jù)消息的傳遞。因此，從以上分析可知，一個(gè)完整的傳感網(wǎng)結(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、嵌入式操作系統(tǒng)和饋電單元五部分組成，當(dāng)然，由于應(yīng)用場(chǎng)合的不同，還可能包含結(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)電裝置等，具體結(jié)點(diǎn)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)基本結(jié)構(gòu)

無線傳感網(wǎng)相比于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，具有相應(yīng)的特殊性，這些特殊性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[2]：1）每一個(gè)無線傳感網(wǎng)結(jié)點(diǎn)的能量、計(jì)算能力、存儲(chǔ)能量均有限，因此無線傳感網(wǎng)比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)結(jié)點(diǎn)密度大，數(shù)量多。由于結(jié)點(diǎn)數(shù)量多，導(dǎo)致了這些結(jié)點(diǎn)一般沒有統(tǒng)一的標(biāo)識(shí)；2）傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將與數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理相關(guān)的功能都放在網(wǎng)絡(luò)的底端系統(tǒng)上，中間的通信層只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)。而無線傳感網(wǎng)中的每一個(gè)結(jié)點(diǎn)一般均具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)處理的雙重功能。由于每一個(gè)無線傳感網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)的能量又有限，因此當(dāng)一個(gè)結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了故障之后，需要馬上由鄰近的結(jié)點(diǎn)替代實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)的功能，這就對(duì)網(wǎng)絡(luò)的健壯性提出了較高的要求。

針對(duì)以上的問題，無線傳感器網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)宜采用多層次結(jié)點(diǎn)、3項(xiàng)管理相結(jié)合的方式來完成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無線傳感網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

從圖中可知，傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由傳感器結(jié)點(diǎn)(sensor)、匯聚結(jié)點(diǎn)（sink)和管理結(jié)點(diǎn)組成。大量的傳感器結(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在數(shù)據(jù)采集區(qū)域的內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器結(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器結(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，經(jīng)過多跳后路由到匯聚結(jié)點(diǎn)，最后通過通信網(wǎng)絡(luò)到達(dá)遠(yuǎn)程管理中心。在遠(yuǎn)程管理中心，設(shè)置有應(yīng)用層程序，用戶通過管理結(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布遠(yuǎn)程控制命令，實(shí)現(xiàn)有效地監(jiān)測(cè)。當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模太大時(shí)，無線傳感網(wǎng)采用三級(jí)結(jié)點(diǎn)的管理方式不利于數(shù)據(jù)及控制命令的遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)，因此需要結(jié)合聚類分層的管理模式來實(shí)現(xiàn)。

無線傳感網(wǎng)聚類分層管理模式的中心思想是借助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次結(jié)構(gòu)中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層，充分在各層上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的能量管理、任務(wù)管理和移動(dòng)管理，以便對(duì)各結(jié)點(diǎn)的功能進(jìn)行有效地監(jiān)控。

利用無線傳感網(wǎng)所能構(gòu)建的只是本地監(jiān)控部分，而要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控就必須利用遠(yuǎn)程公共網(wǎng)。由于3G技術(shù)的發(fā)展，使得基于3G技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸成為可能。

3G是第三代移動(dòng)通信技術(shù)的簡(jiǎn)稱，是一種支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通訊技術(shù)。目前在我國(guó)存在三種3G通信標(biāo)準(zhǔn)，分別是中國(guó)移動(dòng)的TD-SCDMA、中國(guó)聯(lián)通的WCDMA和中國(guó)電信的CDMA2000。對(duì)于這三種無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)劣，由于中國(guó)聯(lián)通的WCDMA是網(wǎng)速最快、運(yùn)行最穩(wěn)定的3G網(wǎng)絡(luò)，因此選擇中國(guó)聯(lián)通的WCDMA作為遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)。

2 變配電監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

變配電監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)對(duì)在線運(yùn)行的變配電站的全部設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)視、測(cè)量、保護(hù)、控制和管理的自動(dòng)化系統(tǒng)。其應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的具體功能有：（1）采集供配電設(shè)備狀態(tài)、報(bào)警信息、歸檔并生成相應(yīng)的報(bào)警畫面；（2）利用無線傳感網(wǎng)及3G網(wǎng)將所采集的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)傳送至本地上位機(jī)及遠(yuǎn)程中央監(jiān)控中心，以保證變配電設(shè)備的電量（電壓、電流等）能夠在監(jiān)控中心及時(shí)顯示及歸檔，并生成相應(yīng)的變化曲線；（3）通過本地或遠(yuǎn)程控制主變的分接開關(guān)以調(diào)整母線的電壓，實(shí)現(xiàn)主變帶電并聯(lián)倒閘；（4）遠(yuǎn)程控制高壓開關(guān)，實(shí)現(xiàn)各類用電設(shè)備的停送電功能。

具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，各個(gè)設(shè)備利用無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集部分進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過傳感網(wǎng)內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過處理中心處理后，由無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳至本地上位機(jī)，本地上位機(jī)可以顯示數(shù)據(jù)參數(shù)、報(bào)警信息上傳、控制命令執(zhí)行等功能，是整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的核心部分。本地上位機(jī)收集處理過的信息通過3G網(wǎng)絡(luò)上傳給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、曲線變化圖形的監(jiān)控、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、報(bào)警信息、控制命令下達(dá)等功能。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 總結(jié)

隨著全社會(huì)對(duì)電力資源需求的增多，以及對(duì)電能質(zhì)量要求的提高，各種智能化的供配電監(jiān)控系統(tǒng)成為電力系統(tǒng)運(yùn)行保障的關(guān)鍵因素之一。本文利用以ZigBee無線傳感網(wǎng)和3G公共移動(dòng)通信網(wǎng)來構(gòu)建本地和遠(yuǎn)程供配電監(jiān)控系統(tǒng)，符合未來供配電系統(tǒng)方便、功能強(qiáng)大、易于編程的基本要求，因此是一種真正實(shí)現(xiàn)無人值守、電網(wǎng)的現(xiàn)代化管理有效措施，其在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用也將在一定程度上為無線傳感網(wǎng)及3G網(wǎng)結(jié)合應(yīng)用提供一個(gè)良好的范例。

[1] 朱文偉.無線傳感網(wǎng)與GPRS通信網(wǎng)互連網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京郵電大學(xué)，2013:11-12.

[2] 杜欣.無線傳感網(wǎng)在電力系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用[D].保定：華北電力大學(xué)，2012：15-17.