基于無(wú)線傳感網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

司亞超，呂國(guó)，于江利

(河北建筑工程學(xué)院，河北張家口 075000)

基于無(wú)線傳感網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

司亞超，呂國(guó)，于江利

(河北建筑工程學(xué)院，河北張家口 075000)

針對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，構(gòu)建出基于無(wú)線傳感網(wǎng)+GPRS的遠(yuǎn)程電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)符合現(xiàn)階段電網(wǎng)分布的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和電力市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，能夠滿足目前電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的基本要求，是一個(gè)功能齊全、高性價(jià)比的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有良好的應(yīng)有前景和市場(chǎng)價(jià)值。介紹了該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)；分布式電網(wǎng)；無(wú)線傳感網(wǎng)；GPRS

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種電力整流設(shè)備、大容量調(diào)速電機(jī)、非線性用電設(shè)施、無(wú)功補(bǔ)償?shù)妊b置大量地涌入了電力系統(tǒng)，對(duì)電力系統(tǒng)和用電設(shè)備運(yùn)行造成很大的危害。而與此同時(shí)，高科技設(shè)備的大量使用也促使生產(chǎn)過(guò)程對(duì)電能質(zhì)量的要求不斷提高。因此，針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、評(píng)估、控制已經(jīng)成為電網(wǎng)調(diào)度管理部門必不可少的工作之一，也成為保證電網(wǎng)安全、可靠運(yùn)行的必要條件。

所謂合格的電能質(zhì)量是指給敏感設(shè)備提供的電力接地系統(tǒng)適合該設(shè)備正常的工作。因此，在實(shí)際供電系統(tǒng)中，電能質(zhì)量的危害主要體現(xiàn)在與用戶密切相關(guān)的配電系統(tǒng)以及低壓網(wǎng)絡(luò)中，比如電壓跌落問(wèn)題引起的設(shè)備誤跳閘、短時(shí)斷電現(xiàn)象造成的計(jì)算機(jī)服務(wù)器數(shù)據(jù)丟失、諧波問(wèn)題引起的用戶設(shè)備不正常發(fā)熱等內(nèi)容。針對(duì)以上問(wèn)題，大多數(shù)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都需要具備以下幾個(gè)功能[1]：能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電力體系基本運(yùn)行工況的觀察、記錄和動(dòng)態(tài)分析，對(duì)各種電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行有效實(shí)時(shí)的更新測(cè)量和數(shù)據(jù)采集；根據(jù)電能質(zhì)量的相關(guān)指標(biāo)，完成對(duì)基本運(yùn)行工況的識(shí)別、分析和判斷，具有事故診斷能力，為改善電能質(zhì)量和治理電網(wǎng)污染提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)；通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)可以完整了解電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的運(yùn)行條件，對(duì)電能質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 實(shí)時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)分析

實(shí)時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的功能核心是有效、及時(shí)地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行基本工況數(shù)據(jù)的采集、傳輸、匯總分析等環(huán)節(jié)。具體說(shuō)，就是通過(guò)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，將重要設(shè)備作為一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行收集，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)形式將數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸至現(xiàn)場(chǎng)管理中心，或者通過(guò)公網(wǎng)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。在現(xiàn)場(chǎng)管理中心或遠(yuǎn)程控制中心，設(shè)置相應(yīng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，將系統(tǒng)運(yùn)行工況數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比較，從而得出系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，以便實(shí)現(xiàn)相關(guān)的調(diào)控。具體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電能質(zhì)量監(jiān)控整體結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，整個(gè)系統(tǒng)分為三層結(jié)構(gòu)。第一層為數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)場(chǎng)控制層，主要采用無(wú)線傳感網(wǎng)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集及局域通信網(wǎng)。這一層是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。第二層為遠(yuǎn)程通信層，由于第一層的監(jiān)控功能主要集中在某一個(gè)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)較大范圍電能質(zhì)量的監(jiān)控與調(diào)整。因此，在第一層的基礎(chǔ)上，利用GPRS技術(shù)構(gòu)建遠(yuǎn)程通信方式，以便滿足大范圍監(jiān)控及現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守的功能需求。第三層為遠(yuǎn)程控制中心層，這一層是整個(gè)電網(wǎng)的調(diào)度管理中心，數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)場(chǎng)控制層通過(guò)遠(yuǎn)程通信層將所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)匯集于監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫(kù)中，進(jìn)行統(tǒng)一的處理和分析，并且根據(jù)分析結(jié)果制定相應(yīng)的控制措施，再通過(guò)通訊層將控制命令傳送回現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)整和控制。

控制中心設(shè)有軟件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server2005完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。在數(shù)據(jù)庫(kù)中存放的有歷史數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行的工況數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)的參數(shù)。軟件系統(tǒng)主要有節(jié)點(diǎn)設(shè)備的信息管理模塊、節(jié)點(diǎn)設(shè)備維護(hù)管理模塊、節(jié)點(diǎn)設(shè)備歷史數(shù)據(jù)模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、統(tǒng)計(jì)分析模塊、遠(yuǎn)程控制模塊、系統(tǒng)報(bào)警模塊等。系統(tǒng)管理人員通過(guò)軟件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)完成對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 無(wú)線傳感網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)通信層結(jié)構(gòu)分析

理論上講，無(wú)線傳感網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的一部分，是指通過(guò)各種傳感器、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)而形成的一個(gè)有利于物品識(shí)別和定位的網(wǎng)絡(luò)[2]。一個(gè)典型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要包括：分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、接收發(fā)送設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程控制軟件系統(tǒng)。在這其中，分布式傳感器節(jié)點(diǎn)主要由節(jié)點(diǎn)設(shè)備監(jiān)控傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信單元的微節(jié)點(diǎn)，通過(guò)自組織的方式組成。節(jié)點(diǎn)設(shè)備監(jiān)控傳感器采用各種電能質(zhì)量所需的電壓、電流、溫度、濕度傳感器組成。這些傳感器的選型標(biāo)準(zhǔn)是要具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍的基本特征。數(shù)據(jù)處理單元的主要功能是對(duì)從傳感器采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步處理。本文選取TI公司出品的MSP430F149作為MCU，主要是因?yàn)樵揗CU具有超低功耗、數(shù)據(jù)處理速度快的基本特性。通信單元選用Chipcon公司生產(chǎn)的無(wú)線通信模塊CC2430來(lái)完成，該芯片是一款符合ZigBee技術(shù)的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器件，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)，并通過(guò)SPI接口與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而完成快速地接收來(lái)自于中央監(jiān)控系統(tǒng)的控制命令并將這些命令發(fā)送至各節(jié)點(diǎn)設(shè)備。同時(shí)，CC2430還使用了SFD、FIFO、FIFOP和CCA四個(gè)引腳來(lái)表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)，便于及時(shí)掌握設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸效能，從而確保通信的有效性和可靠性。

電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)主要由兩大部分組成：一部分是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控部分；另一部分是遠(yuǎn)程監(jiān)控部分。而無(wú)線傳感網(wǎng)可以很好地實(shí)現(xiàn)這兩項(xiàng)功能。

無(wú)線傳感網(wǎng)具有布點(diǎn)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的具體特性。同時(shí)由于不需要布置有線網(wǎng)絡(luò)，所以適用于布線困難、人員不易到達(dá)或經(jīng)常需要變更監(jiān)控點(diǎn)的場(chǎng)合，因此非常適合于構(gòu)造電能質(zhì)量監(jiān)控的現(xiàn)場(chǎng)控制部分。無(wú)線傳感網(wǎng)需要兩種通信技術(shù)來(lái)支撐：一種是短距離的無(wú)線傳感網(wǎng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信，另一種是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸。本設(shè)計(jì)中短距離的數(shù)據(jù)通信主要完成無(wú)線傳感網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸，利用的是ZigBee技術(shù)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)形成無(wú)需人工干預(yù)，設(shè)備節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)信息交互來(lái)探知其它設(shè)備節(jié)點(diǎn)的存在，以確定各節(jié)點(diǎn)之間的相互關(guān)系；同時(shí)ZigBee網(wǎng)絡(luò)還具有完善的自愈功能，使得在電氣設(shè)備增加、刪除或更改了位置之后，系統(tǒng)能夠自動(dòng)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)，不需人工干預(yù)，從而保證了系統(tǒng)的靈活性、有效性和可靠性。具體ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸可以利用兩種方式來(lái)完成：在Internet網(wǎng)絡(luò)健全的地方，利用現(xiàn)用的Internet網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成；在GPRS技術(shù)發(fā)達(dá)的地方，可以利用GPRS技術(shù)來(lái)構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成數(shù)據(jù)的傳輸。對(duì)于這兩種方式，Internet網(wǎng)絡(luò)的可靠性高，但結(jié)構(gòu)不夠靈活；而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)靈活但可靠性稍差，因此需要結(jié)合使用。

3 總結(jié)

本文介紹了基于無(wú)線傳感網(wǎng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。該系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)無(wú)線或有線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)自動(dòng)傳送至電能質(zhì)量管理中心。管理中心設(shè)置相應(yīng)的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，用來(lái)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。管理人員通過(guò)遠(yuǎn)程控制中心的應(yīng)用程序接口調(diào)用訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，從而了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)所需要分析的對(duì)象進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)分析，以便為協(xié)調(diào)控制提供決策依據(jù)。遠(yuǎn)程控制中心的應(yīng)用程序設(shè)置實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)運(yùn)行不一致時(shí)，系統(tǒng)將通過(guò)聲光等形式進(jìn)行報(bào)警提示。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量的自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)也改善了以往有線網(wǎng)不夠靈活、維護(hù)困難的缺陷，有助于構(gòu)建層次分明、拓展性強(qiáng)、決策支撐完備的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有一定的推廣價(jià)值。

[1]王文亮，申健．智能建筑供配電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．電源技術(shù)，2010(7)：7-9.

[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 design of quality control system based on wireless sensor network

SI Ya-chao,LV Guo,YU Jiang-li

Power quality monitoring system for field data acquisition and remote coordinating control problems were considered,and then remote power quality monitoring system based on the wireless sensor network+GPRS was constructed.The system was in line with current structural characteristics of the distribution grid and electricity market trends,and the basic requirements of power quality monitoring system could be meted.Full-featured,high cost were the basic requests of power quality monitoring system.And the system obtained good application prospect and market value.The overall design of the system,key technology and related implementation process were described.

power quality monitoring;distributed network;wireless sensor network;GPRS

TM 63

A

1002-087 X(2014)02-0373-02

2013-09-18

司亞超(1980—)，男，河北省人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、無(wú)線傳感網(wǎng)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。