基于物聯網的智能電網監控系統研究

杜春梅，代長明，屈建平，王慶林

（河北建筑工程學院，河北 張家口 075000）

基于物聯網的智能電網監控系統研究

杜春梅，代長明，屈建平，王慶林

（河北建筑工程學院，河北 張家口 075000）

隨著電力電子技術的發展，電力系統的規模和復雜度日益提高，對智能電網的堅強性、可靠性、安全性、故障監控等方面有了更高的要求，因此，對智能電網進行有效的監控具有重要的意義。針對智能電網的可能故障，利用物聯網技術構建出相應的綜合監控管理系統。該系統采用ZigBee技術來構建底層數據采集網，采用GPRS網絡與Internet網實現中層的數據傳輸，上層采用SQLServer2005構建數據存儲和處理中心，從而實現了有效的遠程監控。

智能電網；GPRS；物聯網；監控系統

為了提高電網運營的安全、可靠和經濟性，提高能源利用效率，實現節能減排，智能電網成為世界各國關注的電力改革重點。智能電網的核心技術是數字化電網，是一個基于先進信息技術的動態系統，它利用遍布全網的傳感器對整個電網的運行狀態進行快速診斷并采取行動，從而實現高峰時段電網運行效率的決策支持。智能電網的研究和發展對電力系統的改革產生深遠的影響，同時也對智能電網的設計提出了更高的要求。因此，開發基于先進技術的智能電網監控系統成為各國科研人員的重點課題。

本文利用物聯網技術構建了一套智能電網的實時監控系統。該系統采用多種傳感器、ZigBee短距離無線通信網作為底層數據采集、處理、發送系統，并通過GSM/GPRS通訊網絡，將數據傳送至遠程監控中心，以便實現有效的遠程監控。

1 物聯網技術分析

隨著互聯網技術的不斷發展，物聯網被應用在各行各業，在智能家居、交通、環保、安全及工業監測等多個領域發揮著重要作用。物聯網又叫傳感網，是利用底層RFID（射頻識別）、紅外感應器等各種信息傳感設備，按約定的通信協議，將被監控對象與互聯網相連接，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種綜合智能網絡。

物聯網是以數據為中心的面向應用的網絡，網絡的組成包括感知結點、傳感網、核心承載網和信息服務系統等幾大部分。系統硬件平臺組成如圖1所示，其中，傳感網包括感知結點（數據采集、控制）和末梢網絡（匯聚結點、接入網關等）；核心承載網絡為物聯網業務的基礎通信網絡；信息服務系統硬件設施主要負責信息的處理和決策支持[1]。

圖1 物聯網硬件平臺示意圖

物聯網與傳統網絡的主要區別在于：物聯網擴大了傳統網絡的通信范圍，即物聯網不僅僅局限于人與人之間的通信，還擴展到人與物、物與物之間的通信，所以物聯網的價值主要在于網，而不在于物。因此，如何借助物聯網技術來構建智能電網的遠程監控系統是課題的研究重點。

2 監控系統總體設計方案

智能電力監控系統是由智能測控裝置、網絡設備及計算機設備等互聯布局而成。主要功能是對電力系統中的高壓開關柜、低壓開關柜、應急發電機組、電力變壓器和EPS/UPS/ATS等的工作狀態進行監控。通過實時記錄單相/三相電壓、單相/三相電流、功率、功率因數、電度、頻率和電流開關狀態等各項參數而實現監測，當參數值超出允許范圍時便產生預警、報警，并對相關設備進行控制。

底層傳感網由ZigBee網絡構成，終端結點都采用智能終端。如圖2所示，每個終端結點都具備無線電收發器、微控制器、數模轉換等結構，因此每一個結點都具有一定的數據處理和運算的能力。

圖2 ZigBee結點結構

ZigBee射頻芯片采用德州儀器(TI)所生產的CC2530-F256，片上集成高性能低功耗8051內核、128-bit ADC、2個USART以及功能強大的DMA功能，支持Zig-Bee2207/Pro協議棧。較CC2430相比，CC2530在發射功率、鏈路預算、射頻噪聲抑制能力、低功耗以及ESD防護能力等方便都有較大的提升[2]。因此，本設計中采用CC2530作為Zig-Bee解決方案。

整個ZigBee網絡采用網狀結構，包括一個ZigBee協調點和多個ZigBee終端終點。協調點采用全功能設備FFD，負責建立和維護整個網絡。其他結點一般選擇簡化功能設備RFD，同時在關鍵設備上放置FFD，以便保證數據的處理能力。整個網絡采用多跳自組織形式，具有完善的自恢復能力。

為增強整個網絡的數據處理能力，底層的數據采集部分在將數據傳送至通信層之前設置數據融合中心，底層的數據將集中傳送到該中心。該中心由現場PC機擔當，具有一定的數據實時處理能力和控制功能，可以對現場的故障狀況作出及時的反應。

監控系統的通信層由GSM/GPRS通訊網絡來構建。GSM是全球移動通信系統，是世界上最先推出的數字蜂窩通信系統，具有頻譜效率高、容量大、話音質量高、安全性強、可以實現智能業務和國際漫游的功能。我國從1993年開始正式開放GSM業務，經過多年的發展，GSM已經成為目前國內最成熟和市場占用量最大的一種數字蜂窩通信系統。但是GSM是基于電路交換方式的9.6 kb/s的數據業務，這個速率對于監控系統的多媒體業務來說，速率太低而無法實現圖像和視頻的監控。因此，在GSM的基礎之上采用通用分組無線業務GPRS是實現有效監控的一種方式。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發結構、無線調制標準、跳頻規則及相同的TDMA幀結構。因此GPRS既可以利用現有完善的GSM網絡資源，又可具有比GSM更高的數據傳輸效率，可擔當監控系統的數據傳輸系統。如果監控系統要采用視頻監控的話，應當選擇3G網絡來完成數據的傳輸。

智能電網的上層管理功能由中央監控中心來完成。中央監控中心內設置高性能服務器，選擇SQL Server2005作為數據庫管理系統，利用VC編制相應的監控應用軟件。服務器與一部GSM通訊機相連，通過GSM無線網絡對所轄臺區的漏電保護器及其它智能電力設備進行管理。具體功能包括所有設備的運行參數查詢、故障信息收集，對漏電保護設備的運行信息查詢，對所有設備進行遠程操作及信息的存儲和傳遞。

智能電網的上位機部分除完成基層電力設備的信息存儲、查詢外，還設有相應的專家決策系統，從而幫助系統有效協調電網的整體運行狀況。專家決策系統由三部分組成，分別為數據支持層、網絡分析層、指揮系統協調層。數據支持層主要完成實時收集電力系統數據和監控系統運行狀態的作用，內設兩個數據庫，一個為運行狀態數據庫，另一個為故障數據庫。運行狀態數據庫中的數據會在應用程序中與系統中的工作標準數據相比較，如果運行數據合乎運行標準，則進行保存，如果運行數據不合乎標準，則將數據傳送至網絡分析層。網絡分析層設置模糊規則數據庫，利用模糊算法結合故障數據庫的數據對疑似故障數據進行安全性分析，并所出相應的判斷。第三層為指揮系統協調層，這一層根據網絡分析層所分析的結果，決定系統的控制功能，以保證系統的安全運行。

3 總結

本文設計了基于物聯網的智能電網監控系統，可以有效、方便地利用智能終端對電力系統的運營狀態進行遠程管理，節約了人力成本，大大提高了工作效率和經濟效益。

該系統采用ZigBee網絡構建底層數據采集層，終端節點采用嵌入式智能終端系統，可以實現數據的及時采集與傳輸。通信層由GRPS網絡來擔當，由VC+SQL Server2005來組成遠程監控應用體系。

該系統的使用可以將目前的電網管理提升一個新的臺階，有助于對電網用電狀況作出準確的分析和決策，對實現電網的智能管理具有重要的意義。

[1]屈軍鎖.物聯網通信技術[M].北京：中國鐵道出版社，2011：30-35.

[2]胡雯.基于無線傳感器網絡的智能建筑溫濕度監控系統研究[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

河北建筑工程學院青年基金項目(KYQ-201317)

杜春梅(1979—)，女(滿族)，遼寧省人，講師，主要研究方向為計算機檢測技術。