基于無線傳輸的關口表數據動態提取與分析系統研究

安 超， 常 源， 史名冊

（國網遼寧省電力有限公司計量中心， 遼寧 沈陽 110168）

0 引言

關口表是安裝運行在發電企業上網、 跨區聯絡線及省內下網等關口電能計量裝置中的電能表， 用于記錄整個變壓器供電區域的總電量， 在整個電網的電能計量中起著重要作用，其記錄數值的可靠性、精確度是整個電力系統的重要保障。

傳統電網中主要采用人工定時去采集關口表參數，但是由于關口表的分布十分廣泛， 且不同的變壓器的現場檢查周期存在差異性， 通過人工定時檢查的方法不僅工作量大容易造成電能數據記錄錯誤和漏記錄， 而且數據采集效率低。 因此，隨著智能電網技術的不斷發展，針對如何實現大范圍多節點關口表電量的集中數據統計和數據分析，提高關口表電量的數據精度和獲取效率，更需研究開發一種基于無線傳輸的關口表數據提取與分析系統，致力于解決電力系統此類問題。

1 總體結構

基于無線傳輸的關口表數據提取與分析等級系統總體結構如圖1 所示，系統采用分立式遞進結構，由數據采集層、數據分析處理層、數據傳輸層三層構成。 數據采集層主要用于提取各變電站子關口表的電量數據信息；數據分析處理層由移動收發設備實現， 設備采集數據并進行分析、統計處理，以軟件頁面呈現出來；數據傳輸層包括底層無線傳感器網絡和頂層遠程無線傳輸單元兩層，無線傳感器網絡包括收發感應模塊和網絡設備節點，通過無線傳感器網絡接收到的信息進行分析和處理，發送到各區域數據庫，遠程無線傳輸單元將采集并分析處理過后的區域總關口表數據打包經過通訊協議上傳至總控制中心。

圖1 數據提取與分析系統總體結構Fig.1 Overall structure of data extraction and analysis system

2 無線網絡數據傳輸系統

ZigBee 是一項新型的無線通信技術， 可應用于小范圍的基于無線通信的控制及自動化等領域， 可省去計算機設備等一系列數字設備相互間的有線電纜， 能夠實現多種不同數字設備相互間的無線組網。 它數據傳輸速率低，功耗、成本低，通信可靠安全，且網絡容量大，網絡可容納65000 個設備。 基于ZigBee 技術的無線通信采用碰撞避免機制，用設備發送控制命令后，接受方可以立即確認信息，如果沒有收到回復的確認信息，就意味發生了碰撞，就會再次發出控制命令，直到接受方回復確認信息為止，使得系統的傳輸非?？煽?，執行指令時，軟件界面都有執行效果的確認和提示。

2.1 關口表數據采集

關口表的通信接口有兩種：RS-485 串口和RS-232串口，以RS-485 接口較為常見。 當今的移動設備通信方式不能直接與關口表進行通信， ZigBee 傳感器模塊通過RS-485 與關口表連接，采集關口表數據；通過無線接口與其他模塊通信構成ZigBee 網絡，進行數據傳輸。

由于需要采集的各個關口表站點多，位置距離較遠，而且移動設備收發設備需要長期運行， 所以系統基于ZigBee 無線通信方式進行自動采集。 ZigBee 的傳輸距離為50-300M， 移動設備在進入傳輸領域時以一定恒定速度運行，在進入收發領域入口處自動開啟數據收發，在即將離開收發領域出口處自動關閉數據收發， 即可在整個途中不間斷的完成自動數據收發， 數據收發過程如圖2所示。 同時，Zigbee 提供數據完整性檢查和健全功能，采用AES-128 加密算法， 傳輸過程中可靈活確定安全性。數據收發模塊僅需兩節普通5 號電池就可以持續供電6～24 個月，可不受區域供電影響，也可以大大降低建設成本。

圖2 數據收發過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of data sending and receiving process

2.2 無線網絡搭建

無線網絡傳輸系統由近距離傳感器網絡和遠程無線網絡兩部分組成。傳感器網絡結構一共分為四層，第一層是固定的傳感器節點，負責感知數據并收集；第二層是移動的網絡節點，負責接收、處理、分析第一層的數據，并將分析處理結果發送給第三層； 第三層是固定的傳感器網絡節點，負責收集第二層傳來的分析數據，并將所有數據打包通過第四層GPRS 遠程無線網絡傳輸至總控制中心。 總網絡結構由圖3 所示。

圖3 總網絡結構圖Fig.3 General network structure

GPRS 無線網絡支持TCP/IP 協議，可以直接與Internet 互通，為了讓總控制中心讀懂傳送數據，就需要制定終端自己的通信協議。 GPRS 通信協議包括上行和下行，上行為終端向GPRS 服務器進行數據傳輸；下行為GPRS服務器向終端傳輸數據。 數據格式如表1 所示。

幀頭：表示數據幀起始符，固定為0XAA55。

命令：幀傳輸命令，有固定的命令列表。

命令參數：當命令為應答命令時，命令參數為所應答的命令。

數據長度：表示“數據”字段的長度，高位在前。

數據：具體傳輸數據。

檢驗碼：前面所有字段數據的校驗碼，使用16 位校驗和表示，高位在前。

表1 通信協議幀格式表Tab.1 Communication protocol frame format table

將GPRS 模塊的串口連接總控制中心上位機串口，打開設置軟件設置服務器IP 和通信端口，再設置網絡協議為TCP 服務端，即可監聽本地端口。 GPRS 模塊主動向服務器發起鏈接， 就可以在連接對象看到模塊發起的鏈接地址，識別區域。

每個區域采集終端具有唯一的IP 地址，總控制中心可根據地址區分不同的數據采集區域子站， 從而了解各區域所有子關口表的使用情況。

3 數據界面顯示

可移動設備在采集和發送數據途中， 應實現采集、顯示、數據存儲、數據分析，數據發送等功能，適合在遠距離環境下使用，并且支持一臺移動設備或者一個用戶操作多個關口表。 關口表電量數據分析與顯示界面如圖4 所示。

圖4 關口表電量數據分析與顯示界面Fig.4 Data analysis and display interface of electricity amount of gateway meter

4 結論

論文提出了一種基于無線傳輸的關口表數據提取與分析等級系統， 采用無線傳感器網絡和移動設備進行關口表數據收發、存儲、分析。 利用遠程無線傳輸將區域數據傳輸和匯總統計，實現全局共享。

移動設備采用基于Android 開發的應用軟件， 將采集數據和分析結果可視化，可快速了解基層電力系統信息，及時做出反映和反饋。同時也簡化采集步驟，大大提高抄表效率和精確度，為促進電力系統的集成化、智能化程度，實現數據的精確統計分析和傳輸提供了一種重要的技術手段。