ZigBee技术和GPRS在智能电网中的应用研究

李朋　陆俊

【摘 要】随着国家的经济发展，人均用电量的提升，人们对智能电网的呼声越来越高，为了能够获取电网的全景信息，实现控制监测。电网能够迅速的使故障隔离在故障存在时，避免了大区域的断电。在智能电网的高级计量体系、高级配电运行体系等领域中ZigBee技术通过合理的设计利用具有重大的作用。采用GPRS技术来替代原来的光纤传送，提高了灵活性。该系统经测试表明： 基于 ZigBee技术和GPRS的电网监测控制系统，有优良的可扩展性、稳定性、维护方便、能耗低，能够满足智能电网中输配电系统在线监测和控制的需求，应用前景良好。

【关键词】智能电网； ZigBee；GPRS；综合在线监测控制

0 引言

智能电网，也就是智能化的电网，是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标[1]。为满足信号传输所要求的网络稳定等要求，在智能电网中研究基于ZigBee技术和GPRS的综合在线监测控制系统，能够可靠地利用集中监测和管理方式从而获得电气设备运行状态和周边环境变化。因此，文章以ZigBee技术和GPRS为基础，设计了一套智能电网电气设备监测和控制系统。希望可以在智能电网输电配电环节发挥重要作用。

1 系统构架

ZigBee[2]是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。其信号采集监测网络是根据很多个小的节点组成。在实际应用中的各种网络拓扑是通过无线通讯的方式，基础就是这些节点。图1显示了在智能电网中ZigBee技术建立采集控制网络应用的拓扑图。针对智能电网输配电监测系统平台的实际需求，系统采用温度、拉力、气象传感器，由ZigBee技术的无线传感器网络、GPRS移动网络和Internet网络进行无线通信，来达到对导线的拉力参数，导线和电气设备的温度参数，以及实时的大气气象监测。整个平台主要由传感器采集节点、协调器网关和上位机监测中心组成。通过连接相对应的PIO芯片每一个节点都可以和外围电路相互通信。通过收集到的信息，在监控室的工作人员可以进行对相应的节点来操作，来做一些合闸以及开闸的指令。

2 系统硬件设计

终端节点主要由四部分组成，包括信息处理模块、传感器模块、无线通信模块和电源模块[3]。处理器模块采用 CC2530自带的 8051 内核完成数据的存储及终端节点的多任务处理工作，适合于片上系统的开发。该处理器能进行2.4GHz的射频的收发，具有抗干扰能力强，功耗低、灵敏度较高，并且电流损耗较低，适合开发低功耗系统。

传感器模块通过相应传感器对电气设备参数信息采集及数据处理，相应的传感器有拉力传感器，温度传感器等；

无线通信模块主要任务是与传感器模块的节点达到数据的接受和发送以及相应的指令进行交换；由于电气设备周围存在大量的电磁干扰，因此节点和处理器必须接地处理。

电源是通过蓄电池+太阳能的方式，当信息传输系统空闲时设备能够进入休眠，因此 能够节约一定的电能，当有监测数据进行传输时候供电系统立即唤醒，当相应的数据传递完成后，供电系统将又一次休眠。网络节点硬件框图如图 2所示。

汇聚节点硬件结构原理如图 3 所示。汇聚节点的组成含有无线通信模块、处理器模块、数据转换模块以及电源模块。汇聚节点首先由无线通信模块集合被TCP/IP协议直接封装的ZigBee 网络中上传的数据，接着由 UART接口把接收到数据压缩、处理之后传与GPRS无线模块，UART是简单的通信，在相应的模块信息传输中[4]。

3 系统软件设计

当电源开关打开后ZigBee无线通讯设备将进行初始化。然后搜寻并加入无线传感器网络，当接收到数据后进入工作模式，根据监控中心指令来选择读取命令，或者将传感器送来的数据向上层传输，发送到GPRS模块，送到监控中心，如图4所示。

本系统要实现的一个功能是将 ZigBee 电气设备传感器区域协调器网关汇聚的数据信息传送到外网（如：Internet网络），实现数据的共享和上位机的存储和显示。GPRS网络连接 W801G 模塊，其负责建立 GPRS 网络并发送数据到后台数据监控终端，通过 GPRS 网络进行网关与远程数据检测系统的数据透明传输和通信[5]。在GPPRS初始化登陆后，由ppp链路连接后，发出中断请求，当串口发送中断时GPRS发送数据帧，将监控中心数据发送到ZigBee节点中心，或者反向发送数据。当串口接收中断时GPRS模块接收来自监控中心或者来自ZigBee节点数据信号。GPRS 通信软件流程如图5。

4 结语

通过实际测试，得出此系统能够对高压电气设备相应传感器数据进行采集。在实验中与实际数据相比数据的发送和接收误差很小，完全可以达到通信所需的实时性和可靠性。

文章所述的智能电网中的电气设备的一种监测和控制系统。整个系统基于 ZigBee 和 GPRS 技术对设备的参数实现无线监测，与一些传统监控方式相比，优点有：拓展简单、安装容易而且成本比较低。对于有线传输模式下，所存在的占用空间和难以布线等困难，无线传输完全解决了。随着越来越多高级计量控制设备利用到无线通讯技术， 在未来智能电网运行中GPRS技术和ZigBee技术发重要的作用。

【参考文献】

[1]谷晓津.浅谈智能电能表在计量管理中的应用[J].科学之友，2011（5）：02-25.

[2]肖文，黄虎成，孙茂一，罗凡，邱东利.ZigBee技术在智能电网系统中的应用研究[J].现代电子技术，2010（13）：79-81.

[3]刘成印，刘伟，何凯.ZigBee 技术和 GPRS 在输电线路在线监测中的应用[J].黑龙江科技学院学报，2012，22（4）：438-441.

[4]滕志军，李国强，何鑫，等.基于 ZigBee 的高压电气设备温度在线监测系统[J].电测与仪表，2014，51（1）：85-87.

[5]杜军.基于ZigBee和GPRS技术的温室环境监测系统[D].青海师范大学，2016.

[6]吴松，许丹枫.基于GPRS和 ZigBee 技术的电缆接头温度无线监测的系统设计与实现[J].电气开关，2016（2）：31-34.

[责任编辑：朱丽娜]endprint