基于ZigBee的電力輸配電線路能耗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

竇書星

關(guān)鍵詞： ZigBee; 供電系統(tǒng); 輸配電線路; 能耗控制; 傳感器監(jiān)測(cè); 自適應(yīng)粒子群

中圖分類號(hào)： TN876?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）14?0055?04

Design of energy consumption control system based on ZigBee for

electric power transmission and distribution lines

DOU Shuxing

（School of Electric Power Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China）

Abstract： The electric power transmission and distribution line is an important part of State Grid. The energy consumption size of power transmission and distribution lines directly determines the operation situation of the overall power supply system. An energy consumption control system based on ZigBee is designed for electric power transmission and distribution lines， so as to realize energy saving and consumption reduction of electric power transmission and distribution lines. The ZigBee terminal node of the ZigBee wireless sensor network module transmits the real?time electric power transmission and distribution line data collected by sensor monitoring nodes to the energy consumption control unit module via the gateway. The energy consumption control method based on adaptive particle swarm is adopted for electric power transmission and distribution lines， so as to make all particles constantly approaching the global optimal values of energy saving control， realize optimal energy consumption control of electric power transmission and distribution lines， and feed the control result back to the cloud terminal control platform for analysis and control by the operational personnel. The experimental results show that the control system for controlling ten power transmission and distribution lines has an energy consumption reduction amplitude between 2.5% and 4.5%， and can still maintain a good energy consumption control effect and a high stability in rain and snow weathers.

Keywords： ZigBee; power supply system; electric power transmission and distribution line; energy consumption control; sensor monitoring; adaptive particle swarm

0 ?引 ?言

電是現(xiàn)代人類生活中無(wú)法或缺的能源，隨著科技發(fā)展與人類生活水平的提高，誕生了各種智能化設(shè)備，導(dǎo)致人們對(duì)用電需求越來(lái)越高。電力發(fā)展直接決定了國(guó)家進(jìn)步[1]。隨著電力輸配技術(shù)的發(fā)展與電力供應(yīng)日益緊張，人們漸漸重視電力系統(tǒng)中輸配電線路節(jié)能降耗問題，輸配電線路節(jié)能降耗控制對(duì)于國(guó)家電力的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展與緩解我國(guó)能源危機(jī)具有重要意義[2]。

電力傳輸過(guò)程中，輸配電線路會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的損耗，使供電運(yùn)行成本增加，經(jīng)濟(jì)效益降低[3]。為使電力輸配電線路傳輸過(guò)程損耗降到最低，提高供電效率，設(shè)計(jì)一種可靠的電力輸配電線路能耗控制系統(tǒng)具有重要意義[4]。ZigBee技術(shù)是近年來(lái)新興的一種低成本、小功耗且運(yùn)行簡(jiǎn)單的無(wú)線傳感器技術(shù)，本文設(shè)計(jì)基于ZigBee的電力輸配電線路能耗控制系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)電力輸配電線路能耗進(jìn)行合理控制，使系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程能耗降到最低，節(jié)省供電成本，保證電力系統(tǒng)高效運(yùn)行[5]。

1 ?電力輸配電線路能耗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 ?ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊

ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊框圖見圖1。該無(wú)線傳感模塊主要包括ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由節(jié)點(diǎn)、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)關(guān)。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)采集傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采集的電力輸配電線路實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)各ZigBee路由節(jié)點(diǎn)利用RS 232串口通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送至能耗單元控制模塊中，進(jìn)行電力輸電配電線路能耗優(yōu)化控制[6?7]，獲取最優(yōu)控制節(jié)點(diǎn)，確保線路能耗最低。

ZigBee路由節(jié)點(diǎn)為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中輔助節(jié)點(diǎn)，輔助無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)間交換與通信;ZigBee協(xié)調(diào)器是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊的核心，利用協(xié)調(diào)器啟動(dòng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，并識(shí)別各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與接收，傳輸數(shù)據(jù)直至完成能耗控制[8]。從圖1可以看出，ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸具有雙向性，各節(jié)點(diǎn)可將數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)也可以根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)對(duì)各傳輸線路進(jìn)行控制，減少能耗的損失[9]。ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊間通過(guò)RS 232和以太網(wǎng)透明傳輸，達(dá)到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與控制。

1.2 ?能耗控制單元模塊

能耗控制單元模塊框圖見圖2。

能耗控制單元模塊主要包括通信模塊、GSM模塊、微控制器與顯示模塊。通信模塊將接收到ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送的輸配電線路實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送至微控制器。微控制器采用基于自適應(yīng)粒子群的輸配電線路能耗控制方法對(duì)輸配電線路的能耗進(jìn)行控制，并傳送至通信模塊與GSM模塊進(jìn)行通信，能耗控制相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)顯示模塊展示[10]。

1.3 ?基于自適應(yīng)粒子群的輸配電線路能耗控制

電力輸配電線路能耗控制時(shí)，采用全局搜索能力實(shí)現(xiàn)能耗控制過(guò)程的最優(yōu)控制點(diǎn)檢索，控制點(diǎn)的慣性權(quán)重隨著粒子目標(biāo)函數(shù)值不斷調(diào)整?？傮w過(guò)程為：在輸配電線路中需要控制的節(jié)點(diǎn)中，各控制目標(biāo)值接近相同或達(dá)到局部最優(yōu)時(shí)，該控制節(jié)點(diǎn)的慣性權(quán)重需相應(yīng)增大;而控制節(jié)點(diǎn)目標(biāo)分散時(shí)，采用進(jìn)化代數(shù)方法優(yōu)化慣性權(quán)重，獲取近似全局最優(yōu)的控制節(jié)點(diǎn)。輸配電線路自適應(yīng)權(quán)重公式為：

[ωmin-ωmax-ωmintmax，t≤tmax2ωmax， ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? t>tmax2] （1）

通常在輸配電線路能耗控制過(guò)程中，采用常數(shù)2作為調(diào)度學(xué)習(xí)因子，選取同步變化方法作為輸配電線路能耗控制中自適應(yīng)學(xué)習(xí)因子，過(guò)程為：

[C1=C2=Cmax-Cmax-Cminttmax] （2）

兩個(gè)輸配電線路控制因子進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，隨進(jìn)化代數(shù)變化而變化，使種群中粒子全局搜索能力增強(qiáng)。因此在輸配電線路能耗控制中，采用自適應(yīng)慣性權(quán)重方法與同步自適應(yīng)學(xué)習(xí)方法，獲取新的輸配電線路能耗控制中粒子群的最佳位置公式如下：

[vi，jt+1=wadpvi，jt+Cadpr1pi，j-xi，jt+ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Cadpr2pg，j-xi，jt] （3）

式中：[vi，j]為粒子速度;[wadp]為自適應(yīng)慣性權(quán)重;[xi，jt]為粒子此時(shí)位置;[pi，j]為粒子此時(shí)最優(yōu)位置;[pg，j]為粒子全局最優(yōu)位置。

融合式（2）和式（3）獲取電力輸配電線路能耗控制目標(biāo)函數(shù)為：

[vi，jt+1=wadpvi，jt+Cadpr1pi，j-xi，jt+ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Cadpr2pg，j-xi，jt] （4）

[C1=C2=Cmax+Cmax-Cmintmaxt] （5）

基于自適應(yīng)粒子群的電力輸配電線路能耗控制方法詳細(xì)流程為：

1） 在輸配電線路搜索空間形成隨機(jī)速度的粒子種群。

2） 依據(jù)目標(biāo)函數(shù)與現(xiàn)有粒子，獲取目標(biāo)函數(shù)值。

3） 獲取全局最優(yōu)值。

4） 將慣性權(quán)重與學(xué)習(xí)因子依據(jù)進(jìn)化代數(shù)而改變。

5） 將粒子速度與位置依據(jù)更新公式進(jìn)行改變。

6） 依據(jù)更新粒子獲取目標(biāo)函數(shù)值。

7） 依據(jù)全局最優(yōu)值判斷目標(biāo)函數(shù)大小。

8） 若目標(biāo)函數(shù)值大于全局最優(yōu)值，則無(wú)需進(jìn)行變化;若目標(biāo)函數(shù)值小于全局最優(yōu)值，則全局最優(yōu)值由目標(biāo)函數(shù)值取代。

9） 若全局最優(yōu)值不滿足最大進(jìn)化代數(shù)，返回步驟4）;若全局最優(yōu)值滿足最大進(jìn)化代數(shù)，則進(jìn)行下一步。

利用MAPSP算法執(zhí)行以上步驟，進(jìn)行輸配電線路能耗控制時(shí)需要使用Sphere Model 與Schwefels Problem中的測(cè)試函數(shù)，函數(shù)公式如下：

[f1=i=1Nx2i] （6）

[f2=i=1Nxi+i=1Nxi] （7）

[f3=i=1Nj=1ix2i] （8）

[f4=maxxi] （9）

將以上測(cè)試函數(shù)搜索范圍設(shè)置在[-100，100]，設(shè)搜索變量維度為4。運(yùn)用貼近搜索的能力，在電力輸配電線路的搜索空間內(nèi)生成大量隨機(jī)粒子，依據(jù)最優(yōu)位置不斷更新輸配電線路中形成的大量粒子位置與速度。在更新過(guò)程中調(diào)整慣性權(quán)重與學(xué)習(xí)因子，使得全部粒子不斷逼近節(jié)能控制的全局最優(yōu)值，實(shí)現(xiàn)電力輸配線路能耗最優(yōu)控制。

2 ?實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文基于ZigBee的電力輸配電線路能耗控制系統(tǒng)控制能耗的有效性，選取某市10條10 kV輸配電線路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該輸配電線路在某段時(shí)間中的基本參數(shù)見表1。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，這10條輸配電線路損耗較大，缺乏有效的控制方法與技術(shù)，是造成線路損耗較大的主要原因。分別在以上10條線路中，加入本文系統(tǒng)、PWM系統(tǒng)與MPPT系統(tǒng)對(duì)輸配電線路進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)在輸配電線路完全不停電的條件下進(jìn)行，統(tǒng)計(jì)3種系統(tǒng)在輸配電線路穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后的能耗情況，對(duì)比結(jié)果見表2。

從表2結(jié)果可以看出，采用本文系統(tǒng)控制的輸配電線路能耗明顯降低，10條輸配電線路能耗降低幅度在2.5%～4.5%之間。而PWM系統(tǒng)與MPPT系統(tǒng)降低幅度較小，PWM系統(tǒng)對(duì)10條輸配電線路能耗降低幅度在1%～2.5%之間;MPPT系統(tǒng)對(duì)10條輸配電線路能耗降低幅度在0.5%～3.2%之間。說(shuō)明本文系統(tǒng)能耗控制效果較好，供電質(zhì)量明顯提高。

供電系統(tǒng)容易受到環(huán)境因素影響，為檢測(cè)本文系統(tǒng)在不同環(huán)境下能耗控制情況，統(tǒng)計(jì)3種系統(tǒng)在雨雪天氣下，對(duì)實(shí)驗(yàn)輸配電線路某段時(shí)間中的能耗控制結(jié)果，具體結(jié)果見表3。

通過(guò)表3與表2相比可以看出，本文系統(tǒng)抗雨雪干擾能力較強(qiáng)，在雨雪天氣下與在正常天氣下能耗控制差別在0.1%左右。而PWM系統(tǒng)與MPPT系統(tǒng)受天氣影響較大，兩種系統(tǒng)在雨雪天氣情況下幾乎沒有起到控制能耗作用，PWM系統(tǒng)與未加控制系統(tǒng)時(shí)線路能耗降低幅度在0.15%～1.5%之間;MPPT系統(tǒng)與未加控制系統(tǒng)時(shí)線路能耗降低幅度在0.2%～1.66%之間。因此可以說(shuō)明本文系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，在任何環(huán)境下都可以起到較好的能耗控制作用。為驗(yàn)證本文系統(tǒng)在供配電線路中的穩(wěn)定性，統(tǒng)計(jì)線路L1在10 h內(nèi)的供電情況，對(duì)比分析三種系統(tǒng)控制的線路L1線路均方根電流波動(dòng)情況，結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，本文系統(tǒng)控制輸配電線路L1線路的均方根電流變化平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯波動(dòng)，供電情況十分穩(wěn)定;而PWM系統(tǒng)和MPPT系統(tǒng)控制的L1線路均方根電流波動(dòng)幅度較大，不穩(wěn)定。

3 ?結(jié) ?論

為了緩解用電壓力，降低輸配電線路能耗，采用ZigBee技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力輸配電線路能耗控制系統(tǒng)能耗的實(shí)時(shí)、穩(wěn)定控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)控制10條輸配電線路能耗降低幅度達(dá)到2.5%～4.5%之間，通過(guò)該系統(tǒng)控制的輸配電線路不容易受到環(huán)境影響，在降低輸配電能耗的基礎(chǔ)上保證了輸配電線路運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全可靠性。

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