物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)監(jiān)測中的應(yīng)用分析

于洋 孫笑一 翟京

摘 要：在智能電網(wǎng)中引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以進(jìn)一步提高電網(wǎng)的信息化、自動化、智能化和互動化管理，提高供電質(zhì)量。本文以通州區(qū)的智能電網(wǎng)監(jiān)測為例，針對通州區(qū)當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀，根據(jù)北京城市副中心的電網(wǎng)需求，設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，可以完成對輸電線路運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，為故障的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和搶修爭取更多的時(shí)間。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能電網(wǎng)；實(shí)時(shí)監(jiān)測

首都北京的快速發(fā)展使通州區(qū)逐漸承擔(dān)起北京城市副中心的重要職能，目前已進(jìn)入全面建設(shè)階段，大量的人口聚焦和大規(guī)模的工業(yè)分布都對電力供應(yīng)提出了更大的需求。盡管“十三五”以來通州區(qū)在電網(wǎng)投資上不斷增加，但電網(wǎng)容量仍無法完全滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求[1]。電網(wǎng)負(fù)荷的高速增長也給供電可靠率的保證提出了更大的挑戰(zhàn)，各類故障現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，尤其是近年通州區(qū)逐步推廣智能電網(wǎng)以來，故障類型呈現(xiàn)多樣化特點(diǎn)，檢修和排查難度進(jìn)一步增加，嚴(yán)重影響了供電質(zhì)量和搶修速度[2]。因此對通州電網(wǎng)進(jìn)行自動化監(jiān)測顯得十分迫切。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為這一問題的解決提供了良好的條件。

1物聯(lián)網(wǎng)在通州電網(wǎng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，通州區(qū)近年發(fā)生了多次嚴(yán)重的輸電線路大面積停電事故，例如，2018年3月18日，北京迎來年初首場大雪，通州區(qū)張家灣220KV輸電線路開發(fā)區(qū)段出現(xiàn)嚴(yán)重的覆冰現(xiàn)象，導(dǎo)致輸電線路斷線；2017年8月13日，受北京連續(xù)高溫天氣影響，用電量劇增，通州梨園線110KV輸電線某處并溝線夾持續(xù)發(fā)熱導(dǎo)致線路起弧燒斷；實(shí)際上，上述事故在引起斷線停電前都是可以通過監(jiān)測手段提前發(fā)現(xiàn)的。

理論上講，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)將所有用電設(shè)備互相聯(lián)系起來，組成一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的信息化、自動化、智能化和互動化管理，提高供電質(zhì)量[3]。隨著通州區(qū)電網(wǎng)壓力的逐步增加，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)一步提高電網(wǎng)的可靠性已成為不可扭轉(zhuǎn)的趨勢。

2基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮應(yīng)用需求、成本控制、性能指標(biāo)等因素，本文采用了ZigBee技術(shù)進(jìn)行無線組網(wǎng)，通過樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，充分發(fā)揮了ZigBee低功耗、低成本、安全可靠等優(yōu)勢。在傳感器布點(diǎn)上，分別在三相電路中安裝無線傳感器，以保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)可以滿足多參數(shù)實(shí)時(shí)采集需求，包括溫度、電壓、電流、冰凍和張力等。沿輸電線路的走向，每隔100米布置一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集和統(tǒng)一上傳。在上位機(jī)軟件中設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，方便值班人員查詢和控制。

本文設(shè)計(jì)的智能電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)主要由采集終端、路由器、協(xié)調(diào)器、GPRS模塊、監(jiān)控中心和用戶終端等節(jié)點(diǎn)組成，終端節(jié)點(diǎn)在ZigBee的控制下按照預(yù)定的頻率采集各物理量數(shù)據(jù)，然后通過路由器向協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)匯聚，由GPRS模塊統(tǒng)一發(fā)送至遠(yuǎn)端監(jiān)控中心，用戶通過PC機(jī)或手機(jī)等移動終端就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電網(wǎng)運(yùn)動狀態(tài)。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)整體上可以分為三個(gè)層次：感知層、傳輸層和應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用最關(guān)鍵體現(xiàn)在感知層上，因?yàn)楦兄獙佑筛鞣N不同的傳感器構(gòu)成，并且通過無線組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息的共享，即實(shí)現(xiàn)了物物相聯(lián)。傳感器終端硬件采用了TI公司研發(fā)的成熟芯片CC2530，并且構(gòu)成無線組網(wǎng)的ZigBee模塊，滿足了低成本條件下對大量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制的需求。ZigBee模塊是整個(gè)硬件系統(tǒng)的重要組成部分，它控制著所有傳感器進(jìn)行有規(guī)律的信息傳輸，并且通過無線網(wǎng)絡(luò)將各節(jié)點(diǎn)聯(lián)系起來，能夠?qū)Ω鞴?jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和運(yùn)算。協(xié)調(diào)器采用了超低功耗MSP430F149單片機(jī)作為微控制器，由于負(fù)責(zé)對所有硬件節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度控制，因而成為整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，所有數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收、存儲、計(jì)算等行為均由單片機(jī)完成。各硬件之間通過網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)形成無線局域網(wǎng)，采用這種網(wǎng)絡(luò)形式的原因是看重其可靠性高和自愈能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，即使網(wǎng)絡(luò)中的某一條或幾條路徑出現(xiàn)故障，也不會影響到其它路徑的正常工作，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)仍然具備完整的功能和性能。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由下位機(jī)和上位機(jī)組成，因而軟件設(shè)計(jì)也分為兩部分進(jìn)行。其中下位機(jī)由協(xié)調(diào)器、終端和路由組成，協(xié)調(diào)器可以根據(jù)實(shí)際情況自動選出一個(gè)可用的信道和網(wǎng)絡(luò)ID，從而實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)采集現(xiàn)場和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心之間的互聯(lián)，為數(shù)據(jù)的傳遞提供通道。終端設(shè)備負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，同時(shí)接受協(xié)調(diào)器指令的控制。協(xié)調(diào)器會定期對終端進(jìn)行問詢，如長時(shí)間無響應(yīng)，則判定為終端離線，將立即通過GPRS以短信的形式將故障信息發(fā)送到相關(guān)人員的手機(jī)上，為工作人員可以快速組織搶修。上位機(jī)軟件采用的是C#語言開發(fā)，可以完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)庫資料查詢、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全保障、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等功能。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)在通州區(qū)電網(wǎng)某線路進(jìn)行了部署試運(yùn)行，結(jié)果表明，本系統(tǒng)進(jìn)一步提高了輸電線路的可靠性和穩(wěn)定性，可以及時(shí)了解線路運(yùn)行情況，提高故障排查和搶修速度，使通州區(qū)電網(wǎng)基本實(shí)現(xiàn)了對輸電線路中的絕緣子污穢、導(dǎo)線溫度過高、避雷器受損、覆冰雪等常見問題的在線檢測，成為了通州區(qū)智能電網(wǎng)應(yīng)用的重要成果，取得了良好的應(yīng)用成效，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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