才茂通信基于 Zigbee 的電網調度自動化系統(tǒng)方案

一、前言

隨著科學技術的發(fā)展，實現(xiàn)電網調度的自動化已成為電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。電力系統(tǒng)的迅猛 發(fā)展需要完善、*和實用的電網調度自動化系統(tǒng)來保證。目前國調及網、省調3級調度系統(tǒng)均已 配備了電網調度自動化系統(tǒng)，并先于一次系統(tǒng)實現(xiàn)全國聯(lián)網?，F(xiàn)我國90%的電源和220kV 以上電網 的實時信息得到有效和準確的采集，調度自動化水平有明顯進步和提高，尤其是廠站基礎自動化 設備可靠性和管理水平大大提高，其提供的準確而有效的實時信息已成為調度員進行電網安全、 經濟調度的主要依據。

電網調度實現(xiàn)自動化的程度與供用電的質量和可靠性密切相關。為此，本文特對電網調度自 動化的必要性及其實現(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)測系統(tǒng)。

電網調度自動化系統(tǒng)是根據電網調度的實際需要，以大型地調系統(tǒng)的要求為設計出發(fā)點，充分考慮到中、小系統(tǒng)以及集控中心站系統(tǒng)的特殊性，整個系統(tǒng)以穩(wěn)定性、實用性、*性、易維 護性為主要設計目標，配置極其靈活，應用領域相當廣泛，可以很好地滿足不同用戶的需求。全 部程序均采取面向對象方法的設計，系統(tǒng)維護、擴展甚為方便。

在電網調度自動化系統(tǒng)的通信中，可以采用數(shù)傳電臺、GSM 短消息、光纖接入等方式。數(shù)傳電 臺的優(yōu)勢是除了每年的頻點費以外，平時運行無需額外費用；缺點是受地形、氣候的影響較大， 造成系統(tǒng)的可靠性、實時性較差，無法主動上報。GSM 短消息方式可以實現(xiàn)主動上報；缺點是按條 收費，運行費用高，而且在節(jié)假日短消息中心服務器繁忙時延時相當長。光纖通信穩(wěn)定可靠，但是施工成本投入大、擴展性差、設備維護方面不方便。而 GPRS+Zigbee 通信則避免了以上問題。 通用分組無線業(yè)務 GPRS 是在現(xiàn)有 GSM 系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新無線數(shù)據傳數(shù)業(yè)務，目的是給 移動用戶提供高速無線 IP 或 X.25服務。 GPRS 理論帶寬可達171.2Kbit/s，實際應用帶寬大約在40～100Kbit/s，在此信道上提供 TCP/IP 連接，可以用于 INTERNET 連接、數(shù)據傳輸?shù)葢?。GPRS采用分組交換技術，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個用戶共享， 資源被有效的利用。GPRS 允許用戶在端到端分組轉移模式下發(fā)送和接收數(shù)據，而不需要利用電路 交換模式的網絡資源。GPRS 永遠在線，按流量計費，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù) 據業(yè)務。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、點多分散、中小流量的數(shù)據傳輸，也適用于偶 爾的大數(shù)據量傳輸。

Zigbee 是基于 IEEE802.15.4 標準的低功耗個域網協(xié)議。根據這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距 離、低功耗的無線通信技術。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 構成了群體中的通信網絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據速率、低成本。 主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee 就是一種便宜的， 低功耗的近距離無線組網通訊技術。

二、系統(tǒng)概述

     電網調度系統(tǒng)的開發(fā)目標是建立一個安全可靠，能提供各種高級服務，并有為應用程序的執(zhí)行和實施提供較強功能的開放式平臺和運行在該平臺的多個相對獨立的應用子系統(tǒng)組成的系統(tǒng)，成為一個符合配電系統(tǒng)現(xiàn)代化管理要求的，分布式，開放式，模塊化，可擴充的配電變壓器綜合管理系統(tǒng)?；A平臺除提供基本的硬件技術和操作系統(tǒng)內核外，還提供諸如數(shù)據庫系統(tǒng)、信息傳遞、人機界面、實時環(huán)境應用程序等基礎服務。基于基礎平臺之上的各應用子系統(tǒng)包括：能量管理（EMS）、配電變壓器管理、線損管理、自動抄表、VQC 功能，諧波數(shù)據，購電量管理，數(shù)據查詢，自動報表，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)結構（OSA）基礎上實現(xiàn)有機的橫向和縱向集成，形成一個完整的配電變壓器綜合管理信息系統(tǒng)。

     Zigbee 電網調度自動化系統(tǒng)的網絡架構如下圖所示，系統(tǒng)分為三個部分，分別是監(jiān)控中心主站、Zigbee+GPRS 數(shù)據傳輸終端、監(jiān)控終端設備。主站主要實現(xiàn)人機交互工作；網絡代理服務器主要負責網絡數(shù)據鏈路建立和數(shù)據收發(fā)的透明中轉；Zigbee+GPRS 數(shù)據傳輸終端完成信息的上送與下發(fā)；監(jiān)控終端設備主要完成數(shù)字量與模擬量的采集。

本系統(tǒng)中心服務器通過 GPRS APN 專線接入企業(yè)路由器，進入 GPRS APN 內網，獲取固定 IP 地址。監(jiān)測點數(shù)據無需路由到 Internet 網絡，監(jiān)測點 DTU 也采用該 APN 內的 SIM 卡。采用這種方式 組成點對多點網絡具有安全性高的特點，且穩(wěn)定性高、適時性好。

Zigbee+GPRS 數(shù)據傳輸終端上電后，它會根據預先設定在其內部的 IP 地址主動訪問中心 GPRS DTU 服務器，和監(jiān)控中心建立 TCP/IP 鏈路。監(jiān)控中心主站本身維護接入的每個 Zigbee 終端的網絡ID 號和設備 ID 號，當主站要向某個監(jiān)控終端提出數(shù)據請求時，它會根據網絡 ID 號和設備 ID 號來 找到對應的終端，將命令下發(fā)到該終端，終端響應后通過 Zigbee 終端將數(shù)據經 Zigbee 協(xié)調器傳 輸?shù)?GPRS DTU，GPRS DTU 把數(shù)據發(fā)到網絡代理服務器端口，通過端口影射轉發(fā)到監(jiān)控中心主站， 即完成了一個應答式的通訊流程。

三、系統(tǒng)結構

系統(tǒng)分為三個部分，分別是監(jiān)控終端設備、Zigbee+GPRS 數(shù)據傳輸終端、監(jiān)控中心主站。

（1）監(jiān)控終端設備

該監(jiān)測系統(tǒng)采用的綜合系數(shù)檢測設備（RTU）是根據電力需求側管理技術要求設計、制造的一種高科技產品。它采用高精度數(shù)字采樣處理技術，集數(shù)據采集、顯示、存儲、通訊等多功能于一體，并可通過后臺軟件將儲存記錄的數(shù)據以圖表或報表的形式顯示、打印和分析。其科技*，功能強大、可靠性高，可廣泛應用于配電自動化系統(tǒng)的監(jiān)測。

（2）Zigbee 數(shù)據傳輸終端

廈門才茂工業(yè)級 Zigbee 按照惡劣環(huán)境要求設計，具有*的抗*力、低功耗、組網靈活， 性能可靠穩(wěn)定等優(yōu)點和特性。Zigbee 是一個將 RS232 串口設備的串口通信立即轉換為 Zigbee 無線網 絡通信的雙向轉換傳輸設備。才茂 Zigbee2007pro，根據用戶自己的實際需要進行選定。Zigbee 包括 三種類型：協(xié)調器(Coordinator)、 路由器(Router)、終端節(jié)點（End Device），這三類設備具備不同的網絡功能，協(xié)調器時網絡的中心節(jié)點，負責網絡的發(fā)起組織、網絡維護和管理功能；路由器負責數(shù)據的路由中繼轉發(fā)；終端節(jié)點只進行本節(jié)點數(shù)據的發(fā)送和接收。在一個 Zigbee 應用網絡中，必須有且只有一個協(xié)調器和多個路由器或者終端節(jié)點組成。

三、軟件功能

1.TCP/UDP 透明數(shù)據傳輸；支持多種工作模式。心跳包技術。

2.智能防掉線，支持在線檢測，在線維持，掉線自動重撥，確保設備永遠在線。

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)據網（APN/VPDN）

6.支持數(shù)據中心動態(tài)域名和 IP 地址訪問

7.支持 DNS 動態(tài)獲取，防止 DNS 服務器異常導致的設備當機。

8.支持雙數(shù)據中心備份

9.支持多數(shù)據中心同時接受數(shù)據

10.支持短信、語音、數(shù)據等喚醒方式以及超時斷開網絡連接。

11.支持短消息備份及告警。

12.多重軟硬件看門狗

13.數(shù)據包傳輸狀態(tài)報告。

14.標準的 AT 命令界面

15.可以用做普通撥號 MODEM

16.支持 telnet 功能。

17.支持遠程配置，遠程控制

18.通過串口軟件升級

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

（3） 監(jiān)控中心主站

主站系統(tǒng)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)據庫系統(tǒng)、電力系統(tǒng)模型、數(shù)據采集和傳輸。電力系統(tǒng)模型主要指電力系統(tǒng)設備對象化及網絡拓撲；數(shù)據庫系統(tǒng)分運行庫、基礎庫、標準庫和歷史庫四部分；數(shù)據采集和傳輸就是將各種數(shù)據從不同的終端根據各種通訊協(xié)議采集過來，但并不進行處理，再通過網絡分發(fā)給需要這些數(shù)據的系統(tǒng)。第三層為基礎應用層，將采集過來的數(shù)據經過各種處理，通過 GUI 界面顯示給用戶。

第四層為高級應用層，它所產生的數(shù)據主要是供電力系統(tǒng)進一步管理和決策用。

上位軟件主要完成以下功能：

（1）電網 EMS 調度系統(tǒng)，變壓器運行監(jiān)控，直屬電廠和變電站群異常情況監(jiān)控，數(shù)據的分析、處理和存盤，RTU 的參數(shù)設置及狀態(tài)顯示。既能獲得配電網運行的基本信息，又為功能擴充提供很好的基礎。

（2）自動抄表系統(tǒng)  根據設定的時間自動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  對于信譽比較差的用戶，通過系統(tǒng)對它進行先購電后供電，并在使用電量達到某些比例時進行警告。

（4）線損管理  主要是臺區(qū)線損管理和線路線損管理。

（5）配電設備管理  主要是配電線路和配電變壓器等設備的管理。

（6）終端錯誤智能識別  終端錯誤分為通訊恢復，通訊中斷（某一終端連續(xù)三次召測不到），終端無線錯誤（一天連續(xù)十次召測不到），無線中斷（連續(xù)有三十個終端召測不到）。

（7）負荷預測  通過計算主站和分站所有臺區(qū)的總有功功率總加值來初步預測下一階段的負荷情況。

（8）電容器投切  根據電壓和功率因數(shù)就地進行調節(jié)，調節(jié)時考慮時間因素和投切次數(shù)。在就地調節(jié)失靈的情況下能夠遠方監(jiān)視和遠方控制。如果終端無調節(jié)投切功能，系統(tǒng)能夠遠方計算后控制電容器投切。

（9）終端操作  可以遠方讀取或者設置終端的參數(shù)，如變壓器的整定參數(shù)等。可設置開關合閘，開關分閘?？勺x取或設置 VQC 參數(shù)。

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

（11）采集諧波數(shù)據  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換為電量的比較，通過設置比例系數(shù)，來進行警告，比如當有功功率產生而電量不動時，則產生警告。

四、結論

       實現(xiàn)我國電網調度自動化，是提高供電質量、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，應用在配電自動化中有很多優(yōu)點, 基于 Zigbee 通信的配電變壓器綜合管理系統(tǒng)是一個較有應用前景的實現(xiàn)方案。