便攜式配用電信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

摘 要：針對(duì)日益提升的配網(wǎng)自動(dòng)化需求。本文提出了一種實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)低壓配電線路運(yùn)行情況的便攜式配用電信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)由信息主站、集中器、采集器和PDA四個(gè)部分組成。其中，信息主站完成數(shù)據(jù)的分析及人機(jī)交互；集中器收集匯總數(shù)據(jù)采集裝置的信息，并反饋至信息主站；采集器實(shí)現(xiàn)配電線路運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集；PDA用于接收信息主站的信息推送，提供便捷的人機(jī)交互。本文給出了采集器的設(shè)計(jì)方案及三種采集器無(wú)線通訊單元的配置方案，并分析了四種通訊配置方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：低壓配電自動(dòng)化；信息監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）17-0058-02

引 言

隨著社會(huì)發(fā)展，社會(huì)對(duì)供電可靠性提出更高的需求，要求配電運(yùn)維人員及時(shí)了解轄區(qū)內(nèi)低壓配電設(shè)備的運(yùn)行狀況。但低壓配電設(shè)備數(shù)以萬(wàn)計(jì)，其數(shù)量遠(yuǎn)大于10kV配電設(shè)備，無(wú)法同10kV配電網(wǎng)一樣覆蓋采集終端，且多數(shù)低壓配電設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，僅需對(duì)部分重、超載設(shè)備，重要區(qū)域、設(shè)備在特定時(shí)期進(jìn)行短期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)即可。為此，本文提出一種便攜式配用電信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，提供可靠的、即插即用的配用電設(shè)備信息監(jiān)測(cè)功能。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

依據(jù)配電運(yùn)維人員對(duì)低壓配電設(shè)備運(yùn)行信息的監(jiān)測(cè)需求，采集低壓配電設(shè)備的負(fù)荷電流、運(yùn)行環(huán)境溫濕度、故障信息等，同時(shí)具備帶電安裝、拆除，輕便、即插即用等功能。設(shè)計(jì)便攜式配用電信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為滿足配電運(yùn)維人員掌握低壓配電設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行信息的需求，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各部分之間采用無(wú)線通信方式，信息主站與集中器之間因距離較遠(yuǎn)，選用4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，集中器與采集器之間因距離較近，通訊頻繁，采用短距離通訊方式；各集中器、采集器做到輕便、自組網(wǎng)、簡(jiǎn)易安裝；為保證配電運(yùn)維人員實(shí)時(shí)掌握低壓配電設(shè)備運(yùn)行信息，增加個(gè)人數(shù)字助理（Personal Digital Assistant，PDA），向運(yùn)維人員展示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，其數(shù)據(jù)由信息主站通過(guò)4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成及功能

圖1中的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由一個(gè)信息主站、集中器、采集器和PDA四個(gè)部分構(gòu)成。

信息主站作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心部分，提供采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算分析、界面展示等功能，并將數(shù)據(jù)信息通知至PDA。其主站軟件層可分為通信層、數(shù)據(jù)庫(kù)層和應(yīng)用層三層。應(yīng)用層采用面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)處理模塊、故障報(bào)警模塊等；數(shù)據(jù)庫(kù)層采用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)；通信層實(shí)現(xiàn)與集中器和PDA的數(shù)據(jù)通信。

集中器作為采集器與信息主站之間數(shù)據(jù)信息的傳輸橋梁，在通信上，采集器與信息主站之間是相互透明的。集中器與信息主站之間因其距離遠(yuǎn)、通訊數(shù)據(jù)量大、時(shí)效性高，適宜采用高速4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信；與采集器之間，因每個(gè)集中器需負(fù)責(zé)收集若干個(gè)采集器的數(shù)據(jù)，且相互之間距離較近，使用短距離無(wú)線通訊方式即可滿足其功能需求。集中器在收到采集器的數(shù)據(jù)信息后，定時(shí)打包上傳至信息主站，若收到采集器上送的異常信息，則立即上傳至信息主站。

采集器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集低壓配電設(shè)備的運(yùn)行信息，包括負(fù)荷電流信息、溫度、濕度等，定時(shí)上傳至集中器匯總；在檢測(cè)到數(shù)據(jù)信息異常時(shí)，則立即上傳異常信息。

PDA用于接收和展示來(lái)自信息主站的信息、通知。

3 采集器的設(shè)計(jì)

采集器用于采集低壓配電線路負(fù)荷、低壓配電設(shè)備運(yùn)行環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)信息，同時(shí)具備帶電裝卸、線路取電、遠(yuǎn)程通信等功能。采集器的功能示意圖如圖2所示。采集器包含核心單元、無(wú)線通訊單元、電源單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、電壓轉(zhuǎn)換單元、電流采集單元、溫度采集單元、濕度采集單元等。電流采集單元、溫度采集單元、濕度采集單元分別采集負(fù)荷電流、環(huán)境溫度、環(huán)境溫度，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換單元送至核心單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。核心單元將當(dāng)前值與歷史值進(jìn)行對(duì)比，若相差在小范圍內(nèi)，則拋棄歷史值，由當(dāng)前值取代歷史值，如此循環(huán)，并定時(shí)將當(dāng)前值通過(guò)無(wú)線通訊單元送至集中器；若當(dāng)前值與歷史值出現(xiàn)較大差異，則拋棄歷史值，由當(dāng)前值取代歷史值，同時(shí)立刻將當(dāng)前值通過(guò)無(wú)線通訊單元發(fā)送至集中器。同時(shí)為了保證采集器的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，電流采集單元還應(yīng)具備取電功能，從低壓配電線路獲取電能，經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換單元，為電源單元充電，保證其長(zhǎng)時(shí)間供電。

4 采集器無(wú)線通訊單元配置方案

4.1 選用ZigBee

ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)、低傳輸數(shù)率下的各種電子設(shè)備之間的無(wú)線通信技術(shù)，支持星狀結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)和簇狀結(jié)構(gòu)等三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞绞健１O(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的集中器與采集器之間，應(yīng)每隔集中器所管轄的采集器數(shù)量較少，距離較近，宜使用星狀網(wǎng)絡(luò)，以集中器作為中心節(jié)點(diǎn)，管理范圍內(nèi)的采集器。在集中器內(nèi)搭載一個(gè)ZigBee路由器，采集器內(nèi)搭載一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器。當(dāng)協(xié)調(diào)器啟動(dòng)后，在允許的通道內(nèi)搜索其他協(xié)調(diào)器，并基于所檢測(cè)到的通道能量及網(wǎng)絡(luò)號(hào)建立自己的網(wǎng)絡(luò)。一旦一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)被建立，ZigBee路由器與集中器、采集器就可以加入到網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)相互通信。

ZigBee具有高通信效率、低功耗、低成本以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn)。但也存在一定的問(wèn)題。因其采用2.4GHz頻段，該頻段穿透性差。ZigBee節(jié)點(diǎn)的實(shí)際視距傳輸距離一般在30m以內(nèi)，非視距情況下傳輸距離更短，在遇到鋼筋混凝土節(jié)湊時(shí)，穿透力更差。同時(shí)，2.4GHz頻段干擾源較多，大量的無(wú)線應(yīng)用，包括WLAN、藍(lán)牙等均占用了2.4GHz頻段，有相互干擾的現(xiàn)象。

4.2 選用藍(lán)牙

藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信（一般在10m以內(nèi)）的無(wú)線技術(shù)。利用藍(lán)牙技術(shù)，可有效簡(jiǎn)化采集器與集中器之間的通信，使數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效。藍(lán)牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，使用2.4GHz頻段，傳輸速率可達(dá)1Mbit/s，采用時(shí)分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。

同ZigBee一樣，藍(lán)牙使用2.4GHz頻段，存在2.4GHz頻段的穿透性差、干擾源多等的共性問(wèn)題。同時(shí)，藍(lán)牙本身的響應(yīng)速度較慢，從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)以及節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)需要3～10s。

4.3 選用433MHz射頻

無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合（電感或電磁耦合）或雷達(dá)反射的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。

本文使用市面上常見(jiàn)的RF433模塊實(shí)現(xiàn)短距離無(wú)線通信。3.3V的工作電壓，令其具有較低的功耗，433MHz的工作頻率，具有較強(qiáng)的穿透性和抗干擾能力，在開(kāi)闊地帶可達(dá)到1200m的通信距離。

4.4 三種配置方案對(duì)比

不同的無(wú)線通訊方式各有優(yōu)劣，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的情況下，可選用ZigBee通信，但需要考慮其應(yīng)用環(huán)境中的遮擋情況；對(duì)于數(shù)據(jù)安全及傳輸質(zhì)量要求較高的情況，可選用藍(lán)牙，與前者一樣，需要考慮其應(yīng)用環(huán)境中的遮擋情況及藍(lán)牙從睡眠切換至工作狀態(tài)的時(shí)延；在障礙物、遮擋、干擾較多的環(huán)境，更適合使用433MHz射頻實(shí)現(xiàn)通信。

5 結(jié) 語(yǔ)

便攜式配用電信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可用于保供電期間的重要設(shè)備監(jiān)測(cè)、日常運(yùn)維中故障高發(fā)設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測(cè)分析等。本文為該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)總體方案、采集器的設(shè)計(jì)方案，及三種無(wú)線通訊配置方案，以滿足系統(tǒng)應(yīng)用的需求。同時(shí)，該方案亦適用于其他設(shè)備的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有一定的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

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[2]余南華，陳云瑞.通信技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

收稿日期：2018-5-10

作者簡(jiǎn)介：李敏昱（1988-），男，工程師，碩士，主要從事配電自動(dòng)化工作。