基于无线传感网电能质量监控系统的研究设计

司亚超，吕国，于江利

(河北建筑工程学院，河北张家口 075000)

基于无线传感网电能质量监控系统的研究设计

司亚超，吕国，于江利

(河北建筑工程学院，河北张家口 075000)

针对电能质量监测系统的现场数据采集及远程协调控制问题，构建出基于无线传感网+GPRS的远程电能质量监测系统。该系统符合现阶段电网分布的结构特点和电力市场的发展趋势，能够满足目前电网电能质量监控系统的基本要求，是一个功能齐全、高性价比的电能质量监测系统，具有良好的应有前景和市场价值。介绍了该系统的整体设计，关键技术及相关的实现过程。

电能质量监测；分布式电网；无线传感网；GPRS

随着电力电子技术的发展，各种电力整流设备、大容量调速电机、非线性用电设施、无功补偿等装置大量地涌入了电力系统，对电力系统和用电设备运行造成很大的危害。而与此同时，高科技设备的大量使用也促使生产过程对电能质量的要求不断提高。因此，针对以上问题，对电能质量进行实时监测、评估、控制已经成为电网调度管理部门必不可少的工作之一，也成为保证电网安全、可靠运行的必要条件。

所谓合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力接地系统适合该设备正常的工作。因此，在实际供电系统中，电能质量的危害主要体现在与用户密切相关的配电系统以及低压网络中，比如电压跌落问题引起的设备误跳闸、短时断电现象造成的计算机服务器数据丢失、谐波问题引起的用户设备不正常发热等内容。针对以上问题，大多数电能质量监测系统都需要具备以下几个功能[1]：能够实现对电力体系基本运行工况的观察、记录和动态分析，对各种电能质量指标进行有效实时的更新测量和数据采集；根据电能质量的相关指标，完成对基本运行工况的识别、分析和判断，具有事故诊断能力，为改善电能质量和治理电网污染提供可靠的数据依据；通过监控系统可以完整了解电网安全、稳定、优质的运行条件，对电能质量的各项指标进行综合评价。

1 实时电能质量监控系统整体架构分析

实时电能质量监控系统的功能核心是有效、及时地实现系统运行基本工况数据的采集、传输、汇总分析等环节。具体说，就是通过电能质量监控系统，将重要设备作为一个监测点，每一个监测点的运行数据通过数据采集设备进行收集，并通过网络形式将数据自动传输至现场管理中心，或者通过公网传送至远程监控中心。在现场管理中心或远程控制中心，设置相应后台数据库，将系统运行工况数据与数据库内的标准数据相比较，从而得出系统运行的状态，以便实现相关的调控。具体结构图如图1所示。

图1 电能质量监控整体结构图

由图1可知，整个系统分为三层结构。第一层为数据采集与现场控制层，主要采用无线传感网构建数据采集及局域通信网。这一层是整个监控系统的基础。第二层为远程通信层，由于第一层的监控功能主要集中在某一个监控区域内，无法实现较大范围电能质量的监控与调整。因此，在第一层的基础上，利用GPRS技术构建远程通信方式，以便满足大范围监控及现场无人值守的功能需求。第三层为远程控制中心层，这一层是整个电网的调度管理中心，数据采集与现场控制层通过远程通信层将所有监测点的电能质量数据汇集于监控中心的数据库中，进行统一的处理和分析，并且根据分析结果制定相应的控制措施，再通过通讯层将控制命令传送回现场控制系统，从而实现系统的调整和控制。

控制中心设有软件系统和数据库系统。数据库采用SQL Server2005完成数据的存储和管理。在数据库中存放的有历史数据、设备运行的工况数据和标准数据以及系统的参数。软件系统主要有节点设备的信息管理模块、节点设备维护管理模块、节点设备历史数据模块、数据查询模块、统计分析模块、远程控制模块、系统报警模块等。系统管理人员通过软件系统和数据库系统完成对节点设备的远程监控。

2 无线传感网电能质量监控系统通信层结构分析

理论上讲，无线传感网是物联网的一部分，是指通过各种传感器、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个有利于物品识别和定位的网络[2]。一个典型无线传感器网络系统主要包括：分布式传感器节点、接收发送设备、互联网和远程控制软件系统。在这其中，分布式传感器节点主要由节点设备监控传感器、数据处理单元和通信单元的微节点，通过自组织的方式组成。节点设备监控传感器采用各种电能质量所需的电压、电流、温度、湿度传感器组成。这些传感器的选型标准是要具有数字式输出、免调试、免标定、免外围的基本特征。数据处理单元的主要功能是对从传感器采集来的数据进行A/D模数转换，并进行数据的初步处理。本文选取TI公司出品的MSP430F149作为MCU，主要是因为该MCU具有超低功耗、数据处理速度快的基本特性。通信单元选用Chipcon公司生产的无线通信模块CC2430来完成，该芯片是一款符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发器件，可以实现多点对多点的快速组网，并通过SPI接口与处理器进行数据交换，从而完成快速地接收来自于中央监控系统的控制命令并将这些命令发送至各节点设备。同时，CC2430还使用了SFD、FIFO、FIFOP和CCA四个引脚来表示收发数据的状态，便于及时掌握设备的数据传输效能，从而确保通信的有效性和可靠性。

电能质量监控系统主要由两大部分组成：一部分是现场监控部分；另一部分是远程监控部分。而无线传感网可以很好地实现这两项功能。

无线传感网具有布点简单、维护方便的具体特性。同时由于不需要布置有线网络，所以适用于布线困难、人员不易到达或经常需要变更监控点的场合，因此非常适合于构造电能质量监控的现场控制部分。无线传感网需要两种通信技术来支撑：一种是短距离的无线传感网内部的数据通信，另一种是远程数据的传输。本设计中短距离的数据通信主要完成无线传感网各节点设备运行状态数据的传输，利用的是ZigBee技术。ZigBee网络形成无需人工干预，设备节点可以通过信息交互来探知其它设备节点的存在，以确定各节点之间的相互关系；同时ZigBee网络还具有完善的自愈功能，使得在电气设备增加、删除或更改了位置之后，系统能够自动修复网络，不需人工干预，从而保证了系统的灵活性、有效性和可靠性。具体ZigBee网络节点结构图如图2所示。

图2 节点结构图

远程数据传输可以利用两种方式来完成：在Internet网络健全的地方，利用现用的Internet网络来完成；在GPRS技术发达的地方，可以利用GPRS技术来构建无线网络来完成数据的传输。对于这两种方式，Internet网络的可靠性高，但结构不够灵活；而无线网络灵活但可靠性稍差，因此需要结合使用。

3 总结

本文介绍了基于无线传感网的电能质量监测系统的设计过程。该系统通过无线传感网对电能质量的监测点进行实时数据采集，并通过无线或有线网络将数据自动传送至电能质量管理中心。管理中心设置相应的后台数据库，用来对监测数据的存储。管理人员通过远程控制中心的应用程序接口调用访问数据库，从而了解设备运行状态，并对所需要分析的对象进行各种统计分析，以便为协调控制提供决策依据。远程控制中心的应用程序设置实时报警系统，当设备运行数据与数据库内的标准数据运行不一致时，系统将通过声光等形式进行报警提示。

本系统的设计，实现了电能质量的自动实时监控，同时也改善了以往有线网不够灵活、维护困难的缺陷，有助于构建层次分明、拓展性强、决策支撑完备的电能质量监测系统，具有一定的推广价值。

[1]王文亮，申健．智能建筑供配电监控系统的设计与实现[J]．电源技术，2010(7)：7-9.

[2]胡雯．基于无线传感器网络的智能建筑温湿度监控系统研究[J]．智能建筑与城市信息，2009(9)：98-99.

Research and design of quality control system based on wireless sensor network

SI Ya-chao,LV Guo,YU Jiang-li

Power quality monitoring system for field data acquisition and remote coordinating control problems were considered,and then remote power quality monitoring system based on the wireless sensor network+GPRS was constructed.The system was in line with current structural characteristics of the distribution grid and electricity market trends,and the basic requirements of power quality monitoring system could be meted.Full-featured,high cost were the basic requests of power quality monitoring system.And the system obtained good application prospect and market value.The overall design of the system,key technology and related implementation process were described.

power quality monitoring;distributed network;wireless sensor network;GPRS

TM 63

A

1002-087 X(2014)02-0373-02

2013-09-18

司亚超(1980—)，男，河北省人，讲师，硕士，主要研究方向为嵌入式系统、无线传感网等物联网技术。