基于无线传感网变配电监控系统的研究与设计

代长明，杜春梅，王剑雄，冯英伟

（河北建筑工程学院，河北张家口075000）

电网的可靠运行是工农业建设的关键因素。而变配电作为供配电系统的重要一环，它的运行也至关重要。早期的变配电站是通过大量的人员巡检来了解和监控各个用户或线路的运行状况，这种方式对供电系统设备运行情况、各条线路的电压、电流和功率等情况，都不能做到及时、全面的掌握。操作人员只能根据掌握的情况，结合个人的操作经验，进行线路运行调整。一旦发生事故，因为故障点不一定只处在一点，所以操作起来需要比较长的时间，具有明显延迟的特征。显然，这种落后的状况直接影响了电网的安全运行。

电力电子和计算机技术的发展，为供配电系统的可靠运行提供了有力的技术支持。于是带有“四遥”功能的无人值班变电站应运而生。这种无人值守的变配电监控系统，将测量、监控、保护和通讯等功能综合在一起，构成了一个资源和信息共享的全微机化系统，对变配电站的运行实现了遥信、遥测、遥控和遥调，以真正实现监控的自动化和智能化，保证系统的安全、可靠运行。

变配电站自动化监控系统包括本地监控和远程监控两种方式。过去，本地监控都主要利用有线线路构建局域网的形式完成，而远程监控部分利用信息公用网完成。这种方式缺乏组网布线的灵活性，维护困难。因此，利用无线传感网和公共移动通信网来完成本地和远程监控，是一种真正实现无人值守，实现电网现代化管理的方法，并在运行、安全、设计、施工、检修、维护和管理等方面都能带来便利的良好措施。

1 无线传感网的构建及远程通讯的设计

微电子、计算机、无线通信技术的迅速发展，推动了低功耗传感器系统的发展。这种传感器系统能够在微小空间内实现信息采集、数据处理和无线通信等功能，以便对一定范围内的设备仪器进行有效地监控。

一个典型的传感器网络一般包括传感器节点、接收发送设备等组成环节，这些设备通过无线通信方式组成一个多跳自组织网络，对监测区域内的相关对象的运行状态进行感知、数据收集、信号传输等，以实现智能化识别、定位、监控和管理的一种新型网络，这种网络被称为“无线传感网”[1]。

对于每一个无线传感网而言，网络的节点设计是组成网络的基础环节。针对于每个不同的应用环节，传感器节点的设计也有所不同，但是其主要的功能都是负责设备信息及环境信息的采集和进行数据转换；在传感器节点中，处理控制中心是核心部件，它负责处理传感器节点采集的各项数据，同时协调无线传感网其他部分的功能；整个无线传感网的通信功能由通信处理单元来完成，负责无线传感网各节点之间控制和数据消息的传递。因此，从以上分析可知，一个完整的传感网结点由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元、嵌入式操作系统和馈电单元五部分组成，当然，由于应用场合的不同，还可能包含结点定位系统、运动系统和发电装置等，具体结点基本结构如图1所示。

图1 无线传感器网络结点基本结构

无线传感网相比于传统的网络，具有相应的特殊性，这些特殊性主要表现在以下几个方面[2]：1）每一个无线传感网结点的能量、计算能力、存储能量均有限，因此无线传感网比传统网络的设计结点密度大，数量多。由于结点数量多，导致了这些结点一般没有统一的标识；2）传统网络将与数据采集与数据处理相关的功能都放在网络的底端系统上，中间的通信层只负责数据分组的转发。而无线传感网中的每一个结点一般均具有数据转发和数据处理的双重功能。由于每一个无线传感网的结点的能量又有限，因此当一个结点出现了故障之后，需要马上由邻近的结点替代实现其相应的功能，这就对网络的健壮性提出了较高的要求。

针对以上的问题，无线传感器网体系结构宜采用多层次结点、3项管理相结合的方式来完成，具体结构如图2所示。

图2 无线传感网基本结构

从图中可知，传感器网络系统由传感器结点(sensor)、汇聚结点（sink)和管理结点组成。大量的传感器结点随机部署在数据采集区域的内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器结点所采集的数据沿着其他传感器结点逐跳地进行传输，经过多跳后路由到汇聚结点，最后通过通信网络到达远程管理中心。在远程管理中心，设置有应用层程序，用户通过管理结点对传感器网络进行配置和管理，发布远程控制命令，实现有效地监测。当传感器网络规模太大时，无线传感网采用三级结点的管理方式不利于数据及控制命令的远程实现，因此需要结合聚类分层的管理模式来实现。

无线传感网聚类分层管理模式的中心思想是借助无线传感器网络协议层次结构中的物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层，充分在各层上实现相应的能量管理、任务管理和移动管理，以便对各结点的功能进行有效地监控。

利用无线传感网所能构建的只是本地监控部分，而要实现系统的远程监控就必须利用远程公共网。由于3G技术的发展，使得基于3G技术的数据传输成为可能。

3G是第三代移动通信技术的简称，是一种支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。目前在我国存在三种3G通信标准，分别是中国移动的TD-SCDMA、中国联通的WCDMA和中国电信的CDMA2000。对于这三种无线网络的优劣，由于中国联通的WCDMA是网速最快、运行最稳定的3G网络，因此选择中国联通的WCDMA作为远程无线通信网。

2 变配电监控系统总体设计及实现

变配电监控系统的主要功能是利用计算机技术、网络通信技术和自动化技术对在线运行的变配电站的全部设备进行实时的监视、测量、保护、控制和管理的自动化系统。其应该实现的具体功能有：（1）采集供配电设备状态、报警信息、归档并生成相应的报警画面；（2）利用无线传感网及3G网将所采集的设备运行数据传送至本地上位机及远程中央监控中心，以保证变配电设备的电量（电压、电流等）能够在监控中心及时显示及归档，并生成相应的变化曲线；（3）通过本地或远程控制主变的分接开关以调整母线的电压，实现主变带电并联倒闸；（4）远程控制高压开关，实现各类用电设备的停送电功能。

具体结构如图3所示，各个设备利用无线传感网的数据采集部分进行数据采集，并通过传感网内的A/D转换器，将模拟数据转换为数字量，通过处理中心处理后，由无线传输模块将数据传至本地上位机，本地上位机可以显示数据参数、报警信息上传、控制命令执行等功能，是整个自动化系统中的核心部分。本地上位机收集处理过的信息通过3G网络上传给监控中心，监控中心进行数据显示、曲线变化图形的监控、数据的存储、报警信息、控制命令下达等功能。

图3 监控系统总体结构图

3 总结

随着全社会对电力资源需求的增多，以及对电能质量要求的提高，各种智能化的供配电监控系统成为电力系统运行保障的关键因素之一。本文利用以ZigBee无线传感网和3G公共移动通信网来构建本地和远程供配电监控系统，符合未来供配电系统方便、功能强大、易于编程的基本要求，因此是一种真正实现无人值守、电网的现代化管理有效措施，其在变电站自动化系统中的应用也将在一定程度上为无线传感网及3G网结合应用提供一个良好的范例。

[1] 朱文伟.无线传感网与GPRS通信网互连网关设计与实现[D].南京：南京邮电大学，2013:11-12.

[2] 杜欣.无线传感网在电力系统中关键技术的研究和应用[D].保定：华北电力大学，2012：15-17.