基于ZigBee的電力輸配電線路能耗控制系統設計

竇書星

關鍵詞： ZigBee; 供電系統; 輸配電線路; 能耗控制; 傳感器監測; 自適應粒子群

中圖分類號： TN876?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）14?0055?04

Design of energy consumption control system based on ZigBee for

electric power transmission and distribution lines

DOU Shuxing

（School of Electric Power Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China）

Abstract： The electric power transmission and distribution line is an important part of State Grid. The energy consumption size of power transmission and distribution lines directly determines the operation situation of the overall power supply system. An energy consumption control system based on ZigBee is designed for electric power transmission and distribution lines， so as to realize energy saving and consumption reduction of electric power transmission and distribution lines. The ZigBee terminal node of the ZigBee wireless sensor network module transmits the real?time electric power transmission and distribution line data collected by sensor monitoring nodes to the energy consumption control unit module via the gateway. The energy consumption control method based on adaptive particle swarm is adopted for electric power transmission and distribution lines， so as to make all particles constantly approaching the global optimal values of energy saving control， realize optimal energy consumption control of electric power transmission and distribution lines， and feed the control result back to the cloud terminal control platform for analysis and control by the operational personnel. The experimental results show that the control system for controlling ten power transmission and distribution lines has an energy consumption reduction amplitude between 2.5% and 4.5%， and can still maintain a good energy consumption control effect and a high stability in rain and snow weathers.

Keywords： ZigBee; power supply system; electric power transmission and distribution line; energy consumption control; sensor monitoring; adaptive particle swarm

0 ?引 ?言

電是現代人類生活中無法或缺的能源，隨著科技發展與人類生活水平的提高，誕生了各種智能化設備，導致人們對用電需求越來越高。電力發展直接決定了國家進步[1]。隨著電力輸配技術的發展與電力供應日益緊張，人們漸漸重視電力系統中輸配電線路節能降耗問題，輸配電線路節能降耗控制對于國家電力的長期可持續發展與緩解我國能源危機具有重要意義[2]。

電力傳輸過程中，輸配電線路會產生相應的損耗，使供電運行成本增加，經濟效益降低[3]。為使電力輸配電線路傳輸過程損耗降到最低，提高供電效率，設計一種可靠的電力輸配電線路能耗控制系統具有重要意義[4]。ZigBee技術是近年來新興的一種低成本、小功耗且運行簡單的無線傳感器技術，本文設計基于ZigBee的電力輸配電線路能耗控制系統，通過該系統對電力輸配電線路能耗進行合理控制，使系統運行過程能耗降到最低，節省供電成本，保證電力系統高效運行[5]。

1 ?電力輸配電線路能耗控制系統設計

1.1 ?ZigBee無線傳感網絡模塊

ZigBee無線傳感網絡模塊框圖見圖1。該無線傳感模塊主要包括ZigBee協調器、ZigBee路由節點、ZigBee終端節點以及網關。ZigBee終端節點采集傳感器監測節點采集的電力輸配電線路實時數據，經過各ZigBee路由節點利用RS 232串口通過網關發送至能耗單元控制模塊中，進行電力輸電配電線路能耗優化控制[6?7]，獲取最優控制節點，確保線路能耗最低。

ZigBee路由節點為無線傳感網絡中輔助節點，輔助無線傳感網絡數據間交換與通信;ZigBee協調器是無線傳感網絡模塊的核心，利用協調器啟動無線傳感網絡，并識別各種網絡設備與接收，傳輸數據直至完成能耗控制[8]。從圖1可以看出，ZigBee無線傳感網絡數據傳輸具有雙向性，各節點可將數據傳送至網關，網關也可以根據所接收到的數據對各傳輸線路進行控制，減少能耗的損失[9]。ZigBee無線傳感網絡模塊間通過RS 232和以太網透明傳輸，達到數據的實時傳輸與控制。

1.2 ?能耗控制單元模塊

能耗控制單元模塊框圖見圖2。

能耗控制單元模塊主要包括通信模塊、GSM模塊、微控制器與顯示模塊。通信模塊將接收到ZigBee無線傳感網絡模塊發送的輸配電線路實時數據傳送至微控制器。微控制器采用基于自適應粒子群的輸配電線路能耗控制方法對輸配電線路的能耗進行控制，并傳送至通信模塊與GSM模塊進行通信，能耗控制相關數據通過顯示模塊展示[10]。

1.3 ?基于自適應粒子群的輸配電線路能耗控制

電力輸配電線路能耗控制時，采用全局搜索能力實現能耗控制過程的最優控制點檢索，控制點的慣性權重隨著粒子目標函數值不斷調整?？傮w過程為：在輸配電線路中需要控制的節點中，各控制目標值接近相同或達到局部最優時，該控制節點的慣性權重需相應增大;而控制節點目標分散時，采用進化代數方法優化慣性權重，獲取近似全局最優的控制節點。輸配電線路自適應權重公式為：

[ωmin-ωmax-ωmintmax，t≤tmax2ωmax， ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? t>tmax2] （1）

通常在輸配電線路能耗控制過程中，采用常數2作為調度學習因子，選取同步變化方法作為輸配電線路能耗控制中自適應學習因子，過程為：

[C1=C2=Cmax-Cmax-Cminttmax] （2）

兩個輸配電線路控制因子進行優化時，隨進化代數變化而變化，使種群中粒子全局搜索能力增強。因此在輸配電線路能耗控制中，采用自適應慣性權重方法與同步自適應學習方法，獲取新的輸配電線路能耗控制中粒子群的最佳位置公式如下：

[vi，jt+1=wadpvi，jt+Cadpr1pi，j-xi，jt+ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Cadpr2pg，j-xi，jt] （3）

式中：[vi，j]為粒子速度;[wadp]為自適應慣性權重;[xi，jt]為粒子此時位置;[pi，j]為粒子此時最優位置;[pg，j]為粒子全局最優位置。

融合式（2）和式（3）獲取電力輸配電線路能耗控制目標函數為：

[vi，jt+1=wadpvi，jt+Cadpr1pi，j-xi，jt+ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Cadpr2pg，j-xi，jt] （4）

[C1=C2=Cmax+Cmax-Cmintmaxt] （5）

基于自適應粒子群的電力輸配電線路能耗控制方法詳細流程為：

1） 在輸配電線路搜索空間形成隨機速度的粒子種群。

2） 依據目標函數與現有粒子，獲取目標函數值。

3） 獲取全局最優值。

4） 將慣性權重與學習因子依據進化代數而改變。

5） 將粒子速度與位置依據更新公式進行改變。

6） 依據更新粒子獲取目標函數值。

7） 依據全局最優值判斷目標函數大小。

8） 若目標函數值大于全局最優值，則無需進行變化;若目標函數值小于全局最優值，則全局最優值由目標函數值取代。

9） 若全局最優值不滿足最大進化代數，返回步驟4）;若全局最優值滿足最大進化代數，則進行下一步。

利用MAPSP算法執行以上步驟，進行輸配電線路能耗控制時需要使用Sphere Model 與Schwefels Problem中的測試函數，函數公式如下：

[f1=i=1Nx2i] （6）

[f2=i=1Nxi+i=1Nxi] （7）

[f3=i=1Nj=1ix2i] （8）

[f4=maxxi] （9）

將以上測試函數搜索范圍設置在[-100，100]，設搜索變量維度為4。運用貼近搜索的能力，在電力輸配電線路的搜索空間內生成大量隨機粒子，依據最優位置不斷更新輸配電線路中形成的大量粒子位置與速度。在更新過程中調整慣性權重與學習因子，使得全部粒子不斷逼近節能控制的全局最優值，實現電力輸配線路能耗最優控制。

2 ?實驗分析

為了驗證本文基于ZigBee的電力輸配電線路能耗控制系統控制能耗的有效性，選取某市10條10 kV輸配電線路進行實驗，該輸配電線路在某段時間中的基本參數見表1。

從表1數據可以看出，這10條輸配電線路損耗較大，缺乏有效的控制方法與技術，是造成線路損耗較大的主要原因。分別在以上10條線路中，加入本文系統、PWM系統與MPPT系統對輸配電線路進行控制。實驗在輸配電線路完全不停電的條件下進行，統計3種系統在輸配電線路穩定運行一段時間后的能耗情況，對比結果見表2。

從表2結果可以看出，采用本文系統控制的輸配電線路能耗明顯降低，10條輸配電線路能耗降低幅度在2.5%～4.5%之間。而PWM系統與MPPT系統降低幅度較小，PWM系統對10條輸配電線路能耗降低幅度在1%～2.5%之間;MPPT系統對10條輸配電線路能耗降低幅度在0.5%～3.2%之間。說明本文系統能耗控制效果較好，供電質量明顯提高。

供電系統容易受到環境因素影響，為檢測本文系統在不同環境下能耗控制情況，統計3種系統在雨雪天氣下，對實驗輸配電線路某段時間中的能耗控制結果，具體結果見表3。

通過表3與表2相比可以看出，本文系統抗雨雪干擾能力較強，在雨雪天氣下與在正常天氣下能耗控制差別在0.1%左右。而PWM系統與MPPT系統受天氣影響較大，兩種系統在雨雪天氣情況下幾乎沒有起到控制能耗作用，PWM系統與未加控制系統時線路能耗降低幅度在0.15%～1.5%之間;MPPT系統與未加控制系統時線路能耗降低幅度在0.2%～1.66%之間。因此可以說明本文系統具有較好的穩定性，在任何環境下都可以起到較好的能耗控制作用。為驗證本文系統在供配電線路中的穩定性，統計線路L1在10 h內的供電情況，對比分析三種系統控制的線路L1線路均方根電流波動情況，結果見圖3。

從圖3可以看出，本文系統控制輸配電線路L1線路的均方根電流變化平穩，未出現明顯波動，供電情況十分穩定;而PWM系統和MPPT系統控制的L1線路均方根電流波動幅度較大，不穩定。

3 ?結 ?論

為了緩解用電壓力，降低輸配電線路能耗，采用ZigBee技術，實現電力輸配電線路能耗控制系統能耗的實時、穩定控制。實驗結果表明，該系統控制10條輸配電線路能耗降低幅度達到2.5%～4.5%之間，通過該系統控制的輸配電線路不容易受到環境影響，在降低輸配電能耗的基礎上保證了輸配電線路運行的穩定性與安全可靠性。

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