物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在變配電站監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

呂 國 李艷芳 張 梁 白振榮

（河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075000）

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)科學(xué)與其他學(xué)科之間的融合越來越密切.計(jì)算機(jī)科學(xué)與電力系統(tǒng)各學(xué)科之間的融合，促進(jìn)了我國智能電網(wǎng)事業(yè)的發(fā)展.但是由于大部分變配電站地處野外地區(qū)，極易受周圍環(huán)境、天氣等影響，變配電站設(shè)備的故障率也不斷增加，而且對(duì)相應(yīng)故障作出及時(shí)反應(yīng)和處理所需要的時(shí)間也越來越長.因此為了及時(shí)有效的處理變配電站設(shè)備的故障，最大程度的保證供電的穩(wěn)定性，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變配電站監(jiān)測技術(shù)被引入到電網(wǎng)控制系統(tǒng)中來.

變配電站自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)是建立在變配電站監(jiān)測系統(tǒng)信息化的基礎(chǔ)上，變配電站監(jiān)測系統(tǒng)需要借助有效的通信手段，將控制中心的控制命令準(zhǔn)確地傳送到遠(yuǎn)方變配電站的設(shè)備上，并且迅速準(zhǔn)確地獲得變配電站的運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性將直接影響變配電站監(jiān)測系統(tǒng)的成敗.因此，快速通暢的變配電站通信系統(tǒng)是變配電站監(jiān)測系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié).將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入變配電站通信系統(tǒng)，可以進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，從而提高變配電站監(jiān)測系統(tǒng)的效率.

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概況

物聯(lián)網(wǎng)又叫傳感網(wǎng)，英文名稱為Internet of Things，簡稱IOT，1999年在美國召開的移動(dòng)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)國際會(huì)議上首次提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念.它以射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合已有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、中間件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，構(gòu)筑一個(gè)物與物、物與人、人與人之間的實(shí)物互聯(lián)網(wǎng).在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地、自動(dòng)地對(duì)實(shí)物進(jìn)行識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控并對(duì)物品實(shí)現(xiàn)“透明”管理.

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是現(xiàn)代眾多學(xué)科的綜合運(yùn)用，涉及了自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及通訊信息等學(xué)科，其關(guān)鍵技術(shù)涉及傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)程序軟件系統(tǒng)、微處理技術(shù)以及通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù).物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)被公認(rèn)為有3個(gè)層次，從下到上依次是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層.如圖1所示.

（1）感知層

感知層主要負(fù)責(zé)信息的感知和采集.感知層由傳感器和短距離網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)兩個(gè)部分組成.其中，傳感器采用射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）讀寫器、智能傳感器等信息感知設(shè)備對(duì)信息進(jìn)行感知和收集；短距離網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)是將傳感器收集到的信息發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，或?qū)?yīng)用層發(fā)出的控制指令傳送到控制器.

（2）網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是實(shí)現(xiàn)感知層數(shù)據(jù)信息的可靠、有效的傳輸，它包含互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)及其它專網(wǎng).網(wǎng)絡(luò)層分為接入單元和接入網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分.接入單元是指對(duì)感知層收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行逐步整合匯聚，并將處理后的數(shù)據(jù)信息傳送至網(wǎng)絡(luò)，它是網(wǎng)絡(luò)層與感知層連接的網(wǎng)橋；接入網(wǎng)絡(luò)是指通過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)以及其他專網(wǎng)，將數(shù)據(jù)信息傳輸至互聯(lián)網(wǎng).

（3）應(yīng)用層

應(yīng)用層的主要功能是將經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層初步整合的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行進(jìn)一步集成、分類和匯總，并將最終的數(shù)據(jù)信息與應(yīng)用平臺(tái)的終端相結(jié)合，完成數(shù)據(jù)信息的綜合利用.應(yīng)用層主要支持信息協(xié)同、互通和共享，它包含應(yīng)用支撐平臺(tái)和應(yīng)用服務(wù)器系統(tǒng).應(yīng)用支撐平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的中間件技術(shù)，它是實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)傳感器和RFID硬件設(shè)備與應(yīng)用操作系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、過濾、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的一種獨(dú)立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序，它屏蔽了底層數(shù)據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜性，減少程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，架起了相關(guān)硬件設(shè)備和應(yīng)用程序之間的橋梁.物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是指用戶直接操作的各種應(yīng)用終端，由于用戶的需求不同，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的種類也非常豐富，可以滿足不同用戶的多種需求.

圖1 物聯(lián)網(wǎng)的3個(gè)層次

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在變配電站監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

電網(wǎng)中變配電環(huán)節(jié)的智能化是智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐.變配電環(huán)節(jié)的智能化，重點(diǎn)是提高變配電網(wǎng)的可監(jiān)測性和可控制性，更迅速的反映故障，更可靠地提供電力供應(yīng).實(shí)現(xiàn)智能的設(shè)備監(jiān)測與預(yù)警、可視化的現(xiàn)場作業(yè)支持和智能化的線路巡視.

目前變配電站設(shè)備覆蓋的點(diǎn)多面廣，主要存在三個(gè)問題.第一，有的變配電站建在城市人口集中、交通密集的地區(qū)，因此，電網(wǎng)鋪設(shè)的路線情況復(fù)雜；第二，對(duì)于一些使用年限較長的變配電終端站，存在線路陳舊，管道堵塞，光纜覆蓋困難的情況；第三，對(duì)于一些重要區(qū)域的變配電終端站，不宜進(jìn)行大面積的光纜敷設(shè)等施工.解決以上三個(gè)問題的最好辦法就是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于變配電終端站.將變配電站的所有電力設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)，不僅可以輕松地完成變配電網(wǎng)的通信任務(wù)，而且能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控各變配電站之間的運(yùn)行數(shù)據(jù)，更好地掌握變配電站的運(yùn)行狀況.

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它具有功耗低、可靠性高以及自組網(wǎng)功能等優(yōu)點(diǎn)，在短距離通信方面具有很大的發(fā)展優(yōu)勢(shì).

圖2為基于ZigBee變配電監(jiān)測系統(tǒng)框圖，整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)層次組成.感知層主要采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)（ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端）和若干個(gè)分節(jié)點(diǎn)（ZigBee采集器）組成.ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端通過INTERNET、CDMA等遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)發(fā)起并協(xié)調(diào)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)感知層與變配電站管理中心的數(shù)據(jù)交互.ZigBee采集器主要完成變配電設(shè)備自身情況信息的采集以及周圍環(huán)境數(shù)據(jù)信息的采集.同時(shí)在感知層還設(shè)置了固定IOT Device Agent，主要負(fù)責(zé)對(duì)感知層采集的信息進(jìn)行初步的整理和匯總.

圖2 基于ZigBee變配電監(jiān)測系統(tǒng)框圖

網(wǎng)絡(luò)層采用有線＋無線的混合通信模式將經(jīng)過IOT Device Agent初步處理和整合的數(shù)據(jù)傳送至應(yīng)用層.將ZigBee采集器收集的數(shù)據(jù)信息通過固定IOT Device Agent進(jìn)行初步處理和整合，再在Zig－Bee網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)置IOT Server服務(wù)器.IOT Server服務(wù)器將初步處理的傳感信息通過中間件平臺(tái)做進(jìn)一步分析，然后形成應(yīng)用層所需要的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，以滿足應(yīng)用層變配電監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)際要求.

應(yīng)用層采用C＋＋語言或JAVA語言，結(jié)合ASP技術(shù)或WEB技術(shù)，建立物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)，主要針對(duì)在IOT Server服務(wù)器端形成的數(shù)據(jù)流進(jìn)行智能化的處理，為用戶提供豐富多樣的功能和服務(wù)

3 結(jié)束語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到變配電站監(jiān)測系統(tǒng)中，可以幫助工作人員及時(shí)掌握各個(gè)變配電站的運(yùn)行信息，并對(duì)重要變配電站進(jìn)行在線監(jiān)測.ZigBee是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心，通過ZigBee技術(shù)的運(yùn)用，增強(qiáng)了變配電站監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，進(jìn)一步完善了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變配電站監(jiān)測系統(tǒng).

［1］陳蕾.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其在電力系統(tǒng)通信中的應(yīng)用［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2010.17

［2］周怡頲，凌志浩，吳勤勤.ZigBee無線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討［J］.自動(dòng)化儀表，2005.6