竇書星

關鍵詞： ZigBee; 供電系統(tǒng); 輸配電線路; 能耗控制; 傳感器監(jiān)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(xiàn)代人類生活中無法或缺的能源，隨著科技發(fā)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(fā)展直接決定了國家進步[1]。隨著電力輸配技術的發(fā)展與電力供應日益緊張，人們漸漸重視電力系統(tǒng)中輸配電線路節(jié)能降耗問題，輸配電線路節(jié)能降耗控制對于國家電力的長期可持續(xù)發(fā)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(chǎn)生相應的損耗，使供電運行成本增加，經(jīng)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(tǒng)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(tǒng)，通過該系統(tǒng)對電力輸配電線路能耗進行合理控制，使系統(tǒng)運行過程能耗降到最低，節(jié)省供電成本，保證電力系統(tǒng)高效運行[5]。

1 ?電力輸配電線路能耗控制系統(tǒng)設計

1.1 ?ZigBee無線傳感網(wǎng)絡模塊

ZigBee無線傳感網(wǎng)絡模塊框圖見圖1。該無線傳感模塊主要包括ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由節(jié)點、ZigBee終端節(jié)點以及網(wǎng)關。ZigBee終端節(jié)點采集傳感器監(jiān)測節(jié)點采集的電力輸配電線路實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過各ZigBee路由節(jié)點利用RS 232串口通過網(wǎng)關發(fā)送至能耗單元控制模塊中，進行電力輸電配電線路能耗優(yōu)化控制[6?7]，獲取最優(yōu)控制節(jié)點，確保線路能耗最低。

ZigBee路由節(jié)點為無線傳感網(wǎng)絡中輔助節(jié)點，輔助無線傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)間交換與通信;ZigBee協(xié)調(diào)器是無線傳感網(wǎng)絡模塊的核心，利用協(xié)調(diào)器啟動無線傳感網(wǎng)絡，并識別各種網(wǎng)絡設備與接收，傳輸數(shù)據(jù)直至完成能耗控制[8]。從圖1可以看出，ZigBee無線傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸具有雙向性，各節(jié)點可將數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關，網(wǎng)關也可以根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)對各傳輸線路進行控制，減少能耗的損失[9]。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡模塊間通過RS 232和以太網(wǎng)透明傳輸，達到數(shù)據(jù)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(wǎng)絡模塊發(fā)送的輸配電線路實時數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)能耗控制過程的最優(yōu)控制點檢索，控制點的慣性權重隨著粒子目標函數(shù)值不斷調(diào)整?？傮w過程為：在輸配電線路中需要控制的節(jié)點中，各控制目標值接近相同或達到局部最優(yōu)時，該控制節(jié)點的慣性權重需相應增大;而控制節(jié)點目標分散時，采用進化代數(shù)方法優(yōu)化慣性權重，獲取近似全局最優(yōu)的控制節(jié)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(shù)2作為調(diào)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(yōu)化時，隨進化代數(shù)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(yōu)位置;[pg，j]為粒子全局最優(yōu)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(shù)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(jù)目標函數(shù)與現(xiàn)有粒子，獲取目標函數(shù)值。

3） 獲取全局最優(yōu)值。

4） 將慣性權重與學習因子依據(jù)進化代數(shù)而改變。

5） 將粒子速度與位置依據(jù)更新公式進行改變。

6） 依據(jù)更新粒子獲取目標函數(shù)值。

7） 依據(jù)全局最優(yōu)值判斷目標函數(shù)大小。

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

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

利用MAPSP算法執(zhí)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(shù)，函數(shù)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(shù)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(nèi)生成大量隨機粒子，依據(jù)最優(yōu)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(diào)整慣性權重與學習因子，使得全部粒子不斷逼近節(jié)能控制的全局最優(yōu)值，實現(xiàn)電力輸配線路能耗最優(yōu)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(tǒng)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(shù)見表1。

從表1數(shù)據(jù)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(tǒng)、PWM系統(tǒng)與MPPT系統(tǒng)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(tǒng)計3種系統(tǒng)在輸配電線路穩(wěn)定運行一段時間后的能耗情況，對比結(jié)果見表2。

從表2結(jié)果可以看出，采用本文系統(tǒng)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(tǒng)與MPPT系統(tǒng)降低幅度較小，PWM系統(tǒng)對10條輸配電線路能耗降低幅度在1%～2.5%之間;MPPT系統(tǒng)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(tǒng)能耗控制效果較好，供電質(zhì)量明顯提高。

供電系統(tǒng)容易受到環(huán)境因素影響，為檢測本文系統(tǒng)在不同環(huán)境下能耗控制情況，統(tǒng)計3種系統(tǒng)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(jié)果，具體結(jié)果見表3。

通過表3與表2相比可以看出，本文系統(tǒng)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(tǒng)與MPPT系統(tǒng)受天氣影響較大，兩種系統(tǒng)在雨雪天氣情況下幾乎沒有起到控制能耗作用，PWM系統(tǒng)與未加控制系統(tǒng)時線路能耗降低幅度在0.15%～1.5%之間;MPPT系統(tǒng)與未加控制系統(tǒng)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(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，在任何環(huán)境下都可以起到較好的能耗控制作用。為驗證本文系統(tǒng)在供配電線路中的穩(wěn)定性，統(tǒng)計線路L1在10 h內(nèi)的供電情況，對比分析三種系統(tǒng)控制的線路L1線路均方根電流波動情況，結(jié)果見圖3。

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

3 ?結(jié) ?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(xiàn)電力輸配電線路能耗控制系統(tǒng)能耗的實時、穩(wěn)定控制。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)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(tǒng)控制的輸配電線路不容易受到環(huán)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(wěn)定性與安全可靠性。

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