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

陳佳博

海淀供電公司 北京 100089

一、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分析

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)被應(yīng)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(cè)等多個(gè)領(lǐng)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(shí)別)、紅外感應(yīng)器等各種信息傳感設(shè)備,按約定的通信協(xié)議,將被監(jiān)控對(duì)象與互聯(lián)網(wǎng)相連接,以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種綜合智能網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)是以數(shù)據(jù)為中心的面向應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)的組成包括感知結(jié)點(diǎn)、傳感網(wǎng)、核心承載網(wǎng)和信息服務(wù)系統(tǒng)等幾大部分。

物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別在于：物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)大了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(kuò)展到人與物、物與物之間的通信,所以物聯(lián)網(wǎng)的價(jià)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(shù)來(lái)構(gòu)建智能電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是課題的研究重點(diǎn)。

二、監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

智能電力監(jiān)控系統(tǒng)是由智能測(cè)控裝置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及計(jì)算機(jī)設(shè)備等互聯(lián)布局而成。主要功能是對(duì)電力系統(tǒng)中的高壓開(kāi)關(guān)柜、低壓開(kāi)關(guān)柜、應(yīng)急發(fā)電機(jī)組、電力變壓器和EPS/UPS/ATS 等的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)實(shí)時(shí)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(kāi)關(guān)狀態(tài)等各項(xiàng)參數(shù)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè),當(dāng)參數(shù)值超出允許范圍時(shí)便產(chǎn)生預(yù)警、報(bào)警,并對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制。

底層傳感網(wǎng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,終端結(jié)點(diǎn)都采用智能終端。如圖1所示,每個(gè)終端結(jié)點(diǎn)都具備無(wú)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(gè)結(jié)點(diǎn)都具有一定的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算的能力。

圖1 ZigBee結(jié)點(diǎn)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(gè)USART以及功能強(qiáng)大的DMA功能,支持ZigBee2207/Pro協(xié)議棧。較CC2430相比,CC2530在發(fā)射功率、鏈路預(yù)算、射頻噪聲抑制能力、低功耗以及ESD防護(hù)能力等方便都有較大的提升。因此,本設(shè)計(jì)中采用CC2530作為ZigBee解決方案。

整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),包括一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)和多個(gè)ZigBee終端終點(diǎn)。協(xié)調(diào)點(diǎn)采用全功能設(shè)備FFD,負(fù)責(zé)建立和維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。其他結(jié)點(diǎn)一般選擇簡(jiǎn)化功能設(shè)備RFD,同時(shí)在關(guān)鍵設(shè)備上放置FFD,以便保證數(shù)據(jù)的處理能力。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用多跳自組織形式,具有完善的自恢復(fù)能力。

為增強(qiáng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(chǎng)PC機(jī)擔(dān)當(dāng),具有一定的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理能力和控制功能,可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的故障狀況作出及時(shí)的反應(yīng)。

監(jiān)控系統(tǒng)的通信層由GSM/GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)建。GSM 是全球移動(dòng)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(qiáng)、可以實(shí)現(xiàn)智能業(yè)務(wù)和國(guó)際漫游的功能。我國(guó)從1993年開(kāi)始正式開(kāi)放GSM 業(yè)務(wù),經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,GSM 已經(jīng)成為目前國(guó)內(nèi)最成熟和市場(chǎng)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9.6kb/s的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),這個(gè)速率對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)的多媒體業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō),速率太低而無(wú)法實(shí)現(xiàn)圖像和視頻的監(jiān)控。因此,在GSM 的基礎(chǔ)之上采用通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)GPRS是實(shí)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(wú)線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、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(luò)資源,又可具有比GSM 更高的數(shù)據(jù)傳輸效率,可擔(dān)當(dāng)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(yīng)當(dāng)選擇3G網(wǎng)絡(luò)來(lái)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(lái)完成。中央監(jiān)控中心內(nèi)設(shè)置高性能服務(wù)器,選擇SQLServer2005作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),利用VC編制相應(yīng)的監(jiān)控應(yīng)用軟件。服務(wù)器與一部GSM 通訊機(jī)相連,通過(guò)GSM 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)所轄臺(tái)區(qū)的漏電保護(hù)器及其它智能電力設(shè)備進(jìn)行管理。具體功能包括所有設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)查詢、故障信息收集,對(duì)漏電保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行信息查詢,對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作及信息的存儲(chǔ)和傳遞。

三、總結(jié)

本文設(shè)計(jì)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(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理,節(jié)約了人力成本,大大提高了工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建底層數(shù)據(jù)采集層,終端節(jié)點(diǎn)采用嵌入式智能終端系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時(shí)采集與傳輸。通信層由GRPS網(wǎng)絡(luò)來(lái)?yè)?dān)當(dāng),由VC＋SQLServer2005來(lái)組成遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)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(gè)新的臺(tái)階,有助于對(duì)電網(wǎng)用電狀況作出準(zhǔn)確的分析和決策,對(duì)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能管理具有重要的意義。