無線通信網(wǎng)絡的電力系統(tǒng)設備遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)

劉光輝 朱婷婷 張慧娥

摘 要：為提高電力系統(tǒng)設備監(jiān)測準確性和網(wǎng)絡傳輸性能，設計了無線通信網(wǎng)絡的電力系統(tǒng)設備遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)。首先采用無線通信采集電力系統(tǒng)設備現(xiàn)場數(shù)據(jù)，監(jiān)控終端將該數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿踊荆缓笸ㄟ^服務器傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)中，并把數(shù)據(jù)分別傳輸至監(jiān)控工作站等模塊，從而實現(xiàn)電力系統(tǒng)設備遠程實時監(jiān)控。經(jīng)驗證，該系統(tǒng)在網(wǎng)絡通信方面具有傳輸成功率高、速度快、誤碼率低等優(yōu)勢，在監(jiān)控效果方面具有監(jiān)控結(jié)果準確，抗環(huán)境因素影響能力強等特點。

關鍵詞：無線通信網(wǎng)絡;電力系統(tǒng);設備遠程實時監(jiān)控;GPRS;PMU

Abstract：In order to improve the monitoring accuracy and network transmission performance of power system equipment， a remote real-time monitoring system of power system equipment based on wireless communication network is designed. Wireless communication is used to collect the field data of power system equipment. The monitoring terminal transmits the data to the mobile base station， and the data is transmitted to the Ethernet through the server. The Ethernet transmits the data to the monitoring workstation and other modules to realize the remote real-time monitoring of power system equipment. It has been verified that the system has the advantages of high transmission success rate， high speed， and low bit error rate in network communication， accurate monitoring results and strong ability to resist the influence of environmental factors in terms of monitoring effect.

Key words：wireless communication network; electric power system; equipment remote; real-time monitoring; GPRS; PMU

近年來電力系統(tǒng)相關技術高速發(fā)展，大容量、高電壓的電力系統(tǒng)構(gòu)建已經(jīng)不是研究難點，保障電力系統(tǒng)的安全運行已經(jīng)成為目前相關研究的重點。電力系統(tǒng)一旦出現(xiàn)突發(fā)故障或者臨時停電，將會給生活和生產(chǎn)帶來巨大經(jīng)濟損失和物質(zhì)影響，所以現(xiàn)階段迫切需要一項技術能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)設備遠程實時監(jiān)控[1]。在長期可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略下，電力系統(tǒng)相關應用對經(jīng)濟快速發(fā)展造成制約，加速優(yōu)化電力系統(tǒng)提高電力系統(tǒng)設備的監(jiān)控能力是目前研究的首要內(nèi)容。電力系統(tǒng)配電變壓器節(jié)點眾多、地理覆蓋范圍廣泛且電網(wǎng)線路極其復雜，電力能源從發(fā)電廠經(jīng)變壓器傳輸至輸電線路，通過降壓變壓器被各個用電用戶接受，在這一過程中有很多環(huán)節(jié)都需要遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)對電力設備的各個節(jié)點實行監(jiān)控[2，3]。在傳輸監(jiān)控數(shù)據(jù)過程中如果使用有線通信方式將會給技術人員和硬件鋪設人員帶來巨大工作壓力，所以針對電力設備監(jiān)控系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡技術顯得尤為重要。目前使用比較廣泛的包含SDMS通信網(wǎng)通信平臺等，但是受到數(shù)據(jù)傳輸方式的限制，系統(tǒng)運行時無法滿足使用需求。以分組交互技術作為基礎的GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線服務技術）無線通信網(wǎng)絡利用IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡協(xié)議，實現(xiàn)高速傳輸、低速信令的效果，能夠保證網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的高效通信[4-6]。

一般情況下電力系統(tǒng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控都是使用遠程終端測量單元，該單元獲得的測量數(shù)據(jù)通常包括節(jié)點注入功率、電壓幅值和支路潮流數(shù)據(jù)，但是在對于母線間相位差等關鍵數(shù)據(jù)的獲取卻較為困難。而向量測量單元（Phasor Measurement Unit，PMU）可以完美解決這一問題。向量測量單元是一種檢測精度較高的檢測裝置，將全球同步衛(wèi)星定位系統(tǒng)作為輔助工具，解決同步數(shù)據(jù)的矛盾，能夠?qū)崿F(xiàn)正序測量電流和電壓的相量，該單元已經(jīng)在遠程監(jiān)控中得到初步的研究成果[7]。在監(jiān)控系統(tǒng)的節(jié)點中配置向量測量單元能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)絡可觀測，評估出電網(wǎng)運行的基本狀態(tài)，且該單元成本較低，即使使用數(shù)量較大也不會造成經(jīng)濟負擔。目前已有針對電力系統(tǒng)遠程監(jiān)控的研究中，有學者提出基于智能視覺物聯(lián)網(wǎng)的變電站紅外監(jiān)測系統(tǒng)[8]，該系統(tǒng)利用紅外技術能夠?qū)τ陔娏υO備中存在的發(fā)熱異常實時報警，但是實際使用時成本過高，不適合推廣使用;還有學者提出變電站直流電源遠程監(jiān)測系統(tǒng)[9]，該系統(tǒng)通過通信協(xié)議轉(zhuǎn)換傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電力設備的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸，但是該系統(tǒng)由于與客戶端直接連接，工藝較復雜，還需要進一步完善。

將無線通信網(wǎng)絡作為基礎，設計電力系統(tǒng)設備遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)，深入研究電力系統(tǒng)的檢測維護情況。

1 基于無線通信網(wǎng)絡的電力系統(tǒng)設備遠程

實時監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電力系統(tǒng)設備遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)包含GPRS網(wǎng)絡、監(jiān)控中心服務器和監(jiān)控終端等組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

GPRS監(jiān)控終端利用PMU裝置對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)現(xiàn)場保護和控制;監(jiān)控終端和監(jiān)控中心之間的透明數(shù)據(jù)傳輸通過GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn);監(jiān)控中心主要負責對現(xiàn)場數(shù)據(jù)做出分析，發(fā)送控制指令，日常工作主要是維護數(shù)據(jù)庫[10]。系統(tǒng)通過GPRS終端中的PMU裝置采集現(xiàn)場電力設備的相關數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸至移動基站后，經(jīng)移動公司服務器接受，Internet為移動公司服務器提供網(wǎng)絡支持，將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心的以太網(wǎng)，Internet網(wǎng)絡與以太網(wǎng)由通信服務器建立連接;監(jiān)控中心接受以太網(wǎng)接收到的電力設備數(shù)據(jù)，經(jīng)決策支持服務器、GIS系統(tǒng)服務器、數(shù)據(jù)庫服務器以及監(jiān)控工作站共同協(xié)作實現(xiàn)電力設備的實時遠程監(jiān)控。

GPRS監(jiān)控終端的無線收發(fā)裝置是GPRS無線模塊，該模塊主要實現(xiàn)監(jiān)控終端與GPRS網(wǎng)絡之間的連接。GPRS網(wǎng)絡與GPRS無線模塊連接成功之后經(jīng)發(fā)送PDP（Packet Data Protocol，分組數(shù)據(jù)協(xié)議）上下文實現(xiàn)激活，通過GGSN（Gateway GPRS Support Node，網(wǎng)關GPRS支持節(jié)點）對IP地址實現(xiàn)分配，構(gòu)建系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡的連接，建立連接后才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸[11]。GPRS監(jiān)控終端利用PMU裝置采集電力系統(tǒng)設備的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，依據(jù)應用層協(xié)議構(gòu)建數(shù)據(jù)包向監(jiān)控中心發(fā)送。與此同時監(jiān)控終端也會對監(jiān)控中心的控制指令與數(shù)據(jù)請求作出想用，監(jiān)控中心與監(jiān)控終端二者之間是透明穿行數(shù)據(jù)傳輸。具體傳輸過程如下：

（1）經(jīng)串行接口GPRS模塊從MCU（MCU microcontroller Unit，微控制單元）獲取上傳數(shù)據(jù);

（2）按照GPRS分組數(shù)據(jù)形式把處理后數(shù)據(jù)向基站發(fā)送;

（3）SGSN（Serving GPRS Supporting Node，GPRS服務支持節(jié)點）封裝分組數(shù)據(jù)相GPRS IP骨干網(wǎng)發(fā)送;

（4）假如分組數(shù)據(jù)是由另一個GPRS終端接受，那么需要先把分組數(shù)據(jù)發(fā)送到目的SGSN，再通過BSS（Basic Service Set，基本服務集）向GPRS終端發(fā)送。

1.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的額硬件結(jié)構(gòu)見圖2。

GPRS監(jiān)控端主要由GPRS通信模塊、主控處理器、狀態(tài)顯示模塊、智能監(jiān)控儀表等模塊組成。系統(tǒng)的核心是主控處理。LPC2106支持跟蹤與實時仿真，是一個ARM7TDMI-S CPU，包含64KBSRAM、一個兩線串行口、128KB的高速FLASH、與Modem接口信后相連的串行口。來自GPRS網(wǎng)絡的指令由主控處理器解析，對485總線上過的智能儀表實現(xiàn)管理，監(jiān)測現(xiàn)場整體狀態(tài)。GPRS通信模塊使用GR47無線模塊，該模虧具備GSM/GPRS全套數(shù)據(jù)和語音功能，同時包含SMS和GPRS兩種無線數(shù)據(jù)傳輸通道，集成CPU強大的功能同時面向客戶把系統(tǒng)資源開放，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧。實際使用時用戶能夠合理配置GR47，實現(xiàn)監(jiān)控服務器和LPC2106之間的透明穿行數(shù)據(jù)傳輸[12]。獲取GPRS網(wǎng)絡服務的關鍵部分是SIM卡，為保證GPRS遠程終端能夠正常運行，在使用前SIM卡需要開頭GPRS服務。E2PROM實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)保存，GPRS連接參數(shù)、服務器IP地址以及GPRS服務器時間常數(shù)都由E2PROM存儲。僅需一次配置，即使重新啟動LPC2106或者端點及終端復位都不會應GPRS連接參數(shù)[13]。LPC2106實現(xiàn)與上位機之間的通信需要通過調(diào)試接口，該接口能夠完成代碼的寫入和提哦啊好似、設置LPC2106、分析485總線上傳輸?shù)念~數(shù)據(jù)，便于監(jiān)控與調(diào)試系統(tǒng)運行情況。

1.3 PMU優(yōu)化配置策略

在電力系統(tǒng)的節(jié)點上安裝PMU裝置能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)節(jié)點的相連支路電流、電壓相量實現(xiàn)測量，獲得設備監(jiān)控測量量，也就是通過PMU裝置實現(xiàn)安裝節(jié)點和相鄰節(jié)點的云行狀況可監(jiān)控。但是PMU可觀測通道有限，由于制造商差異影響，觀測通道數(shù)目也存在不同，研究可觀測通道數(shù)目受限制的情況下PMU優(yōu)化配置策略[14]。

假如在電力系統(tǒng)節(jié)點k上存在一個具有L個觀測通道的PMU配置，節(jié)點k同時和Nk個節(jié)點相連接。假如有L≥Nk，那么節(jié)點k和全部關聯(lián)個節(jié)點是可觀的。反之則存在rk種PMU配置方式保證L個連接節(jié)點是可觀的。式（1）為rk的定義：

2 系統(tǒng)性能測試

為驗證系統(tǒng)性能，將某市變電站的真實電力系統(tǒng)設備相關數(shù)據(jù)作為研究對象，利用Matlab仿真軟件開展仿真實驗。該變電站建于2004年，2006年經(jīng)過初步實驗首次投入使用，為全市80%的居民和場所提供電力支持，所包含的電力系統(tǒng)設備分為發(fā)電設備和供電設備，其中發(fā)電設備為發(fā)電機、電站鍋爐、變壓器和蒸汽輪機;供電設備包括接觸器、互感器和電壓等級不同的輸電線路。實驗從兩個方面開展，分別為無線通信網(wǎng)絡的傳輸性能驗證與監(jiān)控輸出的實時性與準確性。

為使實驗結(jié)果形成對比，同時使用基于智能視覺物聯(lián)網(wǎng)的變電站紅外監(jiān)測系統(tǒng)（簡稱為紅外監(jiān)測系統(tǒng)）和變電站直流電源遠程監(jiān)測系統(tǒng)（簡稱為直流電源監(jiān)測系統(tǒng)）開展實驗，這兩個對比系統(tǒng)分別為參考文獻[8]和參考文獻[9]。

2.1 無線通信網(wǎng)絡傳輸性能測試

對比三種系統(tǒng)在不同數(shù)據(jù)包數(shù)量情況下數(shù)據(jù)傳輸成功率情況。結(jié)果見圖3。從圖3能夠看出，兩種對比系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)過程中，隨著數(shù)據(jù)包數(shù)量的增加，傳輸數(shù)據(jù)的成功率逐漸降低，其中直流電源監(jiān)測系統(tǒng)的傳輸成功率降至60%以下，紅外監(jiān)測系統(tǒng)降至70%以下，而系統(tǒng)始終保持較高的傳輸成功率，且變化趨勢較平穩(wěn)，說明系統(tǒng)在實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸方面具有良好的性能。

對比三種系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸時的平均速率變化情況，結(jié)果見圖4。從圖4能夠看出，系統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡傳輸速率明顯高于兩個對比系統(tǒng)，說明系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸時具有絕對優(yōu)勢，分析原因，主要是由于系統(tǒng)使用GPRS無線通信網(wǎng)絡，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?、準確性和效率，具有良好的系統(tǒng)性能。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，一旦發(fā)生嚴重時延，將影響用戶的使用體驗，開展多次實驗，對比三種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸時延，結(jié)果見圖5。從圖5中能夠看出，系統(tǒng)的傳輸時延遠低于兩種對比系統(tǒng)，且數(shù)次實驗統(tǒng)計來看，趨勢變化較平緩，沒有出現(xiàn)明顯波動。兩種對比系統(tǒng)趨勢波動變化較大，且傳輸時延較高，其中直流電源監(jiān)測系統(tǒng)的時延接近2s，用戶使用時等待時間較長，會造成較差的用戶體驗感。

誤碼率是驗證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸性能的關鍵指標，對比三種系統(tǒng)在不同數(shù)據(jù)包數(shù)量情況下誤碼率對比情況，結(jié)果見圖6。從圖6中能夠看出，系統(tǒng)存在較低誤碼率，說明數(shù)據(jù)傳輸具有可靠性，與同類系統(tǒng)相比具有極大優(yōu)勢，滿足監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸時的需求。

2.2 監(jiān)控性能對比

在仿真平在使用三種系統(tǒng)開展電力系統(tǒng)設備的監(jiān)控，同時與真實電力設備運行數(shù)據(jù)對比，驗證三種系統(tǒng)的監(jiān)測準確性，對比結(jié)果見圖7。

由于電力系統(tǒng)設備均在室外環(huán)境中，因此系統(tǒng)在對電力系統(tǒng)設備實行監(jiān)測時容易受到自然環(huán)境的影響，在仿真系統(tǒng)中模擬不同天氣情況，分析三種系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果。

（a）陰雨天氣環(huán)境下監(jiān)測結(jié)果

（b）極端惡劣天氣環(huán)境下監(jiān)測結(jié)果

從圖8中能夠看出，在普通陰雨天氣中，兩種對比系統(tǒng)還能保證較良好的監(jiān)測結(jié)果，但是在極端惡劣天氣環(huán)境下，兩種對比系統(tǒng)監(jiān)測準確率均降至80%以下，而系統(tǒng)始終保持較好的監(jiān)測準確率，即使在極端惡劣環(huán)境下仍舊能夠保持90%以上的監(jiān)測準確率，證明系統(tǒng)具有良好的監(jiān)測性能。

3 結(jié) 論

以無線通信網(wǎng)絡技術作為基礎，使用PMU收集電力系統(tǒng)設備監(jiān)測信息，通過GPRS移動通信網(wǎng)絡傳輸監(jiān)測信息，經(jīng)監(jiān)測中心實現(xiàn)電力系統(tǒng)設備的實時遠程監(jiān)控。系統(tǒng)由于使用GPRS移動通信網(wǎng)絡，在監(jiān)測信息的傳輸方面具有極高的性能和極高的優(yōu)勢，由于數(shù)據(jù)傳輸為系統(tǒng)打下良好基礎，保證系統(tǒng)在監(jiān)測方面具備更加良好的性能，同時，經(jīng)仿真驗證，系統(tǒng)即使在惡劣天氣環(huán)境下仍舊具有良好的監(jiān)測效果，與同類系統(tǒng)相比，具有極大優(yōu)勢，適合推廣使用。

參考文獻

[1] 彭志強，張琦兵，蘇大威，等.基于GSP的變電站監(jiān)控系統(tǒng)遠程運維技術[J].電力自動化設備，2019，39（4）：210-216.

[2] 向春枝，呂書林.無線網(wǎng)絡下船舶運行狀態(tài)遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].艦船科學技術，2017，39（18）：73-75.

[3] 崔玉，吳奕，張志，等.基于電力無線虛擬專網(wǎng)的繼電保護智能移動運維系統(tǒng)設計及實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2018，46（23）：175-181.

[4] 徐鑫乾，徐錸，陳杰，等.基于移動無線傳感網(wǎng)的電纜通道應急監(jiān)測系統(tǒng)[J].中國電力，2020，53（1）：66-71+99.

[5] 熊海軍，張凱.電力設備監(jiān)控系統(tǒng)無線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計策略研究[J].電測與儀表，2020，57（21）：24-31.

[6] 俞進輝，鄭曉戈，趙石巖，等.基于WLAN的港口機械設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)[J].機械設計與制造，2018（4）：269-272.

[7] 孫家可，杜科.面向配電網(wǎng)通信的光載無線系統(tǒng)線性度的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2017，45（1）：118-124.

[8] 漆燦，李慶武，鄭云海，等.基于智能視覺物聯(lián)網(wǎng)的變電站紅外監(jiān)測系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2018，46（15）：135-141.

[9] 李宏偉，郭峰，侯艷，等.變電站直流電源遠程監(jiān)測系統(tǒng)及APP應用[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2018，46（19）：144-150.

[10]李穎.基于大數(shù)據(jù)的船舶電力設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].艦船科學技術，2018，40（2）：98-100.

[11]梁濤，孫天一，姜文，等.區(qū)域性多風電場數(shù)據(jù)采集與遠程集控系統(tǒng)設計[J].高技術通訊，2019，29（4）：387-394.

[12]張智勇，王維慶，王海云，等.基于IEC 61850的主動配電網(wǎng)無功監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力電容器與無功補償，2017，38（4）：104-109.

[13]郝佳，趙隆，紀超，等.10 kV高壓開關設備綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)研制[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2019，47（7）：142-147.

[14]陸晶晶，賀之淵，趙成勇，等.適用于多能協(xié)同運行的MMC型三端主動電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)[J].電力自動化設備，2017，37（6）：245-252.

[15]劉海濱，董海洋，秦曉康，等.水電站智能監(jiān)控服務支持系統(tǒng)研究與應用[J].水電能源科學，2018，36（8）：162-165.