基于遠程監控技術的電力調度設計與實現

侯廣松，高軍，徐珂，吳衍達

（國網山東省電力公司菏澤供電公司山東菏澤274000）

基于遠程監控技術的電力調度設計與實現

侯廣松，高軍，徐珂，吳衍達

（國網山東省電力公司菏澤供電公司山東菏澤274000）

針對目前電力調度遠程監控技術存在的問題，提出了一種基于C/S構架下的在線電力調度遠程監控平臺。首先根據感知層、傳輸層和應用層設計了系統總體架構，然后利用ZigBee協調器模擬Modbus主站變電站傳感器、繼電器傳感器和用電負載傳感器，并通過嵌入式網關實現了與云服務器的TCP/IP通信。最后對整個系統中的電壓傳感器和功率傳感器進行網絡傳輸性能測試，結果表明：電壓傳感器和功率傳感器的ZigBee網絡傳輸分別達到5bps/Hz和10bps/Hz以上時，IR工作模式優于1bxNt模式，并且ZigBee網絡監控傳輸數據幀封裝正確。

電力調度；遠程監控；ZigBee；工作模式；

互聯網技術的不斷發展為傳統的電力調度方法帶來新問題和新機遇，基于互聯網技術的智能電網一體化平臺（IMS）監管系統通過先進的信息技術手段實現能源和電力的進一步精密化調控［1-2］。而電力調度數據網承載著大量關鍵信息的交互任務，其安全性與可靠性影響著電力系統的生產管理和調度運行［3-5］，因此，電力調度工作流具有廣域傳輸、安全以及系統集成等特性［6］。隨著電力調度數據網的規模及業務應用逐步擴展，入網路由器設備類型不斷增加，設備的組網特性、性能和兼容性等技術要求對于調度數據網絡的安全穩定運行起著重要的作用［7］。

文中為了研究并優化基于互聯網技術的電力調度，根據感知層、傳輸層和應用層設計了電力調度遠程監控系統的總體架構，通過設計系統的接收方案、工作模式選取等問題，從網絡傳輸與數據幀封裝的角度分析了該系統的穩定性，并輔以仿真分析。遠程監控技術通過獲取變電站的傳感器的信息，不斷做出相應的電力調度指令，最終實現針對各變電站的電力綜合調度。

1　遠程監控平臺總體設計

本系統采用感知層、傳輸層和應用層3個部分。其中，感知層主要由ZigBee傳感器網絡組成［8-9］，對變電站主控機箱、區域用電負荷數據進行采集送。傳輸層主要由嵌入式網關及相應的TCP/IP通信模塊組成［10］，實現對感知層的數據處理以及同服務器之間的數據傳輸。應用層由服務器和客戶端組成，應用層設計采用C/S架構，能方便地向供電監管人員提供數據訪問和管理服務。

本系統感知層硬件主要分為3部分，變電站主控機箱、區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、傳感器節點均采用基于ZigBee的無線網絡，繼電器組連接電氣設備。在傳輸距離上，選用ZigBee組網可實現下設備之間的互聯互通，且功耗較低，所以底層網絡采用ZigBee組網［9］。雖然ZigBee網絡數據傳輸較低，但是在優先保證本系統底層傳感器網絡的穩定性和可靠性的前提下，本系統的無線傳感器網絡采用ZigBee網絡。

本系統傳輸層與應用層之間的通信基于TCP/IP協議，嵌入式網關采集感控終端網絡的數據，通過TCP連接到服務器，將數據傳輸至遠程監控平臺。在應用層遠程監控平臺，本系統采用云服務器作為遠程監測數據存儲管理平臺，并搭建數據庫，以C/S模型向供電監管人員提供系統數據訪問和管理服務，實現遠程監控。整個系統架構如圖1所示。

圖1　系統構架

2　智能網關的網絡終端

2.1ZigBee網絡傳輸

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

表1　感知層的ZigBee節點

2.2變電站主控機箱

變電站主控機箱是為了實現電力調度控制的自動化、加強安全管理、提高供電效率而設置的一種現場級的監控設備，它可以獨立使用也可以添加通信模塊接入網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、傳感器模擬量輸入輸出模塊、開關量輸入輸出模塊、串口通訊模塊、CAN通信模塊和電源模塊。各模塊間的關系如圖2所示。

圖2　變電站主控機箱硬件結構

其中，微控制器是主監控機箱的控制核心，其通過開關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，通過開關量輸出模塊和模擬量輸出模塊發出控制信號。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通信模塊實現與嵌入式網關進行通信。電源模塊為整個主控機箱硬件系統提供穩定的電源供應。

2.3開關量輸入模塊

由于區域工業環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。開關量輸入模塊連接變電站供給的轉向動作請求電路，將變電站的供電、斷電以及配電量負載電壓信號轉換成微處理器可以識別的0～3.3V開關量信號。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行相應動作。開關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，實現多路AD采集，本系統采用多路選擇開關。CD4051是單8通道數字控制模擬電子開關，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協調器

ZigBee協調器是ZigBee網絡的中心節點，負責建立ZigBee網絡并完成整個網絡的參數配置。由于本系統以ZigBee協調器模擬Modbus主站，ZigBee協調器需要對各節點發送數據請求，等待接收節點的反饋信息并進行解析處理。通過設定定時器及其對應事件，協調器可周期性將接收到的ZigBee終端網絡數據發送至ARM嵌入式網關。

2.6嵌入式網關

在Visual Studio 2008開發平臺上進行MFC智能設備程序設計以實現嵌入式智能網關功能。本嵌入式網關程序采用多線程技術，通過開辟兩條獨立線程，分別與ZigBee協調器和服務器進行通信，完成數據的接收、解析和發送工作。與此同時，為便于電力監控人員根據需求進行定制，本嵌入式網關與服務器的TCP/IP通信，電力監控人員可通過UART串行接口連接與服務器進行TCP/IP通信，也可插上網線直接與服務器進行TCP/IP通信。網線直接接入的可靠性最高，數據傳輸質量最穩定，可利用Win CE下的Socket網絡編程接口［15］，輕松實現與服務器的TCP/IP通信，但必須考慮網線布置問題。

3　遠程監控平臺

遠程監控平臺主要由服務器、數據庫和智能電網平臺程序組成，其中服務器是遠程監控平臺的核心，是供電監管人員和設備的橋梁。

3.1數據庫

數據庫主要對現場采集到的起重機狀態信息和環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據查詢和分析服務。由于SQL Server成本較低且數據庫的可恢復性更好［16］，因此本系統選擇SQL Server數據庫。

3.2服務器

服務器軟件主要負責嵌入式網關發送數據的接收和校驗，當服務器接收到終端網絡的數據并對數據進行加工處理后，一方面通過將數據存儲至云端的SQL Server數據庫，另一方面提供智能電網平臺連接，向智能電網平臺轉發當前實時數據，與此同時時刻準備接受來自變電站的反饋信息，進而對嵌入式網關發送控制命令。為實現各區域變電站同時連接，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效率降低的問題，能夠充分利用Windows內核進行I/O調度，大大提升應用程序并發處理能力，通過通知隊列將實時數據發送至各個客戶端，即使很多所變電站同時連接也可保持服務器程序的穩定運行。

3.3智能電網平臺

智能電網平臺軟件基于MFC單文檔程序設計，為保證智能電網平臺與服務器連接的可靠性，本系統采用TCP連接。本文智能電網平臺軟件既可接收由服務器發來的實時數據，也可連接云端的SQL Server數據庫進行歷史記錄查詢。同時，客戶端軟件也可向服務器發出對終端網絡的控制信息，實現電力調度遠程控制。

4　性能檢測

本系統采用Packet Sniffer軟件監聽ZigBee網絡，以變壓傳感器和功率傳感器為例，協調器模擬的Modbus主站依次向變壓傳感器節點和功率傳感器節點請求數據。表2中給出遠程監控信號傳輸仿真各參數設置。

表2　監控信號傳輸仿真參數設置

圖3　傳感器工作模式對應的累積分布函數

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網絡傳輸設置對應的CDF曲線，粗線表示1b×Nt模式下不同ZigBee網絡傳輸設置對應的CDF曲線，可見ZigBee網絡傳輸達到5 bps/Hz以上時，IR工作模式優于1b×Nt模式（虛線部分表示功率傳感器，同變壓傳感器）。變壓傳感器節點的Modbus從站地址事先設定為0x08，功率傳感器節點的Modbus從站地址事先設定為0x09。網絡地址為0x0000的協調器節點發送的Modbus變壓數據請求如表3所示。

表3ZigBee網絡監控結果

由表3可見，Modbus請求報文為08 14 05 00 08 0F 14 08，其中，第1字節為Modbus從站地址；第2字節是功能碼，此處為功能碼14，讀取保存寄存器值；第3、4字節是起始寄存器地址，此處為5；第5、6字節為寄存器數量，此處為8F；第7、8字節是CRC校驗碼。網絡地址為0XC4C9的變壓傳感器節點的應答報文為00 14 04 00 08 0F 14 09 08，其中，第1字節為Modbus從站地址；第2字節是功能碼；第3字節是寄存器數量；第4、5、6、7字節為讀取的數據；第8、9字節是CRC校驗碼。在協調器節點收到應答后繼續向網絡地址為0XBAB6的功率傳感器節點發送08 14 05 00 08 0f 14 09的Modbus請求報文，功率傳感器節點回復00 14 04 00 08 0F 14 0A 09的Modbus應答報文，經測試，Modbus數據幀封裝正確。

5　結論

文中通過構建了感知層、傳輸層和應用層三層架構，實現了嵌入式網關、服務器和客戶端之間的信息交換。利用ZigBee［17-18］協調器模擬Modbus主站變電站傳感器、繼電器傳感器和用電負載傳感器，并通過嵌入式網關實現了與云服務器的TCP/IP通信。對整個系統中的傳感器進行網絡傳輸性能測試中，電壓傳感器的ZigBee網絡傳輸達到5bps/Hz以上時，IR工作模式優于1bxNt模式；而對于功率傳感器而言，只有ZigBee網絡傳輸達到10bps/Hz以上時，IR工作模式才能優于1bxNt模式。模擬驗證了協調器的ZigBee網絡監控傳輸數據幀封裝正確，且整個系統測試運行穩定。本研究設計的電力調度的遠程控制對區域內的電力配給具有一定的參考和應用價值。

［1］曹軍威，萬宇鑫，涂國煜，等.智能電網信息系統體系結構研究［J］.計算機學報，2013，36（1）:143-167.

［2］宋亞奇，周國亮，朱永利.智能電網大數據處理技術現狀與挑戰［J］.電網技術，2013（4）:927-935.

［3］李高望，鞠文云，段獻忠，等.電力調度數據網傳輸特性分析［J］.中國電機工程學報，2012（22）:141-148.

［4］馬強，荊銘，延峰，等.電力調度綜合數據平臺的標準化設計與實現［J］.電力自動化設備.2011，？31（11）:125-129.

［5］徐秋實，鄧長虹，趙維興，等.含風電電力系統的多場景魯棒調度方法［J］.電網技術.2014（3）:653-661.

［6］程旭，梁云，俞俊.電力調度分布式工作流設計與實現［J］.電力系統自動化，2012（21）:93-97.

［7］李芹，盧長燕，霍雪松，等.電力調度數據網測試模型［J］.電力系統自動化，2015（1）:187-193.

［8］章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee協議棧設計無線網絡傳感器節點［J］.計算機系統應用，2011，20（7）: 184-187

［9］彭燕.基于ZigBee的無線傳感器網絡研究［J］.現代電子技術，2 011，34（5）:49-51

［10］任雯.嵌入式網關設計及其在異構系統集成中的應用［J］.自動化儀表，2011，32（6）:15-18.

［11］馮承金，楊杰.基于ZIGBEE的無線傳感網絡的研究與設計［J］.價值工程，2011，？30（20）:121-122.

［12］鮑煦，宋鐵成，沈連豐.基于協作認知網絡的虛擬MIMO信號及干擾分布特性研究［J］.通信學報，2012（5）:85-90

［13］李雄偉，張鵬，陳開顏，等.微控制器密碼芯片秩相關電磁分析［J］.深圳大學學報：理工版，2012，29（3）:230-235.

［14］張露予，王博文，翁玲，等.螺旋磁場作用下磁致伸縮位移傳感器的輸出電壓模型及實驗［J］.電工技術學報，2015，30（12）:227-284.

［15］王祝華.基于Win CE系統的電能質量在線監測的研究［J］.機電技術，2012（5）:14-16.

［16］閆旭.淺談SQL Server數據庫的特點和基本功能［J］.價值工程，2012，31（22）:229-231.

［17］馬曉艷，徐貴，馬曉娟.基于ZigBee通信網絡的無線安防系統設計［J］.電子科技，2015（12）：117-120.

［18］肖燕.基于ZigBee的礦井人員體征監測系統設計［J］.電子設計工程，2016（13）：1-3.

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：調度技術與運行管理。