ZigBee技術和GPRS在智能電網中的應用研究

李朋　陸俊

【摘 要】隨著國家的經濟發展，人均用電量的提升，人們對智能電網的呼聲越來越高，為了能夠獲取電網的全景信息，實現控制監測。電網能夠迅速的使故障隔離在故障存在時，避免了大區域的斷電。在智能電網的高級計量體系、高級配電運行體系等領域中ZigBee技術通過合理的設計利用具有重大的作用。采用GPRS技術來替代原來的光纖傳送，提高了靈活性。該系統經測試表明： 基于 ZigBee技術和GPRS的電網監測控制系統，有優良的可擴展性、穩定性、維護方便、能耗低，能夠滿足智能電網中輸配電系統在線監測和控制的需求，應用前景良好。

【關鍵詞】智能電網； ZigBee；GPRS；綜合在線監測控制

0 引言

智能電網，也就是智能化的電網，是建立在集成的、高速雙向通信網絡的基礎上，通過先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法以及先進的決策支持系統技術的應用，實現電網的可靠、安全、經濟、高效、環境友好和使用安全的目標[1]。為滿足信號傳輸所要求的網絡穩定等要求，在智能電網中研究基于ZigBee技術和GPRS的綜合在線監測控制系統，能夠可靠地利用集中監測和管理方式從而獲得電氣設備運行狀態和周邊環境變化。因此，文章以ZigBee技術和GPRS為基礎，設計了一套智能電網電氣設備監測和控制系統。希望可以在智能電網輸電配電環節發揮重要作用。

1 系統構架

ZigBee[2]是一組基于IEEE批準通過的802.15.4無線標準研制開發的，有關組網、安全和應用軟件方面的技術標準。其信號采集監測網絡是根據很多個小的節點組成。在實際應用中的各種網絡拓撲是通過無線通訊的方式，基礎就是這些節點。圖1顯示了在智能電網中ZigBee技術建立采集控制網絡應用的拓撲圖。針對智能電網輸配電監測系統平臺的實際需求，系統采用溫度、拉力、氣象傳感器，由ZigBee技術的無線傳感器網絡、GPRS移動網絡和Internet網絡進行無線通信，來達到對導線的拉力參數，導線和電氣設備的溫度參數，以及實時的大氣氣象監測。整個平臺主要由傳感器采集節點、協調器網關和上位機監測中心組成。通過連接相對應的PIO芯片每一個節點都可以和外圍電路相互通信。通過收集到的信息，在監控室的工作人員可以進行對相應的節點來操作，來做一些合閘以及開閘的指令。

2 系統硬件設計

終端節點主要由四部分組成，包括信息處理模塊、傳感器模塊、無線通信模塊和電源模塊[3]。處理器模塊采用 CC2530自帶的 8051 內核完成數據的存儲及終端節點的多任務處理工作，適合于片上系統的開發。該處理器能進行2.4GHz的射頻的收發，具有抗干擾能力強，功耗低、靈敏度較高，并且電流損耗較低，適合開發低功耗系統。

傳感器模塊通過相應傳感器對電氣設備參數信息采集及數據處理，相應的傳感器有拉力傳感器，溫度傳感器等；

無線通信模塊主要任務是與傳感器模塊的節點達到數據的接受和發送以及相應的指令進行交換；由于電氣設備周圍存在大量的電磁干擾，因此節點和處理器必須接地處理。

電源是通過蓄電池+太陽能的方式，當信息傳輸系統空閑時設備能夠進入休眠，因此 能夠節約一定的電能，當有監測數據進行傳輸時候供電系統立即喚醒，當相應的數據傳遞完成后，供電系統將又一次休眠。網絡節點硬件框圖如圖 2所示。

匯聚節點硬件結構原理如圖 3 所示。匯聚節點的組成含有無線通信模塊、處理器模塊、數據轉換模塊以及電源模塊。匯聚節點首先由無線通信模塊集合被TCP/IP協議直接封裝的ZigBee 網絡中上傳的數據，接著由 UART接口把接收到數據壓縮、處理之后傳與GPRS無線模塊，UART是簡單的通信，在相應的模塊信息傳輸中[4]。

3 系統軟件設計

當電源開關打開后ZigBee無線通訊設備將進行初始化。然后搜尋并加入無線傳感器網絡，當接收到數據后進入工作模式，根據監控中心指令來選擇讀取命令，或者將傳感器送來的數據向上層傳輸，發送到GPRS模塊，送到監控中心，如圖4所示。

本系統要實現的一個功能是將 ZigBee 電氣設備傳感器區域協調器網關匯聚的數據信息傳送到外網（如：Internet網絡），實現數據的共享和上位機的存儲和顯示。GPRS網絡連接 W801G 模塊，其負責建立 GPRS 網絡并發送數據到后臺數據監控終端，通過 GPRS 網絡進行網關與遠程數據檢測系統的數據透明傳輸和通信[5]。在GPPRS初始化登陸后，由ppp鏈路連接后，發出中斷請求，當串口發送中斷時GPRS發送數據幀，將監控中心數據發送到ZigBee節點中心，或者反向發送數據。當串口接收中斷時GPRS模塊接收來自監控中心或者來自ZigBee節點數據信號。GPRS 通信軟件流程如圖5。

4 結語

通過實際測試，得出此系統能夠對高壓電氣設備相應傳感器數據進行采集。在實驗中與實際數據相比數據的發送和接收誤差很小，完全可以達到通信所需的實時性和可靠性。

文章所述的智能電網中的電氣設備的一種監測和控制系統。整個系統基于 ZigBee 和 GPRS 技術對設備的參數實現無線監測，與一些傳統監控方式相比，優點有：拓展簡單、安裝容易而且成本比較低。對于有線傳輸模式下，所存在的占用空間和難以布線等困難，無線傳輸完全解決了。隨著越來越多高級計量控制設備利用到無線通訊技術， 在未來智能電網運行中GPRS技術和ZigBee技術發重要的作用。

【參考文獻】

[1]谷曉津.淺談智能電能表在計量管理中的應用[J].科學之友，2011（5）：02-25.

[2]肖文，黃虎成，孫茂一，羅凡，邱東利.ZigBee技術在智能電網系統中的應用研究[J].現代電子技術，2010（13）：79-81.

[3]劉成印，劉偉，何凱.ZigBee 技術和 GPRS 在輸電線路在線監測中的應用[J].黑龍江科技學院學報，2012，22（4）：438-441.

[4]滕志軍，李國強，何鑫，等.基于 ZigBee 的高壓電氣設備溫度在線監測系統[J].電測與儀表，2014，51（1）：85-87.

[5]杜軍.基于ZigBee和GPRS技術的溫室環境監測系統[D].青海師范大學，2016.

[6]吳松，許丹楓.基于GPRS和 ZigBee 技術的電纜接頭溫度無線監測的系統設計與實現[J].電氣開關，2016（2）：31-34.

[責任編輯：朱麗娜]endprint