淺析無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

袁昊宇

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局，廣東 惠州 516001）

電力屬于重要的民生資源，電力網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行與社會(huì)正常發(fā)展具有緊密聯(lián)系。智能電網(wǎng)建設(shè)速度不斷加快，為了更加穩(wěn)定、安全的向社會(huì)供應(yīng)電力，需要投入更多的研究經(jīng)費(fèi)以及研究資源等加大升級(jí)更新電力系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的研究力度，尤其要注重現(xiàn)代化信息技術(shù)的引進(jìn)。電力系統(tǒng)中包含數(shù)量龐大的配電變壓器節(jié)點(diǎn)，并且其中電網(wǎng)線路也極為復(fù)雜，構(gòu)建的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)需要?jiǎng)討B(tài)化監(jiān)控電力傳輸?shù)母鱾€(gè)環(huán)節(jié)以及電力設(shè)備的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。以往應(yīng)用有線通信方式監(jiān)控電力系統(tǒng)設(shè)備，導(dǎo)致相關(guān)技術(shù)人員以及硬件鋪設(shè)人員面對(duì)巨大的工作壓力和挑戰(zhàn)，在各類先進(jìn)技術(shù)不斷涌現(xiàn)的發(fā)展環(huán)境中，電力系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)控開(kāi)始加強(qiáng)無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用。大部分情況下，電力系統(tǒng)依靠遠(yuǎn)程終端測(cè)量單元進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，上述單元可以獲得接電注入功率以及電壓幅值等多元化的測(cè)量數(shù)據(jù)，不過(guò)，在對(duì)母線間相位差等極為關(guān)鍵的數(shù)據(jù)獲取時(shí)，常遇到諸多阻礙，應(yīng)用向量測(cè)量單元這一精密檢測(cè)裝置可以對(duì)上述問(wèn)題妥善解決。

1 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建的必要性

無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)有效集合了無(wú)線通信技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)以及傳感技術(shù)，主要可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力自動(dòng)化綜合系統(tǒng)中的各類設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，在發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障的同時(shí)，及時(shí)將相關(guān)故障信息上傳至電力調(diào)度中心，以便安排相關(guān)技術(shù)人員分析故障信息，第一時(shí)間采取有效措施解決故障問(wèn)題，有效控制電力故障范圍，最大限度地保障電力系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定、安全和高效運(yùn)行。另一方面，借助遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)提供的設(shè)備故障數(shù)據(jù)，相關(guān)維修人員可以快速的制定具有針對(duì)性的維修方案，大幅度縮短設(shè)備維修時(shí)間，避免電力系統(tǒng)中某一設(shè)備故障引發(fā)巨大的安全事故。

2 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 設(shè)計(jì)思路淺析

為了實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)設(shè)備整個(gè)生命周期的計(jì)算機(jī)化管理，所構(gòu)建的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備使用者和管理者實(shí)時(shí)監(jiān)控電力系統(tǒng)設(shè)備的功能，這屬于該監(jiān)控系統(tǒng)首要完成的功能，其以動(dòng)態(tài)圖形式對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行顯示，以便及時(shí)了解其是處于正常運(yùn)行狀態(tài)還是事故停機(jī)狀態(tài)，同時(shí)還可以對(duì)停機(jī)原因是因?yàn)槿藶榭刂七€是設(shè)備故障引起進(jìn)行查詢，同時(shí)系統(tǒng)還具備完整、準(zhǔn)確記錄設(shè)備運(yùn)行時(shí)間以及設(shè)備事故時(shí)間的查詢功能。為了方便使用，最終所構(gòu)建的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足操作簡(jiǎn)便、界面友好、靈活、實(shí)用、安全以及時(shí)效性的要求。

2.2 總體架構(gòu)分析

（1）本文所設(shè)計(jì)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要的組成部分包括GPRS 網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控終端以及監(jiān)控中心服務(wù)器等，系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。GPRS 監(jiān)控終端在采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)時(shí)主要依靠向量測(cè)量單元，以此來(lái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)以及控制。監(jiān)控終端與監(jiān)控中心之間則利用GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸透明數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心在系統(tǒng)中主要需要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析工作，并且還承擔(dān)著發(fā)送相關(guān)控制指令的任務(wù)，平時(shí)主要是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行維護(hù)。監(jiān)控系統(tǒng)在對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)備有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)主要借助GPRS 終端的向量測(cè)量單元，之后傳輸數(shù)據(jù)到移動(dòng)基站，移動(dòng)公司服務(wù)器接受數(shù)據(jù)后，依靠Internet 網(wǎng)絡(luò)的支撐功能進(jìn)一步被傳輸至監(jiān)控中心的以太網(wǎng)，要想實(shí)現(xiàn)上述網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)之間的有效連接，還需要設(shè)計(jì)通信服務(wù)器。最后，以太網(wǎng)所獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)被傳輸?shù)奖O(jiān)控中心后，要想發(fā)揮實(shí)時(shí)監(jiān)控電力系統(tǒng)設(shè)備的功能，還需要決策支持服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器等的共同作用。

圖1

（2）研究運(yùn)用了無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)的GPRS監(jiān)控終端的無(wú)線收發(fā)裝置，主要為GPRS 無(wú)線模塊，其主要在監(jiān)控終端連接GPS 網(wǎng)絡(luò)時(shí)扮演著關(guān)鍵角色，在實(shí)現(xiàn)有效連接之后可以發(fā)送分組數(shù)據(jù)協(xié)議激活上下文，借助網(wǎng)關(guān)GPRS 支持節(jié)點(diǎn)可以對(duì)相應(yīng)的IP 地址進(jìn)行科學(xué)合理的分配，確?？梢耘c外部網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)有效連接，完成上述連接后再繼續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。上述監(jiān)控終端在精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)采集設(shè)備實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)時(shí)，向量測(cè)量單元所發(fā)揮的重要作用不容忽視，構(gòu)建數(shù)據(jù)包時(shí)，主要參考的依據(jù)為應(yīng)用層協(xié)議，之后發(fā)送至監(jiān)控中心。在這一過(guò)程，監(jiān)控終端還可以響應(yīng)監(jiān)控中心的控制指令以及數(shù)據(jù)請(qǐng)求。監(jiān)控中心和監(jiān)控終端兩者之間在對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時(shí)，主要的流程可以簡(jiǎn)單概括為：①先通過(guò)串行接口GPRS模塊從微控單元獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)；②之后依據(jù)GPRS 分組數(shù)據(jù)形式處理數(shù)據(jù)發(fā)送給基站；③GPRS 服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)封裝分組數(shù)據(jù)并且有效發(fā)送給GPRS IP 骨干網(wǎng)。當(dāng)分組數(shù)據(jù)屬于另一個(gè)GPRS 終端接受的情況下，還需要先將分組數(shù)據(jù)發(fā)送到目的GPRS 服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)，之后借助基本服務(wù)集發(fā)送到GPRS 終端。

3 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及向量測(cè)量單元優(yōu)化配置

該系統(tǒng)GPRS 監(jiān)控終端主要涉及了相關(guān)通信模塊以及智能監(jiān)控儀表等，主控處理作為這一系統(tǒng)的核心，所發(fā)揮的關(guān)鍵作用不容忽視。選擇LPC2106 不僅可以做到實(shí)時(shí)跟蹤，還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真，屬于ARM7TDMI-S CPU，其主要組成部分可以細(xì)分為64KBSRAM、兩線串行口以及128KB 高速Flash。在對(duì)GPRS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的指令進(jìn)行剖析時(shí)，主控處理器屬于關(guān)鍵的處理單元，以此來(lái)有效管理智能儀表，同時(shí)可以對(duì)設(shè)備實(shí)際狀態(tài)開(kāi)展動(dòng)態(tài)化監(jiān)管。

GR47 無(wú)線模塊屬于GPRS 模塊的關(guān)鍵組成部分，之所以選擇這一模塊，主要是因?yàn)榭紤]到需要利用模塊中的GSM/GPRS 全套數(shù)據(jù)以及語(yǔ)音功能，并且這一模塊的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸通道也具有更多的選擇性，可以分為SMS與GPRS。

在具體應(yīng)用過(guò)程中，用戶可以根據(jù)實(shí)際使用需求以及具體的應(yīng)用環(huán)境對(duì)GR47 合理配置，促進(jìn)監(jiān)控服務(wù)器與LPC2106 之間透明穿行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。SIM 卡在采集GPRS 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中同樣發(fā)揮重要作用，值得注意的是，在實(shí)際應(yīng)用這一卡時(shí)必須開(kāi)通GPRS 服務(wù)，否則GPRS 終端將無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。E2PROM 在系統(tǒng)中最主要的功能是對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行有效存儲(chǔ)，并且只要一次配置就可以免去后續(xù)繁雜的重復(fù)配置操作。LPC2106 主要依靠調(diào)試接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，這一接口不僅可以寫入代碼，還能夠設(shè)置LPC2106、對(duì)總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分析，為監(jiān)控以及調(diào)試系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供方便。

將向量測(cè)量單元安裝在電力系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)上，主要是為了測(cè)量電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的相連之路電流、電壓相量等重要數(shù)據(jù)，同時(shí)，還發(fā)揮著對(duì)設(shè)備監(jiān)控測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)化采集的重要作用。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是借助向量測(cè)量單元監(jiān)控安裝節(jié)點(diǎn)以及相鄰接點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。不過(guò)，向量測(cè)量單元可以觀測(cè)通道的數(shù)量是有限的，不同制造商生產(chǎn)的向量測(cè)量單元裝置也存在較大差距，因此，不同廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品觀測(cè)通道數(shù)目很難達(dá)成一致，需要重視向量測(cè)量單元的優(yōu)化配置。

4 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

以某地區(qū)變電站真實(shí)電力系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備有關(guān)數(shù)據(jù)作為遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的研究對(duì)象，借助Matlab仿真軟件進(jìn)行相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)。上述變電站電力系統(tǒng)設(shè)備主要包括發(fā)電設(shè)備以及供電設(shè)備，發(fā)電機(jī)、電站鍋爐以及蒸汽輪機(jī)等屬于主要的發(fā)電設(shè)備，而接觸器以及互感器等屬于關(guān)鍵的供電設(shè)備，實(shí)驗(yàn)具體推進(jìn)時(shí)，主要需要進(jìn)行兩方面的驗(yàn)證試驗(yàn)，包括無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸性能驗(yàn)證以及監(jiān)控輸出性能驗(yàn)證。在本次試驗(yàn)中還應(yīng)用了基于智能視覺(jué)物聯(lián)網(wǎng)的變電站紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及變電站直流電源遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以此來(lái)更好地對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.1 測(cè)試無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸性能

（1）對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)以及其他兩種系統(tǒng)在不同數(shù)據(jù)包數(shù)量情況下的數(shù)據(jù)傳輸成功率進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，后兩種系統(tǒng)在數(shù)據(jù)包數(shù)量不斷增加的情況下，傳輸數(shù)據(jù)的沖功率卻表現(xiàn)出不斷下降的情況，這兩種系統(tǒng)分別下降至70%以下和60%以下，此時(shí)，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)依舊保持超過(guò)90%的傳輸效率，并且表現(xiàn)出平穩(wěn)的變化趨勢(shì)，由此可知，該系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方面性能優(yōu)越。

（2）對(duì)不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程平均速率變化情況進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，本文所研究的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率相比以往所應(yīng)用的系統(tǒng)具有突出優(yōu)勢(shì)，由此可以推測(cè)，該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸方面同樣優(yōu)勢(shì)明顯，主要是因?yàn)镚PRS 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮作用，促進(jìn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度、準(zhǔn)確率以及效率的全面提升。

（3）數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，一旦發(fā)生程度嚴(yán)重的時(shí)延，將導(dǎo)致用戶使用體驗(yàn)大打折扣，結(jié)合相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以了解到，應(yīng)用了無(wú)線通信技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)在時(shí)延方面同樣具有明顯優(yōu)勢(shì)，并且不會(huì)產(chǎn)生太大波動(dòng)，可以顯著提升用戶體驗(yàn)感。

（4）驗(yàn)證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸性能的一個(gè)重要指標(biāo)為誤碼率，通過(guò)這3 種系統(tǒng)的誤碼率對(duì)比試驗(yàn)可知，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)誤碼率最低，因此，這一系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸矘O為突出，可以更好地滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸需求。

4.2 對(duì)比監(jiān)控性能

在相關(guān)仿真模擬軟件中對(duì)上述3 種系統(tǒng)對(duì)于電力系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)控狀態(tài)進(jìn)行模擬，并且對(duì)比真實(shí)電力設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，以此來(lái)進(jìn)一步深入驗(yàn)證系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，考慮到電力系統(tǒng)設(shè)備基本處于室外環(huán)境中，自然環(huán)境會(huì)明顯影響電力系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)測(cè)，仿真系統(tǒng)中同樣需要對(duì)不同天氣狀況進(jìn)行模擬。通過(guò)對(duì)比分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：如果為普通陰雨天氣，對(duì)比系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確；處于極端惡劣天氣環(huán)境當(dāng)中，這兩種系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率大幅度下降，基本不超過(guò)80%，但是無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率依舊可以超過(guò)90%。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，電力系統(tǒng)不斷升級(jí)的過(guò)程，相關(guān)的監(jiān)控系統(tǒng)也在不斷進(jìn)行更新，為了保障電力系統(tǒng)中多元化的設(shè)備可以始終維持良好的運(yùn)行狀態(tài)，需要重視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的有效監(jiān)控。將無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用至電力系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中，可以進(jìn)一步提升監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)性能，為電力系統(tǒng)設(shè)備的及時(shí)、準(zhǔn)確維修提供可靠依據(jù)，構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)可以更好地適應(yīng)惡劣的自然環(huán)境，精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地將設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，為電力系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)控工作的全面優(yōu)化提供有力的支撐。