基于無線傳輸?shù)年P(guān)口表數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)提取與分析系統(tǒng)研究

安 超， 常 源， 史名冊(cè)

（國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司計(jì)量中心， 遼寧 沈陽(yáng) 110168）

0 引言

關(guān)口表是安裝運(yùn)行在發(fā)電企業(yè)上網(wǎng)、 跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線及省內(nèi)下網(wǎng)等關(guān)口電能計(jì)量裝置中的電能表， 用于記錄整個(gè)變壓器供電區(qū)域的總電量， 在整個(gè)電網(wǎng)的電能計(jì)量中起著重要作用，其記錄數(shù)值的可靠性、精確度是整個(gè)電力系統(tǒng)的重要保障。

傳統(tǒng)電網(wǎng)中主要采用人工定時(shí)去采集關(guān)口表參數(shù)，但是由于關(guān)口表的分布十分廣泛， 且不同的變壓器的現(xiàn)場(chǎng)檢查周期存在差異性， 通過人工定時(shí)檢查的方法不僅工作量大容易造成電能數(shù)據(jù)記錄錯(cuò)誤和漏記錄， 而且數(shù)據(jù)采集效率低。 因此，隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)大范圍多節(jié)點(diǎn)關(guān)口表電量的集中數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，提高關(guān)口表電量的數(shù)據(jù)精度和獲取效率，更需研究開發(fā)一種基于無線傳輸?shù)年P(guān)口表數(shù)據(jù)提取與分析系統(tǒng)，致力于解決電力系統(tǒng)此類問題。

1 總體結(jié)構(gòu)

基于無線傳輸?shù)年P(guān)口表數(shù)據(jù)提取與分析等級(jí)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)采用分立式遞進(jìn)結(jié)構(gòu)，由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)分析處理層、數(shù)據(jù)傳輸層三層構(gòu)成。 數(shù)據(jù)采集層主要用于提取各變電站子關(guān)口表的電量數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)分析處理層由移動(dòng)收發(fā)設(shè)備實(shí)現(xiàn)， 設(shè)備采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)處理，以軟件頁(yè)面呈現(xiàn)出來；數(shù)據(jù)傳輸層包括底層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和頂層遠(yuǎn)程無線傳輸單元兩層，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括收發(fā)感應(yīng)模塊和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收到的信息進(jìn)行分析和處理，發(fā)送到各區(qū)域數(shù)據(jù)庫(kù)，遠(yuǎn)程無線傳輸單元將采集并分析處理過后的區(qū)域總關(guān)口表數(shù)據(jù)打包經(jīng)過通訊協(xié)議上傳至總控制中心。

圖1 數(shù)據(jù)提取與分析系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of data extraction and analysis system

2 無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

ZigBee 是一項(xiàng)新型的無線通信技術(shù)， 可應(yīng)用于小范圍的基于無線通信的控制及自動(dòng)化等領(lǐng)域， 可省去計(jì)算機(jī)設(shè)備等一系列數(shù)字設(shè)備相互間的有線電纜， 能夠?qū)崿F(xiàn)多種不同數(shù)字設(shè)備相互間的無線組網(wǎng)。 它數(shù)據(jù)傳輸速率低，功耗、成本低，通信可靠安全，且網(wǎng)絡(luò)容量大，網(wǎng)絡(luò)可容納65000 個(gè)設(shè)備。 基于ZigBee 技術(shù)的無線通信采用碰撞避免機(jī)制，用設(shè)備發(fā)送控制命令后，接受方可以立即確認(rèn)信息，如果沒有收到回復(fù)的確認(rèn)信息，就意味發(fā)生了碰撞，就會(huì)再次發(fā)出控制命令，直到接受方回復(fù)確認(rèn)信息為止，使得系統(tǒng)的傳輸非?？煽?，執(zhí)行指令時(shí)，軟件界面都有執(zhí)行效果的確認(rèn)和提示。

2.1 關(guān)口表數(shù)據(jù)采集

關(guān)口表的通信接口有兩種：RS-485 串口和RS-232串口，以RS-485 接口較為常見。 當(dāng)今的移動(dòng)設(shè)備通信方式不能直接與關(guān)口表進(jìn)行通信， ZigBee 傳感器模塊通過RS-485 與關(guān)口表連接，采集關(guān)口表數(shù)據(jù)；通過無線接口與其他模塊通信構(gòu)成ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

由于需要采集的各個(gè)關(guān)口表站點(diǎn)多，位置距離較遠(yuǎn)，而且移動(dòng)設(shè)備收發(fā)設(shè)備需要長(zhǎng)期運(yùn)行， 所以系統(tǒng)基于ZigBee 無線通信方式進(jìn)行自動(dòng)采集。 ZigBee 的傳輸距離為50-300M， 移動(dòng)設(shè)備在進(jìn)入傳輸領(lǐng)域時(shí)以一定恒定速度運(yùn)行，在進(jìn)入收發(fā)領(lǐng)域入口處自動(dòng)開啟數(shù)據(jù)收發(fā)，在即將離開收發(fā)領(lǐng)域出口處自動(dòng)關(guān)閉數(shù)據(jù)收發(fā)， 即可在整個(gè)途中不間斷的完成自動(dòng)數(shù)據(jù)收發(fā)， 數(shù)據(jù)收發(fā)過程如圖2所示。 同時(shí)，Zigbee 提供數(shù)據(jù)完整性檢查和健全功能，采用AES-128 加密算法， 傳輸過程中可靈活確定安全性。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊僅需兩節(jié)普通5 號(hào)電池就可以持續(xù)供電6～24 個(gè)月，可不受區(qū)域供電影響，也可以大大降低建設(shè)成本。

圖2 數(shù)據(jù)收發(fā)過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of data sending and receiving process

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)搭建

無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)由近距離傳感器網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一共分為四層，第一層是固定的傳感器節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)感知數(shù)據(jù)并收集；第二層是移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)接收、處理、分析第一層的數(shù)據(jù)，并將分析處理結(jié)果發(fā)送給第三層； 第三層是固定的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)收集第二層傳來的分析數(shù)據(jù)，并將所有數(shù)據(jù)打包通過第四層GPRS 遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至總控制中心。 總網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由圖3 所示。

圖3 總網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 General network structure

GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)支持TCP/IP 協(xié)議，可以直接與Internet 互通，為了讓總控制中心讀懂傳送數(shù)據(jù)，就需要制定終端自己的通信協(xié)議。 GPRS 通信協(xié)議包括上行和下行，上行為終端向GPRS 服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；下行為GPRS服務(wù)器向終端傳輸數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)格式如表1 所示。

幀頭：表示數(shù)據(jù)幀起始符，固定為0XAA55。

命令：幀傳輸命令，有固定的命令列表。

命令參數(shù)：當(dāng)命令為應(yīng)答命令時(shí)，命令參數(shù)為所應(yīng)答的命令。

數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：表示“數(shù)據(jù)”字段的長(zhǎng)度，高位在前。

數(shù)據(jù)：具體傳輸數(shù)據(jù)。

檢驗(yàn)碼：前面所有字段數(shù)據(jù)的校驗(yàn)碼，使用16 位校驗(yàn)和表示，高位在前。

表1 通信協(xié)議幀格式表Tab.1 Communication protocol frame format table

將GPRS 模塊的串口連接總控制中心上位機(jī)串口，打開設(shè)置軟件設(shè)置服務(wù)器IP 和通信端口，再設(shè)置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為TCP 服務(wù)端，即可監(jiān)聽本地端口。 GPRS 模塊主動(dòng)向服務(wù)器發(fā)起鏈接， 就可以在連接對(duì)象看到模塊發(fā)起的鏈接地址，識(shí)別區(qū)域。

每個(gè)區(qū)域采集終端具有唯一的IP 地址，總控制中心可根據(jù)地址區(qū)分不同的數(shù)據(jù)采集區(qū)域子站， 從而了解各區(qū)域所有子關(guān)口表的使用情況。

3 數(shù)據(jù)界面顯示

可移動(dòng)設(shè)備在采集和發(fā)送數(shù)據(jù)途中， 應(yīng)實(shí)現(xiàn)采集、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)發(fā)送等功能，適合在遠(yuǎn)距離環(huán)境下使用，并且支持一臺(tái)移動(dòng)設(shè)備或者一個(gè)用戶操作多個(gè)關(guān)口表。 關(guān)口表電量數(shù)據(jù)分析與顯示界面如圖4 所示。

圖4 關(guān)口表電量數(shù)據(jù)分析與顯示界面Fig.4 Data analysis and display interface of electricity amount of gateway meter

4 結(jié)論

論文提出了一種基于無線傳輸?shù)年P(guān)口表數(shù)據(jù)提取與分析等級(jí)系統(tǒng)， 采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行關(guān)口表數(shù)據(jù)收發(fā)、存儲(chǔ)、分析。 利用遠(yuǎn)程無線傳輸將區(qū)域數(shù)據(jù)傳輸和匯總統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全局共享。

移動(dòng)設(shè)備采用基于Android 開發(fā)的應(yīng)用軟件， 將采集數(shù)據(jù)和分析結(jié)果可視化，可快速了解基層電力系統(tǒng)信息，及時(shí)做出反映和反饋。同時(shí)也簡(jiǎn)化采集步驟，大大提高抄表效率和精確度，為促進(jìn)電力系統(tǒng)的集成化、智能化程度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確統(tǒng)計(jì)分析和傳輸提供了一種重要的技術(shù)手段。