ZigBee技術(shù)和GPRS在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用研究

李朋　陸俊

【摘 要】隨著國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人均用電量的提升，人們對(duì)智能電網(wǎng)的呼聲越來越高，為了能夠獲取電網(wǎng)的全景信息，實(shí)現(xiàn)控制監(jiān)測(cè)。電網(wǎng)能夠迅速的使故障隔離在故障存在時(shí)，避免了大區(qū)域的斷電。在智能電網(wǎng)的高級(jí)計(jì)量體系、高級(jí)配電運(yùn)行體系等領(lǐng)域中ZigBee技術(shù)通過合理的設(shè)計(jì)利用具有重大的作用。采用GPRS技術(shù)來替代原來的光纖傳送，提高了靈活性。該系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試表明： 基于 ZigBee技術(shù)和GPRS的電網(wǎng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，有優(yōu)良的可擴(kuò)展性、穩(wěn)定性、維護(hù)方便、能耗低，能夠滿足智能電網(wǎng)中輸配電系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)和控制的需求，應(yīng)用前景良好。

【關(guān)鍵詞】智能電網(wǎng)； ZigBee；GPRS；綜合在線監(jiān)測(cè)控制

0 引言

智能電網(wǎng)，也就是智能化的電網(wǎng)，是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo)[1]。為滿足信號(hào)傳輸所要求的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定等要求，在智能電網(wǎng)中研究基于ZigBee技術(shù)和GPRS的綜合在線監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，能夠可靠地利用集中監(jiān)測(cè)和管理方式從而獲得電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和周邊環(huán)境變化。因此，文章以ZigBee技術(shù)和GPRS為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一套智能電網(wǎng)電氣設(shè)備監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)。希望可以在智能電網(wǎng)輸電配電環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

ZigBee[2]是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其信號(hào)采集監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)很多個(gè)小的節(jié)點(diǎn)組成。在實(shí)際應(yīng)用中的各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫峭ㄟ^無線通訊的方式，基礎(chǔ)就是這些節(jié)點(diǎn)。圖1顯示了在智能電網(wǎng)中ZigBee技術(shù)建立采集控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的拓?fù)鋱D。針對(duì)智能電網(wǎng)輸配電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)的實(shí)際需求，系統(tǒng)采用溫度、拉力、氣象傳感器，由ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線通信，來達(dá)到對(duì)導(dǎo)線的拉力參數(shù)，導(dǎo)線和電氣設(shè)備的溫度參數(shù)，以及實(shí)時(shí)的大氣氣象監(jiān)測(cè)。整個(gè)平臺(tái)主要由傳感器采集節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心組成。通過連接相對(duì)應(yīng)的PIO芯片每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以和外圍電路相互通信。通過收集到的信息，在監(jiān)控室的工作人員可以進(jìn)行對(duì)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)來操作，來做一些合閘以及開閘的指令。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)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(nèi)核完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及終端節(jié)點(diǎn)的多任務(wù)處理工作，適合于片上系統(tǒng)的開發(fā)。該處理器能進(jìn)行2.4GHz的射頻的收發(fā)，具有抗干擾能力強(qiáng)，功耗低、靈敏度較高，并且電流損耗較低，適合開發(fā)低功耗系統(tǒng)。

傳感器模塊通過相應(yīng)傳感器對(duì)電氣設(shè)備參數(shù)信息采集及數(shù)據(jù)處理，相應(yīng)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(wù)是與傳感器模塊的節(jié)點(diǎn)達(dá)到數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送以及相應(yīng)的指令進(jìn)行交換；由于電氣設(shè)備周圍存在大量的電磁干擾，因此節(jié)點(diǎn)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(dāng)信息傳輸系統(tǒng)空閑時(shí)設(shè)備能夠進(jìn)入休眠，因此 能夠節(jié)約一定的電能，當(dāng)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時(shí)候供電系統(tǒng)立即喚醒，當(dāng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳遞完成后，供電系統(tǒng)將又一次休眠。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖 2所示。

匯聚節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)原理如圖 3 所示。匯聚節(jié)點(diǎn)的組成含有無線通信模塊、處理器模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊以及電源模塊。匯聚節(jié)點(diǎn)首先由無線通信模塊集合被TCP/IP協(xié)議直接封裝的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中上傳的數(shù)據(jù)，接著由 UART接口把接收到數(shù)據(jù)壓縮、處理之后傳與GPRS無線模塊，UART是簡(jiǎn)單的通信，在相應(yīng)的模塊信息傳輸中[4]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)電源開關(guān)打開后ZigBee無線通訊設(shè)備將進(jìn)行初始化。然后搜尋并加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)入工作模式，根據(jù)監(jiān)控中心指令來選擇讀取命令，或者將傳感器送來的數(shù)據(jù)向上層傳輸，發(fā)送到GPRS模塊，送到監(jiān)控中心，如圖4所示。

本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的一個(gè)功能是將 ZigBee 電氣設(shè)備傳感器區(qū)域協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)匯聚的數(shù)據(jù)信息傳送到外網(wǎng)（如：Internet網(wǎng)絡(luò)），實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和上位機(jī)的存儲(chǔ)和顯示。GPRS網(wǎng)絡(luò)連接 W801G 模塊，其負(fù)責(zé)建立 GPRS 網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送數(shù)據(jù)到后臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)控終端，通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)透明傳輸和通信[5]。在GPPRS初始化登陸后，由ppp鏈路連接后，發(fā)出中斷請(qǐng)求，當(dāng)串口發(fā)送中斷時(shí)GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)幀，將監(jiān)控中心數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee節(jié)點(diǎn)中心，或者反向發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)串口接收中斷時(shí)GPRS模塊接收來自監(jiān)控中心或者來自ZigBee節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信號(hào)。GPRS 通信軟件流程如圖5。

4 結(jié)語

通過實(shí)際測(cè)試，得出此系統(tǒng)能夠?qū)Ω邏弘姎庠O(shè)備相應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在實(shí)驗(yàn)中與實(shí)際數(shù)據(jù)相比數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收誤差很小，完全可以達(dá)到通信所需的實(shí)時(shí)性和可靠性。

文章所述的智能電網(wǎng)中的電氣設(shè)備的一種監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)基于 ZigBee 和 GPRS 技術(shù)對(duì)設(shè)備的參數(shù)實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)測(cè)，與一些傳統(tǒng)監(jiān)控方式相比，優(yōu)點(diǎn)有：拓展簡(jiǎn)單、安裝容易而且成本比較低。對(duì)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(jí)計(jì)量控制設(shè)備利用到無線通訊技術(shù)， 在未來智能電網(wǎng)運(yùn)行中GPRS技術(shù)和ZigBee技術(shù)發(fā)重要的作用。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint