杜春梅，代長明，屈建平，王慶林

（河北建筑工程學院，河北 張家口 075000）

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)研究

杜春梅，代長明，屈建平，王慶林

（河北建筑工程學院，河北 張家口 075000）

隨著電力電子技術的發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模和復雜度日益提高，對智能電網(wǎng)的堅強性、可靠性、安全性、故障監(jiān)控等方面有了更高的要求，因此，對智能電網(wǎng)進行有效的監(jiān)控具有重要的意義。針對智能電網(wǎng)的可能故障，利用物聯(lián)網(wǎng)技術構(gòu)建出相應的綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ZigBee技術來構(gòu)建底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)，采用GPRS網(wǎng)絡與Internet網(wǎng)實現(xiàn)中層的數(shù)據(jù)傳輸，上層采用SQLServer2005構(gòu)建數(shù)據(jù)存儲和處理中心，從而實現(xiàn)了有效的遠程監(jiān)控。

智能電網(wǎng)；GPRS；物聯(lián)網(wǎng)；監(jiān)控系統(tǒng)

為了提高電網(wǎng)運營的安全、可靠和經(jīng)濟性，提高能源利用效率，實現(xiàn)節(jié)能減排，智能電網(wǎng)成為世界各國關注的電力改革重點。智能電網(wǎng)的核心技術是數(shù)字化電網(wǎng)，是一個基于先進信息技術的動態(tài)系統(tǒng)，它利用遍布全網(wǎng)的傳感器對整個電網(wǎng)的運行狀態(tài)進行快速診斷并采取行動，從而實現(xiàn)高峰時段電網(wǎng)運行效率的決策支持。智能電網(wǎng)的研究和發(fā)展對電力系統(tǒng)的改革產(chǎn)生深遠的影響，同時也對智能電網(wǎng)的設計提出了更高的要求。因此，開發(fā)基于先進技術的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)成為各國科研人員的重點課題。

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術構(gòu)建了一套智能電網(wǎng)的實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多種傳感器、ZigBee短距離無線通信網(wǎng)作為底層數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送系統(tǒng)，并通過GSM/GPRS通訊網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)傳送至遠程監(jiān)控中心，以便實現(xiàn)有效的遠程監(jiān)控。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術分析

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)被應用在各行各業(yè)，在智能家居、交通、環(huán)保、安全及工業(yè)監(jiān)測等多個領域發(fā)揮著重要作用。物聯(lián)網(wǎng)又叫傳感網(wǎng)，是利用底層RFID（射頻識別）、紅外感應器等各種信息傳感設備，按約定的通信協(xié)議，將被監(jiān)控對象與互聯(lián)網(wǎng)相連接，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種綜合智能網(wǎng)絡。

物聯(lián)網(wǎng)是以數(shù)據(jù)為中心的面向應用的網(wǎng)絡，網(wǎng)絡的組成包括感知結(jié)點、傳感網(wǎng)、核心承載網(wǎng)和信息服務系統(tǒng)等幾大部分。系統(tǒng)硬件平臺組成如圖1所示，其中，傳感網(wǎng)包括感知結(jié)點（數(shù)據(jù)采集、控制）和末梢網(wǎng)絡（匯聚結(jié)點、接入網(wǎng)關等）；核心承載網(wǎng)絡為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的基礎通信網(wǎng)絡；信息服務系統(tǒng)硬件設施主要負責信息的處理和決策支持[1]。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)硬件平臺示意圖

物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡的主要區(qū)別在于：物聯(lián)網(wǎng)擴大了傳統(tǒng)網(wǎng)絡的通信范圍，即物聯(lián)網(wǎng)不僅僅局限于人與人之間的通信，還擴展到人與物、物與物之間的通信，所以物聯(lián)網(wǎng)的價值主要在于網(wǎng)，而不在于物。因此，如何借助物聯(lián)網(wǎng)技術來構(gòu)建智能電網(wǎng)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)是課題的研究重點。

2 監(jiān)控系統(tǒng)總體設計方案

智能電力監(jiān)控系統(tǒng)是由智能測控裝置、網(wǎng)絡設備及計算機設備等互聯(lián)布局而成。主要功能是對電力系統(tǒng)中的高壓開關柜、低壓開關柜、應急發(fā)電機組、電力變壓器和EPS/UPS/ATS等的工作狀態(tài)進行監(jiān)控。通過實時記錄單相/三相電壓、單相/三相電流、功率、功率因數(shù)、電度、頻率和電流開關狀態(tài)等各項參數(shù)而實現(xiàn)監(jiān)測，當參數(shù)值超出允許范圍時便產(chǎn)生預警、報警，并對相關設備進行控制。

底層傳感網(wǎng)由ZigBee網(wǎng)絡構(gòu)成，終端結(jié)點都采用智能終端。如圖2所示，每個終端結(jié)點都具備無線電收發(fā)器、微控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換等結(jié)構(gòu)，因此每一個結(jié)點都具有一定的數(shù)據(jù)處理和運算的能力。

圖2 ZigBee結(jié)點結(jié)構(gòu)

ZigBee射頻芯片采用德州儀器(TI)所生產(chǎn)的CC2530-F256，片上集成高性能低功耗8051內(nèi)核、128-bit ADC、2個USART以及功能強大的DMA功能，支持Zig-Bee2207/Pro協(xié)議棧。較CC2430相比，CC2530在發(fā)射功率、鏈路預算、射頻噪聲抑制能力、低功耗以及ESD防護能力等方便都有較大的提升[2]。因此，本設計中采用CC2530作為Zig-Bee解決方案。

整個ZigBee網(wǎng)絡采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，包括一個ZigBee協(xié)調(diào)點和多個ZigBee終端終點。協(xié)調(diào)點采用全功能設備FFD，負責建立和維護整個網(wǎng)絡。其他結(jié)點一般選擇簡化功能設備RFD，同時在關鍵設備上放置FFD，以便保證數(shù)據(jù)的處理能力。整個網(wǎng)絡采用多跳自組織形式，具有完善的自恢復能力。

為增強整個網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)處理能力，底層的數(shù)據(jù)采集部分在將數(shù)據(jù)傳送至通信層之前設置數(shù)據(jù)融合中心，底層的數(shù)據(jù)將集中傳送到該中心。該中心由現(xiàn)場PC機擔當，具有一定的數(shù)據(jù)實時處理能力和控制功能，可以對現(xiàn)場的故障狀況作出及時的反應。

監(jiān)控系統(tǒng)的通信層由GSM/GPRS通訊網(wǎng)絡來構(gòu)建。GSM是全球移動通信系統(tǒng)，是世界上最先推出的數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)，具有頻譜效率高、容量大、話音質(zhì)量高、安全性強、可以實現(xiàn)智能業(yè)務和國際漫游的功能。我國從1993年開始正式開放GSM業(yè)務，經(jīng)過多年的發(fā)展，GSM已經(jīng)成為目前國內(nèi)最成熟和市場占用量最大的一種數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)。但是GSM是基于電路交換方式的9.6 kb/s的數(shù)據(jù)業(yè)務，這個速率對于監(jiān)控系統(tǒng)的多媒體業(yè)務來說，速率太低而無法實現(xiàn)圖像和視頻的監(jiān)控。因此，在GSM的基礎之上采用通用分組無線業(yè)務GPRS是實現(xiàn)有效監(jiān)控的一種方式。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無線調(diào)制標準、跳頻規(guī)則及相同的TDMA幀結(jié)構(gòu)。因此GPRS既可以利用現(xiàn)有完善的GSM網(wǎng)絡資源，又可具有比GSM更高的數(shù)據(jù)傳輸效率，可擔當監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。如果監(jiān)控系統(tǒng)要采用視頻監(jiān)控的話，應當選擇3G網(wǎng)絡來完成數(shù)據(jù)的傳輸。

智能電網(wǎng)的上層管理功能由中央監(jiān)控中心來完成。中央監(jiān)控中心內(nèi)設置高性能服務器，選擇SQL Server2005作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，利用VC編制相應的監(jiān)控應用軟件。服務器與一部GSM通訊機相連，通過GSM無線網(wǎng)絡對所轄臺區(qū)的漏電保護器及其它智能電力設備進行管理。具體功能包括所有設備的運行參數(shù)查詢、故障信息收集，對漏電保護設備的運行信息查詢，對所有設備進行遠程操作及信息的存儲和傳遞。

智能電網(wǎng)的上位機部分除完成基層電力設備的信息存儲、查詢外，還設有相應的專家決策系統(tǒng)，從而幫助系統(tǒng)有效協(xié)調(diào)電網(wǎng)的整體運行狀況。專家決策系統(tǒng)由三部分組成，分別為數(shù)據(jù)支持層、網(wǎng)絡分析層、指揮系統(tǒng)協(xié)調(diào)層。數(shù)據(jù)支持層主要完成實時收集電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)和監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)的作用，內(nèi)設兩個數(shù)據(jù)庫，一個為運行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，另一個為故障數(shù)據(jù)庫。運行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)會在應用程序中與系統(tǒng)中的工作標準數(shù)據(jù)相比較，如果運行數(shù)據(jù)合乎運行標準，則進行保存，如果運行數(shù)據(jù)不合乎標準，則將數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)絡分析層。網(wǎng)絡分析層設置模糊規(guī)則數(shù)據(jù)庫，利用模糊算法結(jié)合故障數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)對疑似故障數(shù)據(jù)進行安全性分析，并所出相應的判斷。第三層為指揮系統(tǒng)協(xié)調(diào)層，這一層根據(jù)網(wǎng)絡分析層所分析的結(jié)果，決定系統(tǒng)的控制功能，以保證系統(tǒng)的安全運行。

3 總結(jié)

本文設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效、方便地利用智能終端對電力系統(tǒng)的運營狀態(tài)進行遠程管理，節(jié)約了人力成本，大大提高了工作效率和經(jīng)濟效益。

該系統(tǒng)采用ZigBee網(wǎng)絡構(gòu)建底層數(shù)據(jù)采集層，終端節(jié)點采用嵌入式智能終端系統(tǒng)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時采集與傳輸。通信層由GRPS網(wǎng)絡來擔當，由VC+SQL Server2005來組成遠程監(jiān)控應用體系。

該系統(tǒng)的使用可以將目前的電網(wǎng)管理提升一個新的臺階，有助于對電網(wǎng)用電狀況作出準確的分析和決策，對實現(xiàn)電網(wǎng)的智能管理具有重要的意義。

[1]屈軍鎖.物聯(lián)網(wǎng)通信技術[M].北京：中國鐵道出版社，2011：30-35.

[2]胡雯.基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能建筑溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].智能建筑與城市信息，2009(9)：98-99.

Research and analysisof smartgridmonitoring system based on Internetof things

DU Chun-mei,DAIChang-ming,QU Jian-ping,WANGQing-lin

With the developmentof power electronics technology,the scale and complexity of the power system are increasingly advanced.There are higher demands for strength,reliability,security,faultmonitoring,etc of the smart grid.Thus,effective monitoring of the smart grid has important significance.An integrated monitoring and management system based on the Internet of things was built as to the possibility of failure of the smart grid.The system used ZigBee technology to build the bottom data acquisition network,and used GPRS network and Internet to achieve m iddle data transm ission network,and used SQL Server2005 to construct upper data storage and processing centers,achieving effective remotemonitoring.

smartgrid;GPRS;Internetof things;monitoring system

TM 727

A

1002-087 X(2014)05-0914-02

2013-11-30

河北建筑工程學院青年基金項目(KYQ-201317)

杜春梅(1979—)，女(滿族)，遼寧省人，講師，主要研究方向為計算機檢測技術。