基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

王藝瑾

（河南理工大學(xué)，河南 焦作 454003）

0 引 言

隨著全球能源需求的不斷增長和電力系統(tǒng)的日漸復(fù)雜化，智能電網(wǎng)作為一種創(chuàng)新的電力系統(tǒng)管理方式受到了廣泛關(guān)注[1-3]。智能電網(wǎng)通過引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了電力系統(tǒng)的智能化、高效化以及可持續(xù)性發(fā)展[4-6]。在智能電網(wǎng)中，監(jiān)測系統(tǒng)是保障電網(wǎng)安全運(yùn)行和實現(xiàn)能源管理的關(guān)鍵組成部分。因此，設(shè)計一種高效可靠的智能電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)成為了當(dāng)前的研究熱點。

本文通過基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)研究，以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，并研究了對電網(wǎng)狀態(tài)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)將傳感器節(jié)點接入網(wǎng)關(guān)節(jié)點形成傳感器網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了一個分布式的監(jiān)測系統(tǒng)，為電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供了有力支持。具體來說，本文的研究主要包括3 個方面：首先，提出了系統(tǒng)的總體架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌摷軜?gòu)通過合理的設(shè)計來實現(xiàn)傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點的有效協(xié)作與數(shù)據(jù)傳輸；其次，對架構(gòu)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了具體研究，通過優(yōu)化傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點的設(shè)計提高了系統(tǒng)的靈活性與可靠性；最后，對系統(tǒng)的特性進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并對下一步的研究做了探討。

通過對系統(tǒng)的總體架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究與分析，本文為電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的理論支撐。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的基于ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)包括傳感器、ZigBee 模塊、ZigBee 路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器模塊、4G 模塊、互聯(lián)網(wǎng)以及監(jiān)測與控制中心，如圖1 所示[7,8]。

圖1 基于ZigBee 的物聯(lián)網(wǎng)智能電網(wǎng)監(jiān)測架構(gòu)

傳感器是系統(tǒng)中的感知節(jié)點，負(fù)責(zé)感知電網(wǎng)的各種環(huán)境參數(shù)，如溫度、電流等。傳感器將感知到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號，并通過ZigBee 模塊發(fā)送給ZigBee 路由節(jié)點。ZigBee 模塊是傳感器與ZigBee 路由節(jié)點之間的通信設(shè)備，負(fù)責(zé)傳輸傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，其采用低功耗的無線通信協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)低能耗、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee 路由節(jié)點作為數(shù)據(jù)的中繼和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，負(fù)責(zé)接收來自傳感器的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器模塊。ZigBee 路由節(jié)點之間通過ZigBee 協(xié)議進(jìn)行通信，實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)調(diào)器模塊是系統(tǒng)的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作，接收來自ZigBee 路由節(jié)點的數(shù)據(jù)，并通過4G 模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上。同時，協(xié)調(diào)器模塊也可以接收來自互聯(lián)網(wǎng)的指令，并通過4G 模塊傳輸?shù)絑igBee 路由節(jié)點，實現(xiàn)對電網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制。互聯(lián)網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇椋B接了協(xié)調(diào)器模塊和監(jiān)測與控制中心。通過互聯(lián)網(wǎng)，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。

ZigBee 是系統(tǒng)中的關(guān)鍵通信技術(shù)，該技術(shù)是一種低功耗、低速率的無線通信技術(shù)，基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，專門設(shè)計用于無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)[9,10]。ZigBee 采用了低復(fù)雜度的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有自組織和自修復(fù)、低功耗和長壽命、網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性、高效的數(shù)據(jù)傳輸、低成本等特點。這些特點使得ZigBee 成為智能電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的理想選擇，為系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性提供了支持。

本文的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)采用了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可以直接與其他節(jié)點進(jìn)行通信，節(jié)點之間可以通過多個路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有高度的靈活性和可靠性。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將設(shè)備分為協(xié)調(diào)器、全功能設(shè)備和精簡功能設(shè)備。在監(jiān)控系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理和協(xié)調(diào)。ZigBee 路由節(jié)點具備完整的通信能力，既可以作為路由器連接其他設(shè)備，也可以作為終端設(shè)備與其他設(shè)備進(jìn)行通信。傳感器節(jié)點具有較低的功耗和較簡化的通信能力，主要用于數(shù)據(jù)采集和傳輸，無法進(jìn)行路由功能，可以被視為精簡功能設(shè)備。

圖2 系統(tǒng)的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點是基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的核心技術(shù)。傳感器節(jié)點是智能電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的感知設(shè)備，負(fù)責(zé)感知電網(wǎng)的各種參數(shù)和狀態(tài)，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給其他節(jié)點。網(wǎng)關(guān)節(jié)點則作為傳感器節(jié)點與互聯(lián)網(wǎng)之間的橋梁，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的中繼、轉(zhuǎn)發(fā)和與互聯(lián)網(wǎng)的通信，實現(xiàn)智能電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的連接和交互。

2.1 傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點通過數(shù)據(jù)采集模塊感知電網(wǎng)的參數(shù)，通過信號處理模塊對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，通過電源模塊提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，通過ZigBee 通信模塊實現(xiàn)與其他設(shè)備的無線通信。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊。傳感器節(jié)點通過數(shù)據(jù)采集模塊對電網(wǎng)的各種參數(shù)進(jìn)行感知。數(shù)據(jù)采集模塊可以通過傳感器設(shè)備，將電網(wǎng)的物理量轉(zhuǎn)化為電信號。（2）信號處理模塊。傳感器節(jié)點的信號處理模塊負(fù)責(zé)對采集到的電信號進(jìn)行處理和分析。該模塊可以進(jìn)行濾波、放大、采樣等操作，以保證采集到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。（3）電源模塊。傳感器節(jié)點需要穩(wěn)定的電源供應(yīng)，以保證其正常運(yùn)行。電源模塊可以采用電池供電或通過電網(wǎng)供電，為傳感器節(jié)點提供所需的電能。（4）ZigBee 通信模塊。傳感器節(jié)點通過ZigBee 通信模塊與其他設(shè)備進(jìn)行無線通信。ZigBee 通信模塊采用低功耗的無線通信協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)低能耗、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸。通過ZigBee 通信模塊，傳感器節(jié)點可以將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點或其他節(jié)點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和共享。

傳感器節(jié)點是該架構(gòu)的關(guān)鍵內(nèi)容，電流傳感器、溫度傳感器以及電壓傳感器等能對電網(wǎng)的狀態(tài)做出高效的監(jiān)控，常用的傳感器節(jié)點如表1 所示。這3 種常用的傳感器能通過感知電網(wǎng)中的電流、溫度和電壓等參數(shù)為電網(wǎng)的監(jiān)測、分析與故障診斷等應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。其中，對電流傳感器和電壓傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析能評估電力質(zhì)量，對溫度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析能對電網(wǎng)外部環(huán)境、發(fā)熱等情況做出良好的預(yù)警。這些傳感器節(jié)點的使用方法相對簡單，只需將其安裝在需要監(jiān)測的位置，通過與其他設(shè)備的連接，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

表1 常用的傳感器節(jié)點

2.2 數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在監(jiān)控系統(tǒng)中的作用是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、傳輸以及共享。ZigBee 協(xié)調(diào)器模塊采用CC2530 處理器芯片，該模塊作為無線通信模塊能與傳感器節(jié)點進(jìn)行無線通信，可以接收傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)并將其傳輸給網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)換控制器。S3C2240A 處理器作為網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)換控制器，負(fù)責(zé)接收和處理來自傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為符合系統(tǒng)要求的格式。它具有高性能、低功耗和豐富的接口資源，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)換。通過4G 模塊的使用，可以將監(jiān)控系統(tǒng)中采集到的數(shù)據(jù)通過4G 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆破脚_或其他遠(yuǎn)程服務(wù)器，具體如圖1 所示。ME3760 處理器作為4G 模塊的核心芯片，具有高速傳輸、穩(wěn)定連接和高度安全性的特點，可以實現(xiàn)可靠的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

3 分析與討論

本文所提出的基于ZigBee 的物聯(lián)網(wǎng)智能電網(wǎng)監(jiān)測架構(gòu)是一個綜合利用了ZigBee通信技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，具有多方面的優(yōu)勢。首先，該架構(gòu)具有低功耗、低延遲、廣域網(wǎng)覆蓋、靈活性和可擴(kuò)展性等特點，能夠適應(yīng)智能電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的大規(guī)模節(jié)點連接、低能耗和實時性要求較高等場景。此外，采用無線通信技術(shù)的架構(gòu)可以減少布線的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)的靈活性和部署效率。

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)適用性，可以從以下幾個潛在的研究方向進(jìn)行下一步研究。首先，進(jìn)一步優(yōu)化ZigBee 通信技術(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。可以通過改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、優(yōu)化信道選擇和傳輸協(xié)議等手段來提高通信質(zhì)量與性能。其次，研究如何提高傳感器節(jié)點的能源利用效率，延長其使用壽命。可以探索低功耗的硬件設(shè)計、能源管理和優(yōu)化算法等，實現(xiàn)能耗的進(jìn)一步降低。最后，研究如何實現(xiàn)智能電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的自組織和自適應(yīng)能力，以適應(yīng)復(fù)雜多變的電網(wǎng)環(huán)境和需求。可以研究分布式的網(wǎng)絡(luò)管理算法、自適應(yīng)的信道分配和資源優(yōu)化方法等，提高系統(tǒng)的效率和可靠性。

4 結(jié) 論

本文通過基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)研究，提出了一種創(chuàng)新性的解決方案，為智能電網(wǎng)的監(jiān)測和管理提供了有力支持。通過采用ZigBee 技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，研究了對電網(wǎng)狀態(tài)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有效的監(jiān)測和管理手段。未來的研究可以進(jìn)一步探索如何優(yōu)化通信技術(shù)、提高能源利用效率以及自組織和自適應(yīng)能力，以進(jìn)一步提升智能電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的性能和應(yīng)用價值。該研究對于智能電網(wǎng)的發(fā)展和推廣具有重要意義。