基于无线传输的关口表数据动态提取与分析系统研究

安 超， 常 源， 史名册

（国网辽宁省电力有限公司计量中心， 辽宁 沈阳 110168）

0 引言

关口表是安装运行在发电企业上网、 跨区联络线及省内下网等关口电能计量装置中的电能表， 用于记录整个变压器供电区域的总电量， 在整个电网的电能计量中起着重要作用，其记录数值的可靠性、精确度是整个电力系统的重要保障。

传统电网中主要采用人工定时去采集关口表参数，但是由于关口表的分布十分广泛， 且不同的变压器的现场检查周期存在差异性， 通过人工定时检查的方法不仅工作量大容易造成电能数据记录错误和漏记录， 而且数据采集效率低。 因此，随着智能电网技术的不断发展，针对如何实现大范围多节点关口表电量的集中数据统计和数据分析，提高关口表电量的数据精度和获取效率，更需研究开发一种基于无线传输的关口表数据提取与分析系统，致力于解决电力系统此类问题。

1 总体结构

基于无线传输的关口表数据提取与分析等级系统总体结构如图1 所示，系统采用分立式递进结构，由数据采集层、数据分析处理层、数据传输层三层构成。 数据采集层主要用于提取各变电站子关口表的电量数据信息；数据分析处理层由移动收发设备实现， 设备采集数据并进行分析、统计处理，以软件页面呈现出来；数据传输层包括底层无线传感器网络和顶层远程无线传输单元两层，无线传感器网络包括收发感应模块和网络设备节点，通过无线传感器网络接收到的信息进行分析和处理，发送到各区域数据库，远程无线传输单元将采集并分析处理过后的区域总关口表数据打包经过通讯协议上传至总控制中心。

图1 数据提取与分析系统总体结构Fig.1 Overall structure of data extraction and analysis system

2 无线网络数据传输系统

ZigBee 是一项新型的无线通信技术， 可应用于小范围的基于无线通信的控制及自动化等领域， 可省去计算机设备等一系列数字设备相互间的有线电缆， 能够实现多种不同数字设备相互间的无线组网。 它数据传输速率低，功耗、成本低，通信可靠安全，且网络容量大，网络可容纳65000 个设备。 基于ZigBee 技术的无线通信采用碰撞避免机制，用设备发送控制命令后，接受方可以立即确认信息，如果没有收到回复的确认信息，就意味发生了碰撞，就会再次发出控制命令，直到接受方回复确认信息为止，使得系统的传输非常可靠，执行指令时，软件界面都有执行效果的确认和提示。

2.1 关口表数据采集

关口表的通信接口有两种：RS-485 串口和RS-232串口，以RS-485 接口较为常见。 当今的移动设备通信方式不能直接与关口表进行通信， ZigBee 传感器模块通过RS-485 与关口表连接，采集关口表数据；通过无线接口与其他模块通信构成ZigBee 网络，进行数据传输。

由于需要采集的各个关口表站点多，位置距离较远，而且移动设备收发设备需要长期运行， 所以系统基于ZigBee 无线通信方式进行自动采集。 ZigBee 的传输距离为50-300M， 移动设备在进入传输领域时以一定恒定速度运行，在进入收发领域入口处自动开启数据收发，在即将离开收发领域出口处自动关闭数据收发， 即可在整个途中不间断的完成自动数据收发， 数据收发过程如图2所示。 同时，Zigbee 提供数据完整性检查和健全功能，采用AES-128 加密算法， 传输过程中可灵活确定安全性。数据收发模块仅需两节普通5 号电池就可以持续供电6～24 个月，可不受区域供电影响，也可以大大降低建设成本。

图2 数据收发过程示意图Fig.2 Schematic diagram of data sending and receiving process

2.2 无线网络搭建

无线网络传输系统由近距离传感器网络和远程无线网络两部分组成。传感器网络结构一共分为四层，第一层是固定的传感器节点，负责感知数据并收集；第二层是移动的网络节点，负责接收、处理、分析第一层的数据，并将分析处理结果发送给第三层； 第三层是固定的传感器网络节点，负责收集第二层传来的分析数据，并将所有数据打包通过第四层GPRS 远程无线网络传输至总控制中心。 总网络结构由图3 所示。

图3 总网络结构图Fig.3 General network structure

GPRS 无线网络支持TCP/IP 协议，可以直接与Internet 互通，为了让总控制中心读懂传送数据，就需要制定终端自己的通信协议。 GPRS 通信协议包括上行和下行，上行为终端向GPRS 服务器进行数据传输；下行为GPRS服务器向终端传输数据。 数据格式如表1 所示。

帧头：表示数据帧起始符，固定为0XAA55。

命令：帧传输命令，有固定的命令列表。

命令参数：当命令为应答命令时，命令参数为所应答的命令。

数据长度：表示“数据”字段的长度，高位在前。

数据：具体传输数据。

检验码：前面所有字段数据的校验码，使用16 位校验和表示，高位在前。

表1 通信协议帧格式表Tab.1 Communication protocol frame format table

将GPRS 模块的串口连接总控制中心上位机串口，打开设置软件设置服务器IP 和通信端口，再设置网络协议为TCP 服务端，即可监听本地端口。 GPRS 模块主动向服务器发起链接， 就可以在连接对象看到模块发起的链接地址，识别区域。

每个区域采集终端具有唯一的IP 地址，总控制中心可根据地址区分不同的数据采集区域子站， 从而了解各区域所有子关口表的使用情况。

3 数据界面显示

可移动设备在采集和发送数据途中， 应实现采集、显示、数据存储、数据分析，数据发送等功能，适合在远距离环境下使用，并且支持一台移动设备或者一个用户操作多个关口表。 关口表电量数据分析与显示界面如图4 所示。

图4 关口表电量数据分析与显示界面Fig.4 Data analysis and display interface of electricity amount of gateway meter

4 结论

论文提出了一种基于无线传输的关口表数据提取与分析等级系统， 采用无线传感器网络和移动设备进行关口表数据收发、存储、分析。 利用远程无线传输将区域数据传输和汇总统计，实现全局共享。

移动设备采用基于Android 开发的应用软件， 将采集数据和分析结果可视化，可快速了解基层电力系统信息，及时做出反映和反馈。同时也简化采集步骤，大大提高抄表效率和精确度，为促进电力系统的集成化、智能化程度，实现数据的精确统计分析和传输提供了一种重要的技术手段。