基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳彤浩

（深圳供電局有限公司 廣東省深圳市 518006）

1 引言

長(zhǎng)期以來，電網(wǎng)維護(hù)的數(shù)據(jù)管理和監(jiān)控一直基于手動(dòng)糾錯(cuò)或接線。新型混合發(fā)電系統(tǒng)由太陽能發(fā)電機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)、電池、柴油發(fā)電機(jī)、逆變器和發(fā)電機(jī)組成?？刂蒲b置和其他輔助裝置的建模直接影響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的能耗可以降低混合電力系統(tǒng)的發(fā)電成本。區(qū)域資源對(duì)可再生資源的開發(fā)和利用是一個(gè)復(fù)雜的問題。以實(shí)現(xiàn)可再生能源的低成本和高利用率，最終實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和獨(dú)立混合新能源網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代化是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。監(jiān)測(cè)是能源部門必須解決的問題。對(duì)于相對(duì)獨(dú)立的發(fā)電廠和發(fā)電廠的分布式系統(tǒng)以及相對(duì)遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，我們需要引進(jìn)現(xiàn)代新技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)經(jīng)濟(jì)高效的通信監(jiān)控系統(tǒng)，解決復(fù)雜電網(wǎng)的管理和維護(hù)問題，提高電網(wǎng)的效率為了促進(jìn)新一代混合電網(wǎng)和依賴用戶的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展，正在研究一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心之間的通信和協(xié)調(diào)，實(shí)時(shí)監(jiān)控、優(yōu)化調(diào)度、快速維護(hù)和綜合管理為太陽能發(fā)電技術(shù)審評(píng)系統(tǒng)的研發(fā)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀

2.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)簡(jiǎn)介

計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，使人們的生產(chǎn)和生活方式發(fā)生了重大變化，遙感技術(shù)逐漸得到人們的認(rèn)可和評(píng)價(jià)。傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)通常只監(jiān)控單個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，隨著生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的勞動(dòng)強(qiáng)度不斷降低，生產(chǎn)設(shè)施的運(yùn)行速度不斷提高。有限的區(qū)域和工作人員。采集難度大、危險(xiǎn)性大，需要多個(gè)區(qū)域同時(shí)監(jiān)測(cè)，高溫高壓環(huán)境下現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和維護(hù)往往需要大量的人力物力，人們需要一種更加舒適、高效的人工監(jiān)控和管理模式，遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)是現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。采用最新的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、網(wǎng)絡(luò)化，網(wǎng)絡(luò)傳輸和無線傳輸技術(shù)具有功能強(qiáng)大、配置方便、安全可靠等特點(diǎn)，使用舒適、靈活。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的主要任務(wù)是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)采集部分將數(shù)據(jù)監(jiān)控中心與現(xiàn)場(chǎng)采集部分連接起來，作為數(shù)據(jù)載體，收集必要的數(shù)據(jù)并響應(yīng)控制命令。運(yùn)行專門的圖形監(jiān)控軟件，詳細(xì)掌握各監(jiān)控區(qū)域的工況，分析數(shù)據(jù)，制定生產(chǎn)計(jì)劃，優(yōu)化管理，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)適用于監(jiān)控對(duì)象相對(duì)集中、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量高、傳輸速度快的監(jiān)控系統(tǒng)。無線模式適用于可變區(qū)域和長(zhǎng)途運(yùn)輸，舒適、靈活、經(jīng)濟(jì)。

2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控所實(shí)現(xiàn)的功能如下

采集和處理：通過遠(yuǎn)程方式采集、處理和分析數(shù)據(jù)的主要參數(shù)并發(fā)送到指定地點(diǎn)。員工可以打印報(bào)告以促進(jìn)討論、分析和決策。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、綜合和分析，并對(duì)操作說明、分析和計(jì)算，對(duì)生產(chǎn)和人員的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理：以監(jiān)控系統(tǒng)為組態(tài)軟件，開發(fā)管理軟件，建立管理界面，打印報(bào)表和圖像描述，并實(shí)現(xiàn)突發(fā)事故或標(biāo)準(zhǔn)情況下的報(bào)警控制：通過實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能，負(fù)責(zé)人可通過上位機(jī)處理信息，并根據(jù)適當(dāng)?shù)默F(xiàn)場(chǎng)控制發(fā)出預(yù)設(shè)控制命令。遠(yuǎn)程監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理，管理人員可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控和管理，生產(chǎn)環(huán)境差，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的深入研究具有重要意義。

3 獨(dú)立供電網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)信息通信，新一代電網(wǎng)獨(dú)立遠(yuǎn)程監(jiān)控通過現(xiàn)代通信技術(shù)將各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)區(qū)域連接到電網(wǎng)，采用嵌入式技術(shù)、Zibee技術(shù)、GPRS 等信息技術(shù)，監(jiān)控中心內(nèi)所有網(wǎng)絡(luò)終端的性能數(shù)據(jù)。它是一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境的應(yīng)用系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)電力信息的獨(dú)立管理，它集中連接到現(xiàn)有電廠監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。該設(shè)計(jì)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將新獨(dú)立電網(wǎng)的詳細(xì)運(yùn)行狀態(tài)集成到現(xiàn)有電廠監(jiān)控系統(tǒng)中，并執(zhí)行統(tǒng)一的能源管理：數(shù)據(jù)中心收集電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的電力數(shù)據(jù)和環(huán)境信息，如電壓、電量、變壓器兩端功率因數(shù)、發(fā)電機(jī)出力、用戶側(cè)用電量等，從維護(hù)角度分析確定峰值電流，更加方便，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)維護(hù)。

3.2 總體設(shè)計(jì)方案

獨(dú)立電力網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)主要由連接獲取終端（數(shù)據(jù)獲取節(jié)點(diǎn)）、聚光器（宿節(jié)點(diǎn)）、主站（數(shù)據(jù)處理中心）和這些設(shè)備的高效可靠的數(shù)據(jù)傳輸通信模式構(gòu)成。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的硬件分配結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)，所以功率網(wǎng)格遠(yuǎn)程監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該首先在設(shè)計(jì)過程中決定。由于電網(wǎng)的分布特性，可以看到其明顯的分布特性。因此，本文應(yīng)用了zigbee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)獲取節(jié)點(diǎn)和宿節(jié)點(diǎn)必須采用全功能裝置FFD。每個(gè)捕獲節(jié)點(diǎn)可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器以沿網(wǎng)絡(luò)形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信線。為了將同步節(jié)點(diǎn)接收到的信息實(shí)時(shí)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，選擇了GF 應(yīng)用技術(shù)中比較成熟的GPRS 技術(shù)。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離相對(duì)有限。如果數(shù)據(jù)監(jiān)控中心離獲取區(qū)域非常遠(yuǎn)，則由于成本和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的困難，不值得使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。

3.3 各個(gè)組成部分

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為zigbee 地址網(wǎng)絡(luò)、GPRS 網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)監(jiān)控中心三個(gè)部分。ZigBee adhoc 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜區(qū)域中的數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)、通信，GPRS 網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)宿節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)監(jiān)視中心之間的數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)監(jiān)視中心存儲(chǔ)、分析、處理數(shù)據(jù)庫和微處理器決定所有的數(shù)據(jù)。

（1）數(shù)據(jù)取得節(jié)點(diǎn)：取得節(jié)點(diǎn)被設(shè)定在電力網(wǎng)的任意位置，發(fā)送電壓、電流、功率因數(shù)等位置，例如溫度、濕度、亮度等周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的功率質(zhì)量參數(shù)。通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)收斂設(shè)備。因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)都有其自己的IP 地址，所以數(shù)據(jù)中心可以找到數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的位置。

（2）宿節(jié)點(diǎn)：ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的某個(gè)區(qū)域內(nèi)的所有數(shù)據(jù)的集成器。無線監(jiān)控系統(tǒng)的區(qū)域中只有一個(gè)宿節(jié)點(diǎn)。宿節(jié)點(diǎn)收集并存儲(chǔ)所有節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)所傳送的電源數(shù)據(jù)。根據(jù)需要，可以通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心。此外，也可以接收數(shù)據(jù)監(jiān)視中心的命令，傳送到數(shù)據(jù)獲取節(jié)點(diǎn)。

（3）數(shù)據(jù)中心接收由宿節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步經(jīng)由計(jì)算機(jī)處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心的管理平臺(tái)是通過配置軟件來分析和顯示所有數(shù)據(jù)的。管理者可以通過數(shù)據(jù)的觀察和討論來進(jìn)行意思決定。

3.4 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的功能分析

監(jiān)視節(jié)點(diǎn)被劃分為數(shù)據(jù)獲取節(jié)點(diǎn)和宿節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)獲取節(jié)點(diǎn)直接接觸監(jiān)視對(duì)象的宿節(jié)點(diǎn)用于管理數(shù)據(jù)收集節(jié)點(diǎn)，形成網(wǎng)絡(luò)，收集節(jié)點(diǎn)的信息，并與遠(yuǎn)端通信。數(shù)據(jù)獲取節(jié)點(diǎn)形成站點(diǎn)上的點(diǎn)獲取區(qū)域，并相互通信以形成現(xiàn)場(chǎng)信息網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)數(shù)據(jù)獲取節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)立測(cè)量溫度和濕度，并且可以測(cè)量單個(gè)和多個(gè)電壓和電流以及節(jié)點(diǎn)周圍的功率因數(shù)。在不同的取得對(duì)象中，構(gòu)成能夠?qū)崟r(shí)觀察發(fā)電裝置的輸出電壓、電流、電力、功率因數(shù)、其他數(shù)據(jù)的發(fā)電裝置的輸出端子。然后，請(qǐng)理解分散在島上所有方向的發(fā)電單元的工作狀態(tài)。位于變壓器和其他大變電站裝置的兩端，在兩端收集電壓、電流、有效功率、無功功率，計(jì)算諧波，提供數(shù)據(jù)支持以優(yōu)化獨(dú)立微網(wǎng)格的功率。那是為了監(jiān)視用戶的消耗功率，提供配電的基礎(chǔ)而設(shè)置在用戶輸入上。收集的實(shí)時(shí)溫度和濕度可以提供氣候預(yù)測(cè)和防止數(shù)據(jù)支持。

宿節(jié)點(diǎn)具有用于收集網(wǎng)絡(luò)中收集的數(shù)據(jù)的大存儲(chǔ)器，監(jiān)視系統(tǒng)的功能通過經(jīng)由gprs 與遠(yuǎn)程電站管理系統(tǒng)和遠(yuǎn)程電力管理系統(tǒng)通信來實(shí)現(xiàn)。

3.5 監(jiān)控系統(tǒng)與已有控制策略結(jié)合實(shí)現(xiàn)功能

從獨(dú)立小功率網(wǎng)格的運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定性分析了新的能量訪問方法的實(shí)現(xiàn)。目前沒有完全的結(jié)論表明獨(dú)立電力網(wǎng)中新能源的比例，確保了獨(dú)立電力網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。為了控制與獨(dú)立電源網(wǎng)連接的新能源發(fā)電的比率不太大，可以采用以下方法。為了超過獨(dú)立電源網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的界限值：

（1）監(jiān)視獨(dú)立電源網(wǎng)的運(yùn)行情況，調(diào)整太陽光發(fā)電的訪問率。首先，從兩個(gè)副系統(tǒng)的訪問開始，逐漸增加訪問比例，監(jiān)視輸電網(wǎng)的工作狀態(tài)，調(diào)整控制策略以獲得獨(dú)立電力網(wǎng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（2）太陽光發(fā)電的訪問率驗(yàn)證完成后，風(fēng)力發(fā)電的訪問率驗(yàn)證也完成，生物能源等新能源的訪問完成。

（3）當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生能量剩余時(shí)，為了最大化可再生能源的利用，獨(dú)立系統(tǒng)和連接系統(tǒng)采用峰值形成系統(tǒng)（能量?jī)?chǔ)存和制冰）來實(shí)現(xiàn)控制緩沖器，并使用制冰和其他生產(chǎn)副產(chǎn)品。

用于能量平衡的分插控制直接與獨(dú)立電力網(wǎng)的分布式發(fā)電機(jī)和獨(dú)立電力網(wǎng)的穩(wěn)定操作之間的能量分配平衡控制相關(guān)聯(lián)。獨(dú)立電源網(wǎng)以島模式運(yùn)行，采用主從控制的協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)。柴油發(fā)電機(jī)和電池包通過電壓源逆變器建立基準(zhǔn)電壓，起到主站的作用。另一種新的能源發(fā)電裝置在經(jīng)由反相器的主動(dòng)響應(yīng)輸出模式下移動(dòng)，以最大限度地使用新的能量作為用于發(fā)電機(jī)的從站。實(shí)現(xiàn)能源管理系統(tǒng)及其功能。

3.6 通信測(cè)試

ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于提供無線監(jiān)控功率網(wǎng)格的靈活、方便和低成本方案。系統(tǒng)實(shí)用性高，開發(fā)價(jià)值高。盡管無線通信在有線通信中有很多優(yōu)點(diǎn)，但是它會(huì)導(dǎo)致信號(hào)干擾，反衰減，防屏蔽等許多缺點(diǎn)。系統(tǒng)用開放式實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)。在100m 以內(nèi)，節(jié)點(diǎn)之間的交通距離不是問題，在地形復(fù)雜的大樓50m 以內(nèi)起著很好的作用。當(dāng)在CC2430 設(shè)備和天線之間添加主接口電路（無線收發(fā)機(jī)模塊）以接收和放大信息的發(fā)送功率時(shí)，可以將通信距離增加到500 米。測(cè)試結(jié)束后，在開放區(qū)域470m 以內(nèi)進(jìn)行信息交換，在復(fù)雜的地形下達(dá)到210m。信號(hào)中斷發(fā)生在300m。因?yàn)檩椛浞雷o(hù)槽（設(shè)備、建筑物等）的密度以及無線收發(fā)機(jī)天線的位置有一定的影響。在RF 發(fā)射功率增加之后，預(yù)計(jì)單跳至少達(dá)到1km。考慮到電力網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的相對(duì)較高位置，無線網(wǎng)絡(luò)通信是有利的。另外，軟件設(shè)計(jì)還可以增加獲取節(jié)點(diǎn)的獲取頻率，并延長(zhǎng)向目標(biāo)分組節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間段。由此，數(shù)據(jù)分組的切換速度降低。在強(qiáng)烈的外部干擾的情況下，發(fā)生信息傳輸錯(cuò)誤。

4 小結(jié)

借助成熟的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，從多個(gè)領(lǐng)域收集、處理數(shù)據(jù)無線監(jiān)控系統(tǒng)的新思路是通過第三方網(wǎng)絡(luò)GPRS 將數(shù)據(jù)返回遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心以進(jìn)行綜合處理。這將使區(qū)域的概念更加靈活和廣泛。GPR 技術(shù)連接字段和數(shù)據(jù)中心?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電力網(wǎng)無線監(jiān)視系統(tǒng)是電力產(chǎn)業(yè)中信息管理的重要嘗試。本文的主要成果介紹了電源網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)概念和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性和原理。