基于无线传感网的变配电监控系统

罗振成，张桂枝，陈桂强

（1.张家口职业技术学院电气工程系，河北 张家口 075000；2.河北北方学院信息科学与工程学院，河北 张家口 075000）

基于无线传感网的变配电监控系统

罗振成1，张桂枝1，陈桂强2

（1.张家口职业技术学院电气工程系，河北 张家口 075000；2.河北北方学院信息科学与工程学院，河北 张家口 075000）

变配电系统连接电力发电、输电系统与供电用户，是电力传输的其中一个环节。随着计算机在电力综合自动化领域的广泛应用，电力生产对监控系统的要求越来越高，使电力监控软件得到了迅速的发展。无线传感器网络是一种全新的信息获取技术，在传感与计量领域具有十分广阔的应用前景。介绍了基于无线传感网的变配电监控系统的实现方案。该方案包括基于射频收发芯片的传感器节点硬件设计、适用于中小规模自组网路由协议设计等内容。实验结果表明，该无线传感器网络运行稳定，自组织能力强，数据传输可靠，可以胜任本方案的数据传输工作。

变配电监测系统；自组织；无线传感器网络

变配电站是电力系统的一个重要组成部分。作为变换电压、汇集和分配电能的主要设施、电力网络的重要连接部分，变配电站的正常运行直接关系着电力系统运行的稳定性和安全性，因此对变电站进行监控具有十分重要的意义。

变配电站计算机监控技术是利用电力电子技术、通信技术、计算机及网络技术与电力设备相结合，对变配电系统的运行状况进行远程监测，并将运行过程的准确数据上传至中央监控中心，从而实现对变配电设备的有效远程控制，达到改善供电质量、提高服务水平、减少运行费用的目的。

目前，大多数变配电监控系统由三大部分组成：第一部分是带有通讯接口的采集控制模块，例如：多功能电力综合仪表、开关量采集模块、电流量采集模块、模拟量采集模块等，这一部分往往采用现场总线结构来完成数据的通信；第二部分为现场管理系统，这一部分完成现场数据的融合及远程控制指令的下达；第三部分是中央管理中心，用于整个变配电系统的实时状态显示、参数统计、数据分析、历史记录、故障报警、控制、报表打印等。

在以上的系统结构中，数据采集部分均采用基于总线结构的有线方式，其组网的灵活性差，维护困难，因此受到了极大的限制。而随着传感器技术、通信技术、嵌入式计算技术的飞速发展和日益成熟，具有感知、计算和通信能力的微型传感器开始出现，而基于微型传感器的无线传感网技术也逐渐受到业界的关注。

将无线传感网技术应用于变配电监控管理系统中，可以改善有线方式的诸多弊端。本文设计了基于CC2430型ZigBee芯片实现数据采集和无线自组网功能，并能通过GPRS无线模块实现Internet网的接入，最终实现变配电系统的全方位动态监测。

1 总体方案

基于无线传感网的配电监控系统总体框图如图1所示。整个配电监测系统由各监测节点数据采集系统、无线自组网、GPRS系统及互联网以及中央监控中心组成。

图1 监控系统总体结构

从图1可知，整个系统分为三个层次，分别为终端数据采集层、通信层、中央监控层。终端数据采集层由ZigBee结点组成，每个ZigBee结点内嵌不同的传感器，如电压、电流和功率等，用以采集实时数据。这些数据通过无线传感网送至汇结点的数据融合中心，实现数据的初步处理与存储；通信层由GPRS或CDMA模块组成，具体功能是将数据融合中心的数据通过这两个通信模块发送至电信无线电网，接入到Internet，最后把数据上传到中央监控层；中央监控层负责对变配电系统进行整体监控、对数据进行分析处理、故障诊断以及控制命令的下达。

2 无线传感网设计

无线传感器网络是无线Ad-Hoc网络研究的一个重要分支，是随着微机电系统、无线通信和数字电子技术的迅速发展而出现的一种新的信息获取和处理模式。它由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小结点通过自组织的方式构成网络，借助于结点中内置的形式多样的传感器测量周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分及移动物体的大小、速度和方向等众多人们感兴趣的物理现象，实现对所在环境的监测[1]。

监测系统的终端数据采集层的主要功能是负责采集变配电系统中的各种物理参量，具体有：电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功电能、无功电能、谐波等，这些信息由设备端采集至智能电力仪表，同时断路器、报警触头等关键设备直接连接至数字仪表中。

为了实现以上采集功能，无线传感网末端选用了短距离无线通信——ZigBee技术来完成，具体结构如图2所示。

ZigBee节点构成了终端数据采集系统，而收集来的数据则需要利用无线传感网进行传输。无线传感器网络中的各ZigBee终端结点以自组织形式构成网络，通过多跳中继方式将监测数据传到sink结点，最终借助长距离或临时建立的sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。在通信时，任何终端节点都可以承担数据转发功能，同时也可以快速检测到其他节点的存在和其他节点的能力集，自主地采取一系列自我配置、规划、优化、修复等功能，从而自适应网络的变化，动态地调整运行状况，使网络达到最佳。

无线传感网的终端节点受体积等因素的影响，传感器中的电源能量受限[2]。因此，无线传感网络的多变性是设计时所必须考虑的。一方面，要通过加大网络分布密度的方法来防止网络拓扑结构变化过快；另一方面，也需要充分利用多跳路由的功能来保证网络的连通性。

目前，针对无线传感器网络的路由协议和算法可分为无路由表型和基于路由表型。无路由表的路由协议基本结构简单，节点只存储相邻节点的信息，源节点和目的节点之间不通过路由表来建立路径，而是由源节点发出数据包一跳一跳地寻找目的节点；基于路由表的路由协议在数据传输之前，已通过路由表的路由协议建立了源节点到目的节点之间的路由。而基于路由表的路由协议又可分为主动型和响应型。主动型路由协议在网络开始时就建立路由并一直维护每个节点到数据接收节点的一致最新信息，准确性和实时性均优于其他的路由协议方式，因此，在本设计的无线传感器网络中，选用的路由协议为主动型路由协议。

图2 基于ZigBee的终端采集单元

3 通信层设计

本系统的通信层由两种可选模式构成，一种是GPRS模式，另一种是CDMA模式。GPRS是通用分组无线业务的简称，是一种基于分组交换传输数据的高效率方式，特别适用于间断性、突发性、频繁的少量的数据传输或偶尔大数据量传输的基本情况，所以在数据采集密度不大的场合，选用GPRS作为无线传感网与Internet网络的接口。

当数据的传输量大而且通信的质量要求高时，可以选用CDMA模式来实现与公网的通信。CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等多种技术结合而成，因此它具有抗干扰性好、抗多径衰落、保密安全性高和同频率可在多个小区内重复使用等优点，可以有效地保障大容量数据的传输性能。

4 结语

本文根据变配电站的工作特点，设计了基于无线传感网技术的远程监控系统。该系统采用基于CC2430型ZigBee芯片来构建数据采集底层系统，通过主动型路由协议来构建无线自组网。通信层采用GPRS/CDMA模块来完成，最终实现了变配电站运行状态的无线动态监测。此方案硬件电路连接简单、易于调试，各节点编程具有通用性，具有较高的实用推广价值。

[1]屈军锁.物联网通信技术[M].北京：中国铁道出版社，2011：30-35.

[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 substation and power distributionmonitoring system based onw irelesssensor network

LUO Zhen-cheng1,ZHANGGui-zhi1,CHEN Gui-qiang2

Substation and power distribution system connecting power generation and transm ission systems w ith power users is one part of the power transm ission.W ith the broad app lication of com puter in the power integrated automation domain,the request of power production formonitor control system is higher and higher,leading the powermonitor software developing rapidly.W ireless sensor network is a new kind ofacquiring information technology and has very broad application prospects in the field of sensing and metering.The im plementation scheme of substation and power distribution monitoring system based on w ireless sensor networks was introduced.The scheme consisted of sensor node hardware design based on RF transceiver chip,routing protocol design suitable for small and medium scale self-organization networks and so on.Experimental results show that the w ireless sensor networks stably work,and have strong self-organization capacity and credible data transm ission capacity,so can be capable of data transm ission work of this scheme.

substation and power distributionmonitoring system;self-organization;wireless sensor network

TM 769

A

1002-087 X(2014)05-0975-02

2013-12-25

罗振成（1974—），男，河北省人，硕士，讲师，主要研究方向为机电一体化、PLC控制。