CN101951031B

CN101951031B - 一种基于宽带无线通信的配电网自动化系统及其实现方法

Info

Publication number: CN101951031B
Application number: CN2010102981615A
Authority: CN
Inventors: 周强; 曲振亮
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: CN101951031A

Abstract

本发明提出一种基于宽带无线通信的配电网自动化系统及其实现方法，该配电网自动化系统包括配变数据采集与监控装置、宽带无线通信网络和监控中心：配变数据采集与监控装置安装在变压器现场，采集并处理电力参数，通过宽带无线通信网络与监控中心进行数据传输，响应监控中心发出的控制命令。该实现方法通过无线通信网络建立配变数据采集与监控装置与监控中心的连接，设定数据传输所用的符合电力101的协议，通过配变数据采集与监控装置采集处理配变器当前的配变参数，并响应监控中心的控制命令。本发明采用模块化体系架构设计，具有向上、向下兼容性，能实现多种无线宽带模块通信业务，监控中心的规约设计基于电力101协议，兼容实现不同版本的协议。

Description

一种基于宽带无线通信的配电网自动化系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及对配电变压器的数据采集和监控，具体地说，是指一种基于宽带无线通信的配电网自动化系统及其实现方法，属于宽带无线通信和自动化控制领域。

背景技术

配电网络是以配电变压器为中心构成的供电网络，因此配变的运行数据是整个配电网基础数据的重要组成部分。随着我国配电自动化建设的广泛开展，配变数据采集与监控系统的建设成为配电自动化系统的重要组成部分之一，对配电自动化水平也提出了更高的要求，因此配变数据采集与监控系统的建设成为关注的焦点之一。目前电力系统配网自动化及配变监测的发展速度缓慢、发展空间狭窄，原因在于：馈线开关及配电变压器分布点多、位置杂乱，当出现大规模停电等事故时，使用传统方法需要耗费大量人力物力来判断断电原因和具体位置，给设备的检修和管理带来了极大的不便。要建立一个时效性强、可靠性高、投资省的通信网络困难很大，其已成为配网自动化及大用户用电管理系统进行大面积推广的最主要障碍。

一方面，由于配变具有设备数量多、运行环境恶劣、地理地形分布不平衡、比较分散等特点，光纤通讯、有线电缆、电力载波通讯组网无论在技术上，还是资金投入产出比上都不太可行，配变实时监控的通讯组网一直困扰着配变实时监控的推广、实施。中国联通CDMA以及中国移动GPRS等宽带无线业务的出现，为配电监控系统提供了新的解决途径。在电力监控系统中采用宽带无线网进行数据传输，可以大大的降低通信系统的一次性投资，而且减少了工程实施中调试通信系统的时间，降低了通信系统的维护费用。尤其对于面广、点稀的配网系统，如农网，这种通信方式具有很好的经济性。

另一方面，过去国内变电站自动化系统的传输规约使用较为混乱，无论是在站内不同厂家设备之间还是在和远方调度的连接中，由规约转换问题而引发的软件编程成为实际程序调试量最大的项目，必须加以统一。目前各个地方情况不一，现场大多数采用各形式COT、SCr801、u4F、DNP3.0等一些规约。1995年IEC为了在兼容的设备之间达到互换的目的，颁布了IEC6O870-5-101传输规约。我国在1998年，制订了电力行业标准DL/T634-1997基本远动任务的配套标准，目前，国内电力标准化组织已经将DL/T634-1997版改版成为DL/T634-1997.5-101/2002/IEC60870-5-101.2002，这次改版等同采用IEC60870-5-101配套标准，并于2002年12月1日起实施。

目前，市场上已经出现了一些利用移动通信的配网自动化产品，但是这些产品大多只是针对单个无线通信技术(GSM或GPRS或CDMA)以及单类配变器的监测来研究配电网自动化系统，不能支持不同种类无线宽带模块，没有针对不同厂家的配变器接口兼容问题进行探讨，同时也没有采用标准化的通信协议，这就造成了其适应性和兼容性不高，无法进行大规模普遍性的推广。

发明内容

本发明的目的是针对电力行业中配网自动化存在的适应性和兼容性不高的现实问题，采用嵌入式软硬件技术，提出了一种基于宽带无线通信的配电网自动化系统及其实现方法。

一种基于宽带无线通信的配电网自动化系统，包括配变数据采集与监控终端、宽带无线通信网络和监控中心三部分，所述的配变数据采集与监控终端从配变器采集数据进行处理，将得到的配变参数、实时时间参数和开关量状态参数通过宽带无线通信网络传送给监控中心，并在配变参数、实时时间参数和开关量状态参数数据异常时上传报警信息给监控中心，监控中心接收上传的配变参数、实时时间参数和开关量状态参数，在用户管理界面中实时显示，并存入数据库以供查询，针对报警信息及时下达控制命令，通过宽带无线通信网络传送给配变数据采集与监控终端，以控制配变器的运行。

所述监控中心与配变数据采集与监控终端之间采用的通信协议包括：远动通信规约、TCP/IP协议和宽带无线通信协议。

所述的配变数据采集与监控终端包含有配变控制器与数据终端设备DTU(DataTerminal unit，数据终端设备)模块，配变控制器通过航空插头与配变器连接，通过RS232接口与DTU模块连接，DTU模块根据相应的无线通信网络，选择相应类型的DTU，用于同宽带无线通信网络建立连接。

一种基于宽带无线通信的配电网自动化系统的实现方法，具体是：首先，为配变数据采集与监控终端选择当前所用宽带无线通信网络对应的DTU，并设定符合电力101协议的远动通信规约，通过宽带无线通信网络建立配变数据采集与监控终端和监控中心的连接；接着，通过配变数据采集与监控终端对配变器进行数据采集和监控：从配变器采集数据，处理后得到当前配变参数，包括三相电压、三相电流、三相有功功率、三相无功功率、有功电量、无功电量、功率因数以及频率，将得到的配变参数、实时时间参数和开关量状态参数通过宽带无线通信模块以报文形式发送至监控中心；在配变参数、实时时间参数和开关量状态参数数据异常时上传报警信息给监控中心；然后，监控中心发来的控制命令，主要包括读取配变参数信息进行数据查询，设置变压器定值，出现报警信息后对变压器实行复位、合分闸操作；最后，配变数据采集与监控终端通过宽带无线通信模块接收监控中心发来的控制命令，传送至MCU处理单元进行解析后发至开关控制模块，由开关控制模块控制配变器进行相应的操作。

本发明的优点与积极效果在于：

(1)本发明的配电网自动化系统采用模块化体系架构设计，具有向上、向下兼容性，能实现多种无线宽带模块(CDMA、GSM、GPRS，乃至3G)等通信业务；

(2)监控中心的规约设计基于电力101协议，兼容实现不同厂家不同版本的协议综合。接口可适应不同构型的配变器；

(3)本发明可利用移动运营商提供的宽带无线通信网永远在线、实时通讯、按流量计费、安全可靠、覆盖面广、高速传输等优点，通过实时采集配电变压器运行中的各种参数，为电力企业/用户提供准确、实时、全面的电量数据，及时发现配电设备运行中出现的异常情况，迅速报警，及时恢复供电正常，可以减少停电时间，从而合理控制电压水平，改善供电质量；

(4)本发明针对配变器具有分布分散、数量众多、所处地理环境复杂的特点，可结合分布式信息系统构建技术，建立分布式监测系统，以提高监测的效率；

(5)本发明可解决目前配电系统中大量分散配变器的监控维护工作难的问题，实现配电系统大客户外的自动化程度，便于减轻劳动强度，提高工作效率。

附图说明

图1a是本发明实施例配电网自动化系统的拓扑结构示意图；

图1是本发明的配电网自动化系统的整体模块结构示意图；

图2是配变数据采集与监控终端硬件结构示意图；

图3是配变数据采集与监控终端硬件的数据采集模块结构图；

图4是配变数据采集与监控终端程序所实现的功能示意图；

图5是本发明的配电网自动化系统中监控中心上的系统框架图；

图6是配变数据采集与监控终端工作流程图；

图7是监控中心工作流程图；

图8是本发明的配电网自动化系统的通信流程图；

图9是本发明的配电网自动化系统的通信协议遥控命令握手方式图；

图10是监控中心使用的远动通讯规约中的固定帧格式；

图11是监控中心使用的远动通讯规约中的可变帧格式；

图12是固定帧格式与可变帧格式中控制域的定义。

1-配变数据采集与监控终端；2-通信网络；3-监控中心；11-配变控制器；12-DTU模块；111-数据采集模块；112-MCU处理模块；113-外部扩展存储模块；114-开关控制模块；115-键盘/显示模块；4-配变器。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种基于宽带无线通信的配电网自动化系统，由配变数据采集与监控终端1、宽带无线通信网络2和监控中心3三大部分构成，如图1所示。其中，配变数据采集与监控终端1包含有配变控制器11与数据终端设备DTU模块12。

如图1所示，配变数据采集与监控终端1与配变器4连接，采集和监控配变站本体机构，将采集到的电气参数等数据通过宽带无线通信网络2传送给监控中心3，监控中心3接收上传的数据，并及时下达控制命令，通过宽带无线通信网络2传送给配变数据采集与监控终端1，以控制配变器4的运行。

如图1a所示，本发明实施例采用移动运营商提供的CDMA宽带无线通信业务，建立基于该宽带无线通信网络的配电网自动化系统，以实现对各级电力部门数据终端的采集与监测。图1a中，配变器4是本发明的配电网自动化系统采集和监控的对象，配变器4通过航空插头将相应的信号与配变控制器11连接。配变控制器11利用RS232接口与DTU模块12连接，配变控制器11和DTU模块12组成配变数据采集与监控终端1。DTU模块12利用宽带无线传输与移动运营商的基站CDMA接入点建立连接，再通过网关与Internet网络互连，监控中心3通过固定IP接入Internet网络。

配变控制器11是实现配电网自动化的关键设备，主要用于与配电变电所的出线开关、自动配电开关或分段器相配合实现故障点自动隔离、自动恢复等配电自动化功能。作为一种智能高压开关，配变控制器11具有开断和关合短路电流的能力，一般在户外变电站、架空线上安装，使用方便，维护工作量小，不需要操作电源；能自动监测线路运行状况，准确地判断瞬时性故障或永久性故障；可以累计短路故障次数和识别故障相类型，并与监控中心进行数据传输和交换，实施“四遥”操作：遥控、遥信、遥测和遥调。本发明的配变控制器11的通信功能由DTU模块12完成，配变控制器11上留有与DTU模块12的通信接口。

从硬件上来看，本发明的配变数据采集与监控终端1按照模块化思想进行设计，如图2所示，配变控制器11包括数据采集模块111、微控制单元MCU处理模块112、外部扩展存储模块113、开关控制模块114和键盘/显示模块115，DTU模块12为通信模块，完成宽带无线通信功能。数据采集模块111、MCU处理模块112、开关控制模块114、DTU模块12是配变数据采集与监控终端1的关键组成部分。现对各子模块功能说明如下：

(1)数据采集模块111，如图4所示，包括模拟信号采样401、模拟数字A/D转换器402、DSP数字信号处理器403和高速同步串行口(Serial Peripheral interface，SPI)通信接口404四部分。本发明实施例选择集成度、精度、稳定性高的电能计量专用芯片ATT7022A实现数据采集模块111的功能。数据采集模块111首先由模拟信号采样401完成对配变器4中的电流互感器CT、电压互感器PT的配变二次侧三相电流和三相电压的采样；然后通过模拟数字A/D转换器402完成对电流、电压模拟信号的A/D模数转换；再经过DSP数字信号处理器403对转换后的数字信号运算处理得出三相电压、三相电流、三相有功功率、三相无功功率、有功电量、无功电量、功率因数、频率等参数有效值以及实时时间参数、开关量状态参数通过串行外设SPI通信接口404送入MCU处理模块112。数字信号处理DSP技术近年来在迅速发展，目前已开发出集成了ADC+DSP功能和测量全部三相电能参数的能力的电能计量专用芯片，内部一体化的高速的算法处理，直接给出高精度的测量参数，而外部MCU无需进行任何复杂运算，选择电能计量专用芯片可以简化对数据采集模块的设计，同时保证模块功能的实现。

(2)MCU处理模块112，是配变数据采集与监控终端1的核心模块，与数据采集模块111通信，定时获取配变参数，通过DTU模块12与宽带无线通信网络2通信，接收控制命令、上传配变参数和报警信息；MCU处理模块112判断配变参数、时间参数和开关量状态是否正常，如果数据异常立刻上传报警信息，识别接收到的自监控中心3发来的控制命令的类型，并向开关控制模块114发送控制命令。

(3)外部扩展存储模块113，提供外扩的存储空间，虽然MCU处理模块112本身的存储器带有RAM、ROM和FLASH，但空间不能够满足终端系统设计的需要，因此在本发明中选用了两片空间64K的存储器K6R1016VIC作为外扩的RAM和ROM，完成对MCU处理模块112中嵌入式程序和数据的存储，数据包括由数据采集模块111送至MCU处理模块112的配变参数、由DTU模块12接收并传送至MCU处理模块112的监控中心3发来的控制命令。

(4)开关控制模块114，其接收来自MCU处理模块112的控制命令，并控制配变器4在暂时性故障下，自动开断、关合电路，使电网恢复运行；在永久性故障下，经过数次合分后自动闭锁在分闸状态。

(5)键盘/显示模块115，为了提高配变控制器与操作人员的人机交互功能，在终端中设计了键盘输入和液晶显示模块，键盘输入用于手动设定控制命令，并将命令传递给MCU处理模块112；液晶显示用于接收并显示MCU处理模块112发来的数据。

DTU模块12把MCU处理模块112送入的数据通过宽带无线通信网络2发送到监控中心3，并接收从监控中心3发来的控制命令信息，通过RS232接口传入MCU处理模块112。

如图2所示，DTU模块12相对于配变控制器11是独立的，本发明实施例选用CDMA型DTU完成通信功能，而配变控制器11本身支持多种无线宽带模块，如CDMA、GSM、GPRS，乃至3G，若要使用其他无线通信网络，直接更换相应类型的DTU即可，因此这种模块化体系架构设计具有向上、向下兼容性，便于大规模推广。

本发明的配变数据采集与监控终端1其上运行的终端程序采用嵌入式微处理机+内核系统+应用程序的体系，终端程序分为三个层次，最下面是嵌入式微处理机，属于硬件层，从下往上依次是内核系统和嵌入式程序，内核系统和嵌入式程序组成软件层。各层次功能说明如下：(1)硬件层：系统运行和实现相关功能所需的硬件，即嵌入式微处理机；(2)内核系统与驱动程序：内核系统是控制和管理微处理机内各种硬件和其上的软件资源，合理有效地组织系统的工作，驱动程序是一种可以使微处理机各设备的特殊程序，可以说相当于硬件的接口，内核系统只能通过这个接口，才能控制硬件设备的工作。(3)嵌入式程序：嵌入式程序是在内核系统的基础上，为实现系统所需的各种功能所编写的各种程序的集合。

本发明的配变数据采集与监控终端1的嵌入式程序的结构如图4所示，具体实现以下功能：(1)数据采集功能：实时采集并自动存储电流、电压、功率、频率、功率因数等相关数据。(2)异常上报功能：终端根据实时采集的数据实时上报电压、电流等详细数据。(3)时钟管理功能：时钟设定无须人为干涉，从而保证了数据时效性。(4)维护功能：接受监控中心3通过宽带无线通信网络2对参数的配置，规约维护和实时的监测等功能。(5)通信功能：主要负责和主站系统的通信，该通信方式采用宽带无线通信。

所述配变数据采集与监控终端1安装在变压器现场，配变数据采集与监控终端1的工作流程如图6所示，终端设备开机初始化后，实时采集配变二次侧的电气参数，经微处理器DSP运算处理形成三相电压、三相电流、三相有功(无功)功率、功率因数、频率、有功(无功)电量、实时时间和开关量状态等数据；进一步判断数据是否正常，若数据出现异常立即向监控中心3发送报警信息，若数据正常，判断监控中心3是否有通信要求，若监控中心3有通信要求则定时将电气参数等数据打包，经通信网络2传给监控中心3，若监控中心3没有通信要求，则不需发送数据；然后实时接收从监控中心3发来的控制命令，并按照控制命令进行相应的数据重发或改变开关量状态等操作，判断是否退出配变数据采集与监控终端1工作环境，若退出则结束工作，否则继续采集配变电气等参数。

本发明的通信网络2是监控中心3对现场配变实现远程数据采集与监控的基础，是监控中心3与现场配变之间的数据传输桥梁，通过通信网络2使现场配变的相关参数能够及时传送到监控中心3，使监控中心3发出的控制命令在远程监控装置得以及时响应。本发明的配电网自动化系统结合实际应用采用宽带无线通信网络与Internet网相结合，监控中心3在Internet网上收发数据。因此，本发明的配电网自动化系统的通信网络2是由宽带无线通信网络与Internet网组成。本发明的配变数据采集与监控终端1通过宽带无线通信无线拨号进入移动运营商的宽带无线通信网，在与Internet上固定IP的监控中心3建立面向连接的通信，就可以实现宽带无线通信的实时双向通信。

本发明实施例是某基层电力供电公司使用本发明的配电网自动化系统，该基层电力供电公司辖内的配变电设备与配变数据采集与监控终端1相连接，与监控中心3建立起一级监控网络。在监控中心3登记该公司所管辖的配变台区名称、配变所属变电站、配变所属线路、配变地理位置、配变型号等配变台区档案资料。监控中心服务器在公网上具有固定的IP地址，可以通过宽带无线通信网络2实现与配变数据采集与监控终端1之间的数据传输。监控中心3使用一台戴尔型号为Vostro的服务器来实现，实时接收从配变数据采集与监控终端1上传的配变的运行参数和报警信息，同时记入数据库供查询，并及时下达控制命令，并为用户提供一个可视化界面，实时地显示配变器情况、变压器运行参数、报警信息、模拟量和状态量的统计结果，并能以曲线图或表格等形式将配变的日负荷情况及上述统计结果表现出来，让监控人员足不出户就可以直观地了解远方配变的运行状况。用户可以通过相关授权对被监控的远端设备进行控制操作。监控中心3力求达到完善、科学、准确的对配变实时监控，为配电自动化管理提供可靠的运行数据和历史资料，有效降低线损，为负荷预测、线损分析、电力需求侧管理(DSM)提供准确的数据；准确打击窃电，负荷预测指导扩容安装等；为用电情况、用电性质及用电负荷的增长趋势分析，在进行系统增容、配变布点选择等规划工作提供科学的数据；同时提高工作效率，降低劳动成本，科学提高配电管理的自动化水平。

监控中心3的工作流程如图7所示，设备开机运行后进入用户登录界面，要求输入密码，验证正确后进入用户管理界面，监控中心3开始实时接收从配变采集与监控终端1上传的配变信息，包含配变的电气参数信息和故障报警信息，监控中心在用户管理界面中实时显示这些信息，并将配变的电气参数信息存入数据库以供查询，对于报警信息，监控中心3及时向配变数据采集与监控终端1发送控制命令以维护终端配变设施。

本发明的监控中心3的系统采用模块化、分层的设计思路以保证本身的健壮性和有效管理繁杂的测试流程。如图5所示，在服务器硬件层上运行着Windows XP操作系统层，操作系统层之上为中间层，包括通信程序TCP/IP协议、电力101规约和数据库程序、用户界面类库程序，通信程序主要功能为接收发送数据，一方面将从配变数据采集与监控终端1传送来的报文进行解析和变换处理，形成配电系统可用的各种参数值，另一方面将监控中心3实施的控制命令打包并发送出去；数据库程序利用MySQL数据库系统提供存储记录功能，最上层为应用软件层，包括界面、用户管理等，将各种参数值通过图形用户接口(GUI)界面显示给监控中心操作员，供配电系统进一步管理和决策。

监控中心3的监控管理系统主要包括应用程序单元、通信程序单元和数据库程序单元：

(1)应用程序单元主要包括用户界面以及用户管理两大模块，用户管理模块用来防止未授权用户非法进入系统，设置管理用户帐号、密码和操作权限等；用户界面提供GUI界面显示给监控中心操作员，能够给监控人员清晰明了的展示被监控终端上的配变运行情况，对异常情况能够有良好的提示，让监控人员能够迅速及时的作出相应处理。

(2)通信程序单元主要用于建立与DTU模块12的通信连接，接收和发送数据。通信程序单元一方面将配变数据采集与监控终端1通过DTU模块12传送来的报文进行解析和变换处理，形成配电系统可用的各种参数值，另一方面将监控中心实施的控制命令打包并发送出去。

(3)本发明监控中心3的数据库程序单元采用MySQL数据库系统存储配变参数及各种信息。MySQL是一个精巧的SQL数据库管理系统，虽然它不是开放源代码的产品，但在某些情况下可以自由使用。MySQL是一个真正的多用户、多线程SQL数据库服务器。SQL(结构化查询语言)是世界上最流行的和标准化的数据库语言。MySQL是以一个客户机/服务器结构的实现，它由一个服务器守护程序MySQL和很多不同的客户程序和库组成。

本发明的MySQL数据库系统可以存储用户信息、DTU信息和节点参数，数据库表具体信息如下：

用户信息table user_info，包括：用户索引user_index、用户名user_name和用户权限user_con；

DTU信息table dtu_alloc，包括：DTU索引dtu_index、DTU名称dtu_name和DTU设备号dtu_desc；

节点参数table dtu_param，包括：DTU索引dtu_index、电压值dtu_voltage、电流值dtu_current、有功功率dtu_active_power和无功功率dtu_reactive_pose。

在本发明的配电网自动化系统中，为了完成监控中心3与配变数据采集与监控终端1的无线通信，需要一个高效、合理的通信协议，以在电力通信网中，保证通信双方能正确、有效、可靠地进行数据传输，在通信的发送和接收过程中约束双方正确、协调进行工作。一个通信协议包括的内容主要有：代码(数据编码)、传输控制字符、传输报文格式、呼叫和应答格式、差错控制步骤、通信方式、同步方式及传输速度等。通信方式有单工、半双工、全双工通信方式三种。通信协议反映系统的主要功能，对整个系统至关重要。

如图8所示，本发明的配电网自动化系统中使用的协议主要包括符合电力101协议的远动通信规约，TCP/IP协议、宽带无线通信协议，本实施例宽带无线通信协议为CDMA协议。其中通信方案的基础层采用CDMA协议，配变数据采集与监控终端1和监控中心3的通信中间层采用TCP/IP协议，将联通CDMA无线网和Internet互联网连接；配变数据采集与监控终端1和监控中心3的通信应用层均使用电力101协议，通信应用层协议屏蔽了底层两种网络数据传输的差异，可以作为承载CDMA和TCP/IP等数据网络的传输平台。系统数据通信的传输过程如下：配变数据采集与监控终端1的配变控制器11采集配变电气参数，然后将参数打包成符合电力101协议的报文格式，再打包成TCP/IP协议包格式，经过DTU模块12将数据以CDMA协议格式发送至联通CDMA无线网中，经过协议转换后数据以TCP/IP协议包格式进入互联网，监控中心3接收后首先对TCP/IP包进行解析得到电力101协议包，再对该电力101协议包解析后最终得到配变的电气参数，进行决策后，监控中心3的控制命令也以上述相同的方式沿相反方向发送至配变数据采集与监控终端1，完成一个完整的数据传输过程。

在系统通信方案中，CDMA协议与TCP/IP协议集成于DTU模块12中，其中，CDMA协议是一种应用广泛的宽带无线通信协议，TCP/IP协议是一种成熟可靠、应用广泛的网络传输协议，故不另做介绍，而电力系统IEC60870-5-101规范有大量自定义内容，所以下面具体说明本发明中的远动通信规约。

IEC60870-5-101通信规约采用FT1.2异步式字节传输(Asynchronous ByteTransmission)的帧格式，包括可变帧和固定帧两种。可变帧用于数据传送，固定帧用于确认或询问等通信问答。IEC870-5-101规约有2种传输方式：平衡式和非平衡式传输。所谓的平衡式传输方式是在全双工通道的点对点的配置方式下，通信链路的两个方向监控中心3与配变数据采集与监控终端1均可以发起询问。而实际应用中，多采用非平衡式的传输方式，监控中心3采用顺序的查询(召唤)配变数据采集与监控终端1控制数据传输。在这种情况下监控中心3是请求站，它触发所有报文的传输，配变数据采集与监控终端1是从动站，只有当它们被查询(召唤)时才可能传输。

IEC60870-5-101采用的问答过程大致依照以下的顺序。

1、初始化过程

主站→子站，请求链路状态C_RQ_NA_1；子站→主站，回答链路状态M_RQ_NA_1；主站→子站，复位远方链路请求C_RL_NA_1；子站→主站，复位远方链路确认M_RL_NA_1。

2、对时过程

主站→子站，时间同步的发送帧C_CS_NA_1；子站→主站，时间同步的确认帧M_CS_NA_1。

3、总召唤过程

主站→子站，总召唤命令帧C_IC_NA_1；子站→主站，总召唤确认帧M_IC_NA_1；子站→主站，遥测帧M_ME_NA_1，或采用不带品质描述的遥测帧M_ME_ND_1；子站→主站，单点遥信帧M_SP_NA_1；子站→主站，双点遥信帧M_DP_NA_1；单双点遥信也可采用状态和状态变位的遥信帧M_PS_NA_1；子站→主站，总召唤结束帧M_IC_NA_1。

4、一般轮询过程

当没有任何变化数据时：主站→子站，召唤二级用户数据帧C_P2_NA1；子站→主站，无所请求数据确认帧M_NV_NA_1或回答单个字符E5H。当有遥信变化(一级用户数据)时，理论上应该先回答1个无所请求数据确认帧M_NV_NA_1，同时把其中控制域的要求访问位置为1，等待主站下一次询问以召唤一级数据帧而后以一级数据应答。但是考虑到提高效率，101规约允许RTU直接以一级数据回答召唤二级数据的询问，减少了一次问答的过程，其过程如下：主站→子站，召唤二级用户数据帧C_P2_NA_1；子站→主站，单点遥信变化响应帧M_SP_NA_1；或双点遥信变化响应帧M_DP_NA_1。当子站发生遥测变化(二级用户数据)时，报告变化遥测：主站→子站，召唤二级用户数据帧C_P2_NA_1；子站→主站，遥测数据变化响应帧M_ME_NA_1。当子站发生事件顺序记录SOE(二级用户数据)时，报告SOE：主站→子站，召唤二级用户数据帧CP2NA1；子站→主站，单点信息的事件顺序记录MSPTA1，或双点信息的事件顺序记录M_DP_TA_1。

5、遥控过程

主站→子站，遥控选择命令的发送帧C_DC_NA_1；子站→主站，遥控选择命令的确认帧M_DC_NA_1；主站→子站，遥控执行命令的发送帧C_DC_NA_1；子站→主站，遥控执行命令的确认帧M_DC_NA_1。

本发明的监控中心3使用的远动通讯规约基本符合IEC60870-5-101，同样包括以下两种报文格式：(1)固定帧格式，用于子站回答主站的确认报文，或主站向子站的询问报文，如图10所示，固定帧报文头的格式10H是启动字符，帧校验和是控制域、地址域8位位组的算术和(不考虑溢出位，即256模和)，16H为结束符；(2)可变帧格式，用于子站向主站传输数据，或主站向子站传输数据，如图11所示可变帧报文头的格式两个启动字符是68H，两个长度L为包括控制域、地址域、用户数据区的8位位组的个数，帧校验和是控制域、地址域、用户数据8位位组的算术和(不考虑溢出位，即256模和)，结束符为16H；

两类报文均以16进制字节(8位位组)为单位，即固定帧报文中启动字符10H、控制域、地址域、帧校验和、结束符16H均为1个字节，可变帧报文中除用户数据以外均为1个字节，用户数据为可变长度，可以为多个字节。

上述两种报文中的控制域的定义如图12所示：传输方向位DIR：DIR＝0，表示报文是由主站向子站传输；DIR＝1，表示报文是由子站向主站传输；启动报文位PRM：PRM＝1，表示主站向子站传输；PRM＝0，表示子站向主站传输；帧计数位FCB：主站向同一个子站传输新一轮的发送/确认或请求/响应传输服务时，将FCB位取相反值，主站为每一个子站保留一个帧计数位的拷贝，若超时没有从子站收到所期望的报文，或接收出现差错，则主站不改变帧计数位(FCB)的状态，重复传送原报文，重复次数为3次；要求访问位ACD：ACD＝1表示子站希望向主站传输1级数据；帧计数有效位FCV：FCV＝0表示帧计数位(FCB)的变化无效；FCV＝1表示帧计数位(FCB)的变化有效；数据流控制(DFC)：DFC＝0表示子站可以继续接收数据；DFC＝1表示子站数据区已满，无法接收新数据。

本发明的远动通讯规约采用非平衡式的传输方式，所有的通讯都是主站查询后，子站发送，全部报文如下：

一、监控中心发送初始化报文：10H、46H、子站设备地址号、帧校验和、16H

终端返回如下报文：10H、8DH、子站设备地址号、帧校验和、16H

二、监控中心发送终端复位报文：10H、41H、子站设备地址号、帧校验和、16H

终端返回如下报文：10H、86H、子站设备地址号、帧校验和、16H

三、监控中心每15分钟定时发送巡检命令报文：

10H、5BH、子站设备地址号、帧校验和、16H

终端返回如下报文：

68H、L、L、68H、10ACD01000Bit、子站设备地址号、类型标识16H、传送原因5H(请求)、子站设备地址号、控制器状态字、UA_L、UA_H、IA_L、IA_H、UB_L、UB_H、IB_L、IB_H、UC_L、UC_H、IC_L、IC_H、∑P_L、∑P_H、∑Q_L、∑Q_H、FR_L、FR_H、Hw_L、Hw_H、PF_L、PF_H、Reserve1_L、Reserve1_H、Reserve2_L、Reserve2_H、帧校验和、16H

其中，UA_L、UA_H表示A相电压低字节和高字节；IA_L、IA_H表示A相电流低字节和高字节；UB_L、UB_H表示B相电压低字节和高字节；IB_L、IB_H表示B相电流低字节和高字节；UC_L、UC_H表示C相电压低字节和高字节；IC_L、IC_H表示C相电流低字节和高字节；∑P_L、∑P_H表示有功功率低字节和高字节；∑Q_L、∑Q_H无功功率低字节和高字节；FR_L、FR_H表示频率低字节和高字节；Hw_L、Hw_H表示谐波低字节和高字节；PF_L、PF_H表示功率因子低字节和高字节；Reserve1_L、Reserve1_H、Reserve2_L、Reserve2_H分别表示预留1和预留2的低字节和高字节，用于未来扩充报文内容的需要。

四、监控中心发送遥控命令报文，包括对终端配变器进行合闸和分闸操作。如图9所示，由于电力行业的特殊性，在进行遥控命令时，为了确保指令的正确性和可行性，欲完成一项操作要分两步进行，称为两次握手方式，首先监控中心3向配变数据采集与监控终端1发出欲操作指令，配变数据采集与监控终端1收到指令后，若指令错误或设备状态错误，向监控中心3返回错误信息，若指令正确及设备状态正确则返回欲操作指令确认帧；然后监控中心3收到欲操作指令确认帧后，再发送遥控执行命令，配变数据采集与监控终端1收到执行命令后，若操作未完成返回操作取消确认帧，若操作完成则返回执行命令的确认帧。故进行合闸和分闸操作时监控中心及终端均需发送和回复两次报文：

1.遥控合闸：

主站发送遥控合闸选择命令：

68H、8H、8H、68H、01FCB10011Bit、子站设备地址号、类型标识2EH、传送原因6H、子站设备地址号、03H、0H、0H、帧校验和、16H

子站返回遥控合闸选择命令的确认帧：

68H、2H、2H、68H、A0H、子站设备地址号、帧校验和、16H

主站发送遥控合闸执行命令：

68H、2H、2H、68H、7AH、子站设备地址号、帧校验和、16H

子站返回遥控合闸执行命令的确认帧：

68H、9H、9H、68H、10ACD01000Bit、子站设备地址号、类型标识2EH、传送原因7H、子站设备地址号、82H、0H、0H、帧校验和、16H

2.遥控分闸：

主站发送遥控分闸选择命令：

68H、8H、8H、68H、01FCB10011Bit、子站设备地址号、类型标识2EH、传送原因6H、子站设备地址号、02H、0H、0H、帧校验和、16H

子站返回遥控分闸选择命令的确认帧：

68H、2H、2H、68H、A2H、子站设备地址号、帧校验和、16H

主站发送遥控分闸执行命令：

68H、2H、2H、68H、5AH、子站设备地址号、帧校验和、16H

子站返回遥控分闸执行命令的确认帧：

68H、9H、9H、68H、10ACD01000Bit、子站设备地址号、类型标识2EH、传送原因7H、子站设备地址号、81H、0H、0H、帧校验和、16H

五、监控中心发送取遥信量命令：

68H、8H、8H、68H、01FCB11011Bit、子站设备地址号、类型标识64H、传送原因5H(请求)、子站设备地址号、1EH、0H、0H、帧校验和、16H

子站返回遥信量报文：

68H、10H、10H、68H、10ACD01000Bit、子站设备地址号、类型标识14H、传送原因5H(请求)、子站设备地址号、TeliSig(遥信量)、动作类型、动作电流L、动作电流H、0H、0H、帧校验和、16H

六、监控中心发送取遥测量命令：

68H、8H、8H、68H、01FCB11011Bit、子站设备地址号、类型标识66H、传送原因5H(请求)、子站设备地址号、3CH、0H、0H、帧校验和、16H

子站返回遥测量报文：

68H、26H、26H、68H、10ACD01000Bit、子站设备地址号、类型标识9H、传送原因5H(请求)、子站设备地址号、I段过流电流L、I段过流电流H、II段过流电流L、II段过流电流H、III段过流电流L、III段过流电流H、涌流大小、涌流延时、谐波大小、谐波延时、谐波动作、操作电压L、操作电压H、一次重合闸时间、二次重合闸时间、三次重合闸时间、开关故障分闸次数、通讯波特率、动作电流L、动作电流H、0H、0H、帧校验和、16H

七、监控中心发送遥调命令：

68H、26H、26H、68H、01FCB11011Bit、子站设备地址号、类型标识6EH、传送原因5H(请求)、子站设备地址号、I段过流电流L、I段过流电流H、II段过流电流L、II段过流电流H、III段过流电流L、III段过流电流H、涌流大小、涌流延时、谐波大小、谐波延时、谐波动作、操作电压L、操作电压H、一次重合闸时间、二次重合闸时间、三次重合闸时间、开关故障分闸次数、通讯波特率、动作电流L、动作电流H、0H、0H、帧校验和、16H

子站返回遥调命令确认报文：68H、2H、2H、68H、A2H、子站设备地址号、帧校验和、16H。

上述基于电力101协议的本发明规约设计，可以兼容实现不同厂家不同版本的协议综合，可适应市场上各个厂家不同构型的配变器，大大提高了本发明的适应性。

一种基于宽带无线通信的配电网自动化系统的实现方法，首先，为配变数据采集与监控终端选择当前所用宽带无线通信网络对应的DTU，采用CDMA-DTU或GSM-DTU或GPRS-DTU或3G-DTU等，并设定符合电力101协议的远动通信规约，通过宽带无线通信网络建立配变数据采集与监控终端和监控中心的连接；接着，通过配变数据采集与监控终端对配变器进行采集和监控：从配变器采集数据，处理后得到当前配变参数，包括三相电压、三相电流、三相有功功率、三相无功功率、有功电量、无功电量、功率因数以及频率，将得到的配变参数、实时时间参数和开关量状态参数通过宽带无线通信模块以报文形式发送至监控中心；在配变参数、实时时间参数和开关量状态参数数据异常时上传报警信息给监控中心，所述的报警信息包括：配变器参数异常报警和配变器状态异常报警，配变器参数异常报警是在配变参数、实时时间参数数据异常时上传的，配变器状态异常报警是在开关量状态参数数据异常时上传的；然后，监控中心发来的控制命令，主要包括读取配变参数信息进行数据查询，设置变压器定值，出现报警信息后对变压器实行复位、合分闸操作；最后，配变数据采集与监控终端通过宽带无线通信模块接收监控中心发来的控制命令，传送至MCU处理单元进行解析后发至开关控制模块，由开关控制模块控制配变器进行相应的操作，包括：监控中心对配变器进行复位操作、监控中心对配变器进行合分闸操作、监控中心对配变器进行定值设置操作以及监控中心对配变器进行定时巡检。

Claims

1.一种基于宽带无线通信的配电网自动化系统，其特征在于，包括配变数据采集与监控终端、宽带无线通信网络和监控中心三部分，所述的配变数据采集与监控终端从配变器采集数据进行处理，将得到的配变参数、实时时间参数和开关量状态参数通过宽带无线通信网络传送给监控中心，并在配变参数、实时时间参数和开关量状态参数数据异常时上传报警信息给监控中心，监控中心接收上传的配变参数、实时时间参数和开关量状态参数，在用户管理界面中实时显示，并存入数据库以供查询，针对报警信息及时下达控制命令，通过宽带无线通信网络传送给配变数据采集与监控终端，以控制配变器的运行；

所述监控中心与配变数据采集与监控终端之间采用的通信协议包括：远动通信规约、TCP/IP协议和宽带无线通信协议；

所述的配变数据采集与监控终端包含有配变控制器与DTU模块，配变控制器通过航空插头与配变器连接，通过RS232接口与DTU模块连接，DTU模块根据相应的无线通信网络，选择相应类型的DTU，用于同宽带无线通信网络建立连接；所述的DTU代表数据终端设备；

所述的配变控制器包括数据采集模块、MCU处理模块、外部扩展存储模块、开关控制模块和键盘/显示模块；其中，MCU表示微控制单元；所述的数据采集模块从配变器采集数据，对该数据进行处理后将得到的配变参数，包括三相电压、三相电流、三相有功功率、三相无功功率、有功电量、无功电量、功率因数以及频率，这些参数的有效值以及实时时间参数、开关量状态参数送入MCU处理模块；所述的MCU处理模块通过DTU模块与宽带无线通信网络通信，上传配变参数，并在配变参数、实时时间参数和开关量状态参数数据异常时上传报警信息，对接收到的控制命令进行识别，并向开关控制模块发送控制命令；所述的开关控制模块根据控制命令控制配变器自动开断、关合电路，使电网恢复运行，或经过数次合分后自动闭锁在分闸状态；所述的外部扩展存储模块用于提供外扩的存储空间，存储MCU处理模块中的终端系统数据和程序；所述键盘/显示模块用于实现操作人员与数据采集模块的人机交互，将操作人员手动设定的控制命令传递给MCU处理模块，接收显示MCU处理模块发来的数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于宽带无线通信的配电网自动化系统，其特征在于，所述的数据采集模块采用电能计量专用芯片ATT7022A实现。

3.根据权利要求1所述的一种基于宽带无线通信的配电网自动化系统，其特征在于，所述的DTU模块采用CDMA-DTU或GSM-DTU或GPRS-DTU或3G-DTU。

4.根据权利要求1所述的一种基于宽带无线通信的配电网自动化系统，其特征在于，所述的监控中心，其上的监控管理系统包括应用程序单元、通信程序单元和数据库程序单元；所述的应用程序单元主要包括用户界面以及用户管理模块，用户管理模块设置管理用户帐号、密码和操作权限，用户界面提供图形用户界面显示给监控人员；所述的通信程序单元用于建立与DTU模块的通信连接，接收和发送数据；所述的数据库程序单元采用MySQL数据库系统存储用户信息、DTU信息和节点参数；其中用户信息包括：用户索引、用户名和用户权限；DTU信息包括：DTU索引、DTU名称和DTU设备号；节点参数包括：DTU索引、电压值、电流值、有功功率和无功功率。

5.根据权利要求1所述的一种基于宽带无线通信的配电网自动化系统，其特征在于，所述的远动通信规约，采用非平衡式的传输方式，所有的通讯都是主站查询后，子站发送，包括两种报文格式：固定帧格式，用于子站回答主站的确认报文，或主站向子站的询间报文，其格式为：启动字符、控制域、地址域、帧校验和、结束符，其中，启动字符为10H，结束符为16H；可变帧格式，用于子站向主站传输数据，或主站向子站传输数据，其报文格式为：启动字符、L、L、启动字符、控制域、地址域、用户数据、帧校验和、结束符，其中，启动字符为68H，两个长度L为包括控制域、地址域和用户数据的字节长度，结束符为16H；

该远动通信规约全部报文有：

一、监控中心发送初始化报文为：10H、46H、子站设备地址号、帧校验和、16H；终端返回的报文为：10H、8DH、子站设备地址号、帧校验和、16H；

二、监控中心发送终端复位报文：10H、41H、子站设备地址号、帧校验和、16H；终端返回的报文为：10H、86H、子站设备地址号、帧校验和、16H；

三、监控中心每15分钟定时发送巡检命令报文：10H、5BH、子站设备地址号、帧校验和、16H；终端返回如下报文：68H、L、L、68H、10ACD01000Bit、子站设备地址号、类型标识16H、传送原因5H、子站设备地址号、控制器状态字、UA_L、UA_H、IA_L、IA_H、UB_L、UB_H、IB_L、IB_H、UC_L、UC_H、IC_L、IC_H、∑P_L、∑P_H、∑Q_L、∑Q_H、FR_L、FR_H、Hw_L、Hw_H、PF_L、PF_H、Reserve1_L、Reserve1_H、Res erve2_L、Res erve2_H、帧校验和、16H；

其中，Bit表示单位字节，UA_L、UA_H分别表示A相电压低字节和高字节；IA_L、IA_H分别表示A相电流低字节和高字节；UB_L、UB_H分别表示B相电压低字节和高字节；IB_L、IB H分别表示B相电流低字节和高字节；UC_L、UC_H分别表示C相电压低字节和高字节；IC_L、IC_H分别表示C相电流低字节和高字节；∑P_L、∑P_H分别表示有功功率低字节和高字节；∑Q_L、∑Q_H分别表示无功功率低字节和高字节；FR_L、FR_H分别表示频率低字节和高字节；Hw_L、Hw_H分别表示谐波低字节和高字节；PF_L、PF_H分别表示功率因子低字节和高字节；Reserve1_L、Reserve1_H、Reserve2_L、Reserve2_H分别表示预留1和预留2的低字节和高字节，用于未来扩充报文内容；

四、监控中心发送遥控命令报文，包括对终端配变器进行合闸和分闸操作：

主站发送遥控合闸选择命令：68H、8H、8H、68H、01FCB10011Bit、子站设备地址号、类型标识2EH、传送原因6H、子站设备地址号、03H、0H、0H、帧校验和、16H；

子站返回遥控合闸选择命令的确认帧：68H、2H、2H、68H、A0H、子站设备地址号、帧校验和、16H；

主站发送遥控合闸执行命令：68H、2H、2H、68H、7AH、子站设备地址号、帧校验和、16H；

子站返回遥控合闸执行命令的确认帧：68H、9H、9H、68H、10ACD01000Bit、子站设备地址号、类型标识2EH、传送原因7H、子站设备地址号、82H、0H、0H、帧校验和、16H；

主站发送遥控分闸选择命令：68H、8H、8H、68H、01FCB10011Bit、子站设备地址号、类型标识2EH、传送原因6H、子站设备地址号、02H、0H、0H、帧校验和、16H；

子站返回遥控分闸选择命令的确认帧：68H、2H、2H、68H、A2H、子站设备地址号、帧校验和、16H；

主站发送遥控分闸执行命令：68H、2H、2H、68H、5AH、子站设备地址号、帧校验和、16H；

子站返回遥控分闸执行命令的确认帧：68H、9H、9H、68H、10ACD01000Bit、子站设备地址号、类型标识2EH、传送原因7H、子站设备地址号、81H、0H、0H、帧校验和、16H；

五、监控中心发送取遥信量命令：

68H、8H、8H、68H、01FCB11011Bit、子站设备地址号、类型标识64H、传送原因5H、子站设备地址号、1EH、0H、0H、帧校验和、16H；

子站返回遥信量报文：

68H、10H、10H、68H、10ACD01000Bit、子站设备地址号、类型标识14H、传送原因5H、子站设备地址号、遥信量、动作类型、动作电流L、动作电流H、0H、0H、帧校验和、16H；

六、监控中心发送取遥测量命令：68H、8H、8H、68H、01FCB11011Bit、子站设备地址号、类型标识66H、传送原因5H、子站设备地址号、3CH、0H、0H、帧校验和、16H；子站返回遥测量报文：68H、26H、26H、68H、10ACD01000Bit、子站设备地址号、类型标识9H、传送原因5H、子站设备地址号、I段过流电流L、I段过流电流H、II段过流电流L、II段过流电流H、III段过流电流L、III段过流电流H、涌流大小、涌流延时、谐波大小、谐波延时、谐波动作、操作电压L、操作电压H、一次重合闸时间、二次重合闸时间、三次重合闸时间、开关故障分闸次数、通讯波特率、动作电流L、动作电流H、0H、0H、帧校验和、16H；

七、监控中心发送遥调命令：68H、26H、26H、68H、01FCB11011Bit、子站设备地址号、类型标识6EH、传送原因5H、子站设备地址号、I段过流电流L、I段过流电流H、II段过流电流L、II段过流电流H、III段过流电流L、III段过流电流H、涌流大小、涌流延时、谐波大小、谐波延时、谐波动作、操作电压L、操作电压H、一次重合闸时间、二次重合闸时间、三次重合闸时间、开关故障分闸次数、通讯波特率、动作电流L、动作电流H、0H、0H、帧校验和、16H；

6.一种实现权利要求1所述的基于宽带无线通信的配电网自动化系统的方法，其特征在于，

首先，为配变数据采集与监控终端选择当前所用宽带无线通信网络对应的DTU，并设定符合电力101协议的远动通信规约，通过宽带无线通信网络建立配变数据采集与监控终端和监控中心的连接；其中，DTU代表数据终端设备；

接着，通过配变数据采集与监控终端对配变器进行数据采集和监控：从配变器采集数据，处理后得到当前配变参数，包括三相电压、三相电流、三相有功功率、三相无功功率、有功电量、无功电量、功率因数以及频率，将得到的配变参数、实时时间参数和开关量状态参数通过宽带无线通信模块以报文形式发送至监控中心；在配变参数、实时时间参数和开关量状态参数数据异常时上传报警信息给监控中心；

然后，监控中心发来的控制命令，主要包括读取配变参数信息进行数据查询，设置变压器定值，出现报警信息后对变压器实行复位、合分闸操作；

最后，配变数据采集与监控终端通过宽带无线通信模块接收监控中心发来的控制命令，传送至配变数据采集与监控终端中的MCU处理单元进行解析后发至配变数据采集与监控终端的开关控制模块，由开关控制模块控制配变器进行相应的操作。

7.根据权利要求6所述的一种基于宽带无线通信的配电网自动化系统的实现方法，其特征在于，所述的开关控制模块控制配变器进行相应的操作包括：监控中心对配变器进行复位操作、监控中心对配变器进行合分闸操作、监控中心对配变器进行定值设置操作以及监控中心对配变器进行定时巡检。