基于 Zigbee 的電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)方案

一、前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度的自動(dòng)化已成為電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。電力系統(tǒng)的迅猛 發(fā)展需要完善、*和實(shí)用的電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)來保證。目前國調(diào)及網(wǎng)、省調(diào)3級(jí)調(diào)度系統(tǒng)均已 配備了電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，并先于一次系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng)?，F(xiàn)我國90%的電源和220kV 以上電網(wǎng) 的實(shí)時(shí)信息得到有效和準(zhǔn)確的采集，調(diào)度自動(dòng)化水平有明顯進(jìn)步和提高，尤其是廠站基礎(chǔ)自動(dòng)化 設(shè)備可靠性和管理水平大大提高，其提供的準(zhǔn)確而有效的實(shí)時(shí)信息已成為調(diào)度員進(jìn)行電網(wǎng)安全、 經(jīng)濟(jì)調(diào)度的主要依據(jù)。

電網(wǎng)調(diào)度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的程度與供用電的質(zhì)量和可靠性密切相關(guān)。為此，本文特對(duì)電網(wǎng)調(diào)度自 動(dòng)化的必要性及其實(shí)現(xiàn)方案作簡單的討論。本文討論利用 Zigbee+GPRS 作為通信手段，建立配電 變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)是根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度的實(shí)際需要，以大型地調(diào)系統(tǒng)的要求為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，充分考慮到中、小系統(tǒng)以及集控中心站系統(tǒng)的特殊性，整個(gè)系統(tǒng)以穩(wěn)定性、實(shí)用性、*性、易維 護(hù)性為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，配置極其靈活，應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，可以很好地滿足不同用戶的需求。全 部程序均采取面向?qū)ο蠓椒ǖ脑O(shè)計(jì)，系統(tǒng)維護(hù)、擴(kuò)展甚為方便。

在電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的通信中，可以采用數(shù)傳電臺(tái)、GSM 短消息、光纖接入等方式。數(shù)傳電 臺(tái)的優(yōu)勢(shì)是除了每年的頻點(diǎn)費(fèi)以外，平時(shí)運(yùn)行無需額外費(fèi)用；缺點(diǎn)是受地形、氣候的影響較大， 造成系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性較差，無法主動(dòng)上報(bào)。GSM 短消息方式可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)上報(bào)；缺點(diǎn)是按條 收費(fèi)，運(yùn)行費(fèi)用高，而且在節(jié)假日短消息中心服務(wù)器繁忙時(shí)延時(shí)相當(dāng)長。光纖通信穩(wěn)定可靠，但是施工成本投入大、擴(kuò)展性差、設(shè)備維護(hù)方面不方便。而 GPRS+Zigbee 通信則避免了以上問題。 通用分組無線業(yè)務(wù) GPRS 是在現(xiàn)有 GSM 系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新無線數(shù)據(jù)傳數(shù)業(yè)務(wù)，目的是給 移動(dòng)用戶提供高速無線 IP 或 X.25服務(wù)。 GPRS 理論帶寬可達(dá)171.2Kbit/s，實(shí)際應(yīng)用帶寬大約在40～100Kbit/s，在此信道上提供 TCP/IP 連接，可以用于 INTERNET 連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用。GPRS采用分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶可同時(shí)占用多個(gè)無線信道，同一無線信道又可以由多個(gè)用戶共享， 資源被有效的利用。GPRS 允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路 交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源。GPRS 永遠(yuǎn)在線，按流量計(jì)費(fèi)，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù) 據(jù)業(yè)務(wù)。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、點(diǎn)多分散、中小流量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶 爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。

Zigbee 是基于 IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距 離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡"(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈"來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式 構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。 主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee 就是一種便宜的， 低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。

二、系統(tǒng)概述

     電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)是建立一個(gè)安全可靠，能提供各種高級(jí)服務(wù)，并有為應(yīng)用程序的執(zhí)行和實(shí)施提供較強(qiáng)功能的開放式平臺(tái)和運(yùn)行在該平臺(tái)的多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的應(yīng)用子系統(tǒng)組成的系統(tǒng)，成為一個(gè)符合配電系統(tǒng)現(xiàn)代化管理要求的，分布式，開放式，模塊化，可擴(kuò)充的配電變壓器綜合管理系統(tǒng)?；A(chǔ)平臺(tái)除提供基本的硬件技術(shù)和操作系統(tǒng)內(nèi)核外，還提供諸如數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、信息傳遞、人機(jī)界面、實(shí)時(shí)環(huán)境應(yīng)用程序等基礎(chǔ)服務(wù)?；诨A(chǔ)平臺(tái)之上的各應(yīng)用子系統(tǒng)包括：能量管理（EMS）、配電變壓器管理、線損管理、自動(dòng)抄表、VQC 功能，諧波數(shù)據(jù)，購電量管理，數(shù)據(jù)查詢，自動(dòng)報(bào)表，圖表和與其他系統(tǒng)的接口等。這些子系統(tǒng)之間在開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（OSA）基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)有機(jī)的橫向和縱向集成，形成一個(gè)完整的配電變壓器綜合管理信息系統(tǒng)。

     Zigbee 電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下圖所示，系統(tǒng)分為三個(gè)部分，分別是監(jiān)控中心主站、Zigbee+GPRS 數(shù)據(jù)傳輸終端、監(jiān)控終端設(shè)備。主站主要完成人機(jī)交互工作；網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路建立和數(shù)據(jù)收發(fā)的透明中轉(zhuǎn)；Zigbee+GPRS 數(shù)據(jù)傳輸終端完成信息的上送與下發(fā)；監(jiān)控終端設(shè)備主要完成數(shù)字量與模擬量的采集。

本系統(tǒng)中心服務(wù)器通過 GPRS APN 專線接入企業(yè)路由器，進(jìn)入 GPRS APN 內(nèi)網(wǎng)，獲取固定 IP 地址。監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)無需路由到 Internet 網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)點(diǎn) DTU 也采用該 APN 內(nèi)的 SIM 卡。采用這種方式 組成點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)具有安全性高的特點(diǎn)，且穩(wěn)定性高、適時(shí)性好。

Zigbee+GPRS 數(shù)據(jù)傳輸終端上電后，它會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定在其內(nèi)部的 IP 地址主動(dòng)訪問中心 GPRS DTU 服務(wù)器，和監(jiān)控中心建立 TCP/IP 鏈路。監(jiān)控中心主站本身維護(hù)接入的每個(gè) Zigbee 終端的網(wǎng)絡(luò)ID 號(hào)和設(shè)備 ID 號(hào)，當(dāng)主站要向某個(gè)監(jiān)控終端提出數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，它會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò) ID 號(hào)和設(shè)備 ID 號(hào)來 找到對(duì)應(yīng)的終端，將命令下發(fā)到該終端，終端響應(yīng)后通過 Zigbee 終端將數(shù)據(jù)經(jīng) Zigbee 協(xié)調(diào)器傳 輸?shù)?GPRS DTU，GPRS DTU 把數(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器端口，通過端口影射轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控中心主站， 即完成了一個(gè)應(yīng)答式的通訊流程。

三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為三個(gè)部分，分別是監(jiān)控終端設(shè)備、Zigbee+GPRS 數(shù)據(jù)傳輸終端、監(jiān)控中心主站。

（1）監(jiān)控終端設(shè)備

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的綜合系數(shù)檢測(cè)設(shè)備（RTU）是根據(jù)電力需求側(cè)管理技術(shù)要求設(shè)計(jì)、制造的一種高科技產(chǎn)品。它采用高精度數(shù)字采樣處理技術(shù)，集數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲(chǔ)、通訊等多功能于一體，并可通過后臺(tái)軟件將儲(chǔ)存記錄的數(shù)據(jù)以圖表或報(bào)表的形式顯示、打印和分析。其科技，功能強(qiáng)大、可靠性高，可廣泛應(yīng)用于配電自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。

（2）Zigbee 數(shù)據(jù)傳輸終端

廈門才茂工業(yè)級(jí) Zigbee 按照惡劣環(huán)境要求設(shè)計(jì)，具有的抗力、低功耗、組網(wǎng)靈活， 性能可靠穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)和特性。Zigbee 是一個(gè)將 RS232 串口設(shè)備的串口通信立即轉(zhuǎn)換為 Zigbee 無線網(wǎng) 絡(luò)通信的雙向轉(zhuǎn)換傳輸設(shè)備。才茂 Zigbee2007pro，根據(jù)用戶自己的實(shí)際需要進(jìn)行選定。Zigbee 包括 三種類型：協(xié)調(diào)器(Coordinator)、 路由器(Router)、終端節(jié)點(diǎn)（End Device），這三類設(shè)備具備不同的網(wǎng)絡(luò)功能，協(xié)調(diào)器時(shí)網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起組織、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和管理功能；路由器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由中繼轉(zhuǎn)發(fā)；終端節(jié)點(diǎn)只進(jìn)行本節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。在一個(gè) Zigbee 應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中，必須有且只有一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)路由器或者終端節(jié)點(diǎn)組成。

三、軟件功能

1.TCP/UDP 透明數(shù)據(jù)傳輸；支持多種工作模式。心跳包技術(shù)。

2.智能防掉線，支持在線檢測(cè)，在線維持，掉線自動(dòng)重?fù)?，確保設(shè)備永遠(yuǎn)在線。

3.支持 RSA，RC4 加密算法

4.支持虛擬值守 VWM（Virtual Man Watch）功能，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠

5.支持虛擬數(shù)據(jù)專用網(wǎng)（APN/VPDN）

6.支持?jǐn)?shù)據(jù)中心動(dòng)態(tài)域名和 IP 地址訪問

7.支持 DNS 動(dòng)態(tài)獲取，防止 DNS 服務(wù)器異常導(dǎo)致的設(shè)備當(dāng)機(jī)。

8.支持雙數(shù)據(jù)中心備份

9.支持多數(shù)據(jù)中心同時(shí)接受數(shù)據(jù)

10.支持短信、語音、數(shù)據(jù)等喚醒方式以及超時(shí)斷開網(wǎng)絡(luò)連接。

11.支持短消息備份及告警。

12.多重軟硬件看門狗

13.數(shù)據(jù)包傳輸狀態(tài)報(bào)告。

14.標(biāo)準(zhǔn)的 AT 命令界面

15.可以用做普通撥號(hào) MODEM

16.支持 telnet 功能。

17.支持遠(yuǎn)程配置，遠(yuǎn)程控制

18.通過串口軟件升級(jí)

19.同時(shí)支持 LINUX、UNIX 和 WINDOWS 操作系統(tǒng)

（3） 監(jiān)控中心主站

主站系統(tǒng)最里面層為操作系統(tǒng)及系統(tǒng)軟件。第二層為系統(tǒng)支持軟件層，包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、電力系統(tǒng)模型、數(shù)據(jù)采集和傳輸。電力系統(tǒng)模型主要指電力系統(tǒng)設(shè)備對(duì)象化及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；?shù)據(jù)庫系統(tǒng)分運(yùn)行庫、基礎(chǔ)庫、標(biāo)準(zhǔn)庫和歷史庫四部分；數(shù)據(jù)采集和傳輸就是將各種數(shù)據(jù)從不同的終端根據(jù)各種通訊協(xié)議采集過來，但并不進(jìn)行處理，再通過網(wǎng)絡(luò)分發(fā)給需要這些數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。第三層為基礎(chǔ)應(yīng)用層，將采集過來的數(shù)據(jù)經(jīng)過各種處理，通過 GUI 界面顯示給用戶。

第四層為高級(jí)應(yīng)用層，它所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)主要是供電力系統(tǒng)進(jìn)一步管理和決策用。

上位軟件主要完成以下功能：

（1）電網(wǎng) EMS 調(diào)度系統(tǒng)，變壓器運(yùn)行監(jiān)控，直屬電廠和變電站群異常情況監(jiān)控，數(shù)據(jù)的分析、處理和存盤，RTU 的參數(shù)設(shè)置及狀態(tài)顯示。既能獲得配電網(wǎng)運(yùn)行的基本信息，又為功能擴(kuò)充提供很好的基礎(chǔ)。

（2）自動(dòng)抄表系統(tǒng)  根據(jù)設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)抄錄配電變壓器和用戶的電度數(shù)。并具有電表異常告警，跟蹤抄表記錄和操作記錄等輔助功能。

（3）用戶購電量管理  對(duì)于信譽(yù)比較差的用戶，通過系統(tǒng)對(duì)它進(jìn)行先購電后供電，并在使用電量達(dá)到某些比例時(shí)進(jìn)行警告。

（4）線損管理  主要是臺(tái)區(qū)線損管理和線路線損管理。

（5）配電設(shè)備管理  主要是配電線路和配電變壓器等設(shè)備的管理。

（6）終端錯(cuò)誤智能識(shí)別  終端錯(cuò)誤分為通訊恢復(fù)，通訊中斷（某一終端連續(xù)三次召測(cè)不到），終端無線錯(cuò)誤（一天連續(xù)十次召測(cè)不到），無線中斷（連續(xù)有三十個(gè)終端召測(cè)不到）。

（7）負(fù)荷預(yù)測(cè)  通過計(jì)算主站和分站所有臺(tái)區(qū)的總有功功率總加值來初步預(yù)測(cè)下一階段的負(fù)荷情況。

（8）電容器投切  根據(jù)電壓和功率因數(shù)就地進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時(shí)考慮時(shí)間因素和投切次數(shù)。在就地調(diào)節(jié)失靈的情況下能夠遠(yuǎn)方監(jiān)視和遠(yuǎn)方控制。如果終端無調(diào)節(jié)投切功能，系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)方計(jì)算后控制電容器投切。

（9）終端操作  可以遠(yuǎn)方讀取或者設(shè)置終端的參數(shù)，如變壓器的整定參數(shù)等?？稍O(shè)置開關(guān)合閘，開關(guān)分閘。可讀取或設(shè)置 VQC 參數(shù)。

（10）與營銷系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的接口  能方便地為營銷系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)源。

（11）采集諧波數(shù)據(jù)  通過系統(tǒng)能夠采集用戶的各次諧波含量。

（12）用戶竊電管理  增加用戶電量與功率轉(zhuǎn)換為電量的比較，通過設(shè)置比例系數(shù)，來進(jìn)行警告，比如當(dāng)有功功率產(chǎn)生而電量不動(dòng)時(shí)，則產(chǎn)生警告。

四、結(jié)論

       實(shí)現(xiàn)我國電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化，是提高供電質(zhì)量、用電可靠性和提高電力企業(yè)自身水平的需要,Zigbee 作為一種新的通訊手段，應(yīng)用在配電自動(dòng)化中有很多優(yōu)點(diǎn), 基于 Zigbee 通信的配電變壓器綜合管理系統(tǒng)是一個(gè)較有應(yīng)用前景的實(shí)現(xiàn)方案。