基于物联网的智能电网监控系统研究张涤秋

基于物联网的智能电网监控系统研究张涤秋

张涤秋1袁志刚2范孟哲3

（国网辽宁省电力有限公司丹东供电公司辽宁省118000）

摘要：随着电力电子技术的发展，电力系统也在不断的提高，电力系统服务的地区和人群也越来越广和越来越多，因此要求电力系统具备极高的容错性。加强对智能电网的稳定性、可靠性和安全性的有效监控对提升电力系统的服务质量具有非常重要的意义。采用物联网技术构建三层体系结构的智能监控系统，以CC2530-F256作为ZigBee射频芯片构建底层数据传感层，采用GPRS和4G技术构建通信网络层，以关系型数据作为上层的数据存储层，从而实现整个智能监控系统的高效运行。

关键词：电力系统；智能电网；物联网；监控系统

引言

电力能源是整个国民生产中非常重要的资源，电力系统能否正常运转关系到正常的社会生产是否能够正常进行。构建一套有效的智能电网监控系统对于提升电力系统服务的稳定性具有非常重要的意义。智能电网本质上是数字化的电力网络，是一种基于先进通信技术的动态调节网络系统，它通过在网络终端部署大量的传感节点对整个网络状态进行快速检测和反馈，能够实现在高峰时段对电力调度的快速决策。可见智能电网的研究与发展已经对国民改革产生了非常深远的影响，这在一定程度上也对智能电网的升级提出了更高的要求。越来越多的科研工作者都投入了大量的精力进行智能电网监控系统的研究。

1物联网技术概述

随着互联网的快速发展，快速的网络通信和数据互联推动物联网在各行各业都取得了长足的应用，特别是在智能家居、安防、视频监控和工业生产等行业都有着非常明显的应用。物联网技术是通过底层的射频识别（RFID）、红外感应器和各种传感器来快速提取物理环境中各项参数，并通过快速的网络传输将数据传输到上层决策层，用以进行数据决策、数据分析以及跟踪和定位等一系列行为的综合智能网络。物联网作为连接物与物、人与人之间的中枢纽带，其整体上将系统划分为三个组成部分，数据传感层（包括RFID、红外感应器和传感器），通信网络层（4G和GPRS）和决策层，物联网的三层体系结构通过对智能电网终端、电网传输和最后的电力配送调度进行一系列的控制和调节，能够保证整个电力网络的高效运转，物联网的智能电网体系结构如图1所示。

图1物联网体系结构图

2物联网技术分析

随着互联网技术的不断发展，物联网被应用在各行各业，在智能家居、交通、环保、安全及工业监测等多个领域发挥着重要作用。物联网又叫传感网，是利用底层RFID（射频识别）、红外感应器等各种信息传感设备，按约定的通信协议，将被监控对象与互联网相连接，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种综合智能网络。物联网是以数据为中心的面向应用的网络，网络的组成包括感知结点、传感网、核心承载网和信息服务系统等几大部分。系统硬件平台组成如图1所示，其中，传感网包括感知结点（数据采集、控制）和末梢网络（汇聚结点、接入网关等）；核心承载网络为物联网业务的基础通信网络；信息服务系统硬件设施主要负责信息的处理和决策支持。

图1物联网硬件平台示意图

物联网与传统网络的主要区别在于：物联网扩大了传统网络的通信范围，即物联网不仅仅局限于人与人之间的通信，还扩展到人与物、物与物之间的通信，所以物联网的价值主要在于网，而不在于物。因此，如何借助物联网技术来构建智能电网的远程监控系统是课题的研究重点。

3监控系统总体设计方案

智能电力监控系统是由智能测控装置、网络设备及计算机设备等互联布局而成。主要功能是对电力系统中的高压开关柜、低压开关柜、应急发电机组、电力变压器和EPS/UPS/ATS等的工作状态进行监控。通过实时记录单相/三相电压、单相/三相电流、功率、功率因数、电度、频率和电流开关状态等各项参数而实现监测，当参数值超出允许范围时便产生预警、报警，并对相关设备进行控制。底层传感网由ZigBee网络构成，终端结点都采用智能终端。如图2所示，每个终端结点都具备无线电收发器、微控制器、数模转换等结构，因此每一个结点都具有一定的数据处理和运算的能力。

图2ZigBee结点结构

ZigBee射频芯片采用德州仪器（TI）所生产的CC2530-F256，片上集成高性能低功耗8051内核、128-bitADC、2个USART以及功能强大的DMA功能，支持Zig-Bee2207/Pro协议栈。较CC2430相比，CC2530在发射功率、链路预算、射频噪声抑制能力、低功耗以及ESD防护能力等方便都有较大的提升[2]。因此，本设计中采用CC2530作为Zig-Bee解决方案。整个ZigBee网络采用网状结构，包括一个ZigBee协调点和多个ZigBee终端终点。协调点采用全功能设备FFD，负责建立和维护整个网络。其他结点一般选择简化功能设备RFD，同时在关键设备上放置FFD，以便保证数据的处理能力。整个网络采用多跳自组织形式，具有完善的自恢复能力。为增强整个网络的数据处理能力，底层的数据采集部分在将数据传送至通信层之前设置数据融合中心，底层的数据将集中传送到该中心。该中心由现场PC机担当，具有一定的数据实时处理能力和控制功能，可以对现场的故障状况作出及时的反应。

3.1监控系统的通信层由GSM/GPRS通讯网络来构建

GSM是全球移动通信系统，是世界上最先推出的数字蜂窝通信系统，具有频谱效率高、容量大、话音质量高、安全性强、可以实现智能业务和国际漫游的功能。我国从1993年开始正式开放GSM业务，经过多年的发展，GSM已经成为目前国内最成熟和市场占用量最大的一种数字蜂窝通信系统。但是GSM是基于电路交换方式的9.6kb/s的数据业务，这个速率对于监控系统的多媒体业务来说，速率太低而无法实现图像和视频的监控。因此，在GSM的基础之上采用通用分组无线业务GPRS是实现有效监控的一种方式。GPRS采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则及相同的TD-MA帧结构。因此GPRS既可以利用现有完善的GSM网络资源，又可具有比GSM更高的数据传输效率，可担当监控系统的数据传输系统。如果监控系统要采用视频监控的话，应当选择3G网络来完成数据的传输。

3.2智能电网的上层管理功能由中央监控中心来完成

中央监控中心内设置高性能服务器，选择SQLServer2005作为数据库管理系统，利用VC编制相应的监控应用软件。服务器与一部GSM通讯机相连，通过GSM无线网络对所辖台区的漏电保护器及其它智能电力设备进行管理。具体功能包括所有设备的运行参数查询、故障信息收集，对漏电保护设备的运行信息查询，对所有设备进行远程操作及信息的存储和传递。智能电网的上位机部分除完成基层电力设备的信息存储、查询外，还设有相应的专家决策系统，从而帮助系统有效协调电网的整体运行状况。专家决策系统由三部分组成，分别为数据支持层、网络分析层、指挥系统协调层。数据支持层主要完成实时收集电力系统数据和监控系统运行状态的作用，内设两个数据库，一个为运行状态数据库，另一个为故障数据库。运行状态数据库中的数据会在应用程序中与系统中的工作标准数据相比较，如果运行数据合乎运行标准，则进行保存，如果运行数据不合乎标准，则将数据传送至网络分析层。网络分析层设置模糊规则数据库，利用模糊算法结合故障数据库的数据对疑似故障数据进行安全性分析，并所出相应的判断。第三层为指挥系统协调层，这一层根据网络分析层所分析的结果，决定系统的控制功能，以保证系统的安全运行。

结语

本文设计了基于物联网的智能电网监控系统，可以有效、方便地利用智能终端对电力系统的运营状态进行远程管理，节约了人力成本，大大提高了工作效率和经济效益。该系统采用ZigBee网络构建底层数据采集层，终端节点采用嵌入式智能终端系统，可以实现数据的及时采集与传输。通信层由GRPS网络来担当，由VC+SQLServer2005来组成远程监控应用体系。该系统的使用可以将目前的电网管理提升一个新的台阶，有助于对电网用电状况作出准确的分析和决策，对实现电网的智能管理具有重要的意义。

参考文献：

[1]王利霞基于物联网的智能电网监控系统的研究和分析[J]电源技术，2014，38（3）：540-541，559.

[2]黄春慧，杨勇基于物联网技术的智能电网监控系统[J]物流工程与管理，2014，36（5）：193-194.

作者简介：

张涤秋，1982年出生，辽宁省铁岭市人，高级工程师，硕士研究生。从事电网信息化建设与管理工作。