CN102325165A - 基于Zigbee无线通信的开入开出系统及其数据通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Zigbee无线通信的开入开出系统及其数据通信方法，其特征在于，包括：采集装置：设置于靠近开关量设备处，与中心装置通过Zigbee无线通信方式进行通信，用于开关量信号的采集与控制、以及开关量数字信号的传输，同时负责对开关量设备进行设备标识；中心装置：与电力系统物联网处理中心或保护装置相连，用于转发来自多个采集装置的开关量数据给电力系统物联网处理中心或保护装置，以及转发来自电力系统物联网处理中心或保护装置的自动控制开出命令给采集装置，所有的监视与自动控制在物联网数据处理中心或保护装置中进行。本发明的开入采集、开出控制就近原则，靠近开关量设备，大大减少电缆的需求与部署的复杂度。

Description

基于Zigbee无线通信的开入开出系统及其数据通信方法

技术领域

   本发明涉及一种物联网关键技术在电力系统中的应用系统，尤其是一种基于Zigbee技术在电力系统中的开入开出系统，属于电力系统物联网领域。

背景技术

物联网是人与人、人与物、物与物全面互联的网络。由于物没有能够标识的“身份证”，因此物与信息是分离的，难以进行管理和跟踪。物联网时代就是要使所有物都有自己的“身份证”，通过感知和识读对数据信息进行自动采集，并通过无线传输实现信息化的智能管理。物联网都拥有自身独特的技术和产业特征，具有创新性强、产业链条长、辐射面广、带动力强的基本特点，是不同于其他新一代信息技术的新兴技术产业领域。物联网通常由感知层、网络层和应用层组成，包括数据采集、传感器网络组网和协同信息处理、网络通信传输、中间件、应用集成、信息安全等技术。 

无线传感器网络作为物联网技术的感知层技术，在其发展起着至关重要的作用，因Zigbee技术特有的低功耗、低复杂度和低成本的优势，其无疑成为无线传感网络通信的首先技术，成功地应用到工业自动控制、智能电网等多个领域之中。

   Zigbee网络由三种网络节点组成：网络协调器、路由节点、终端节点。网络协调器包含所有的网络消息，存储容量大、计算能力最强，发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不间断地接收消息；路由节点是网络中的中继，连接网络各个节点，延伸和扩展网络的覆盖范围和网络规模。终端节点是只能直接发消息给网络协调器和路由节点，所有采集的数据信息都经过该节点而进入Zigbee通信网络，对处理能力和内存的需求低，可进入省电模式。

   电力系统是由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心，通过各种设备再转换成动力、热、光等不同形式的能量，为地区经济和人民生活服务。由于电源点与负荷中心多数处于不同地区，也无法大量储存，故其生产、输送、分配和消费都在同一时间内完成，并在同一地域内有机地组成一个整体，电能生产必须时刻保持与消费平衡。

   为了使电力系统正常、有序、可靠、高效的运行需要大量的电气设备，包括直接参与电能交换的一次设备和对其运行状况进行监督、保护和控制的二次设备，其中部分设备的开关量也是监视和控制的重点组成部分。所谓开关量是指非连续性信号的采集和输出，包括遥信采集和遥控输出，它有1和0两种状态，这是数字电路中的开关性质，在电力上是指电路的开和关或者说是触点的接通和断开。开关量也即是开入量和开出量，可指一个装置所带的辅助点，譬如变压器的温控器所带的继电器的辅助点（变压器超温后变位）、阀门凸轮开关所带的辅助点（阀门开关后变位）、接触器所带的辅助点（接触器动作后变位）、热继电器（热继电器动作后变位），也可指设备的运行开停状态以及设备的开关状态，如断路器、隔离开关的合与分。

开入用于对设备状态的监测，开出用于对设备进行状态自动控制。目前的保护装置基本上都安装于室内的柜子内，外场的大量设备的开关量需要通过电缆接入到装置，并且同时需要提供直流电源（常用的为12V、24V、110V、220V、380V），该方法存在诸多的缺点：首先，存在很多的开关量设备监控，必然导致需要更多的电缆铺设，需要更多空间来容纳，增加监控室的布置与施工的复杂程度，同时也会增加维护和管理的复杂程度；其次，电缆上传输的是电压模拟信号，使用低电压开入开出(12V、24V)，因为线缆的长度以及环境周边强电的干扰，导致存在开入到装置的电压过低而导致开入量监测到错误的状态值，从而引起未知的结果行为，使用高电压(110V、220V、380V)开入开出，又存在直流电源供电、线缆绝缘及其铺设等问题；再者，线缆的铺设成本上也相对较高；最后，电缆无法对开关量设备进行唯一标识，同时除开关量外，也无法传递设备的其他数据信息。

发明内容

本发明的目的在于解决通过电缆将开关量设备接入到保护设备或监控系统中所带来的成本相对较高、铺设复杂、管理难度高、电缆上电压信号易受损耗干扰而变化、无法标识等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于Zigbee无线通信的开入开出系统，其特征在于，包括：

采集装置：设置于靠近开关量设备处，与中心装置通过Zigbee无线通信方式进行通信，用于开关量信号的采集与控制、以及开关量数字信号的传输，同时负责对开关量设备进行设备标识；

中心装置：与电力系统物联网处理中心或保护装置相连，用于转发来自多个采集装置的开关量数据给电力系统物联网处理中心或保护装置，以及转发来自电力系统物联网处理中心或保护装置的自动控制开出命令给采集装置，所有的监视与自动控制在物联网数据处理中心或保护装置中进行。

前述的基于Zigbee无线通信的开入开出系统，其特征在于：开关量设备采用低压电源供电或采用采集装置的电源来直流供电。

本发明开关量的采集不在室内完成，而是直接靠近开关量设备端，在该设备要采集的开关量出口地方直接接入采集装置，然后由该装置将采集的开关量电压信号转换为数字信号数据，并由该装置将数字信息通过无线通信发送给电力系统物联网数据处理中心，同时，该采集装置接收中心装置发送来的开出命令后再开出。

前述的基于Zigbee无线通信的开入开出系统的数据通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将采集装置靠近开关量设备安装, 开关量设备与采集装置之间距离很近，无需长距离电缆布线，因此，开关量设备只需要采用低压电源供电，甚至可以直接采用采集装置的电源来进行直流供电；

2)开关量输入到采集装置后，将直流电压信号转换成数字0或1，分别代表设备的工作状态为关或开状态，当同时多个开入来表达设备处于某个档位状态时，采集装置将采集多个开入值，并将多个电压信号转换成对应档位状态的连续的二进制数字，类似0010；

3)采集装置将数字并附上设备的身份标识通过Zigbee无线通信发送空中接口进行无线传输，而不再通过电缆的有线电压信号；

4)中心装置接收来自采集装置的无线信号，解码得到设备的标识以及相应的状态信息；

5)中心装置将来自采集装置的数据上传给保护装置或电力系统物联网数据处理中心进行监视与控制；

6)保护装置或电力系统物联网数据处理中心根据收集到的设备状态数据进行各种逻辑处理与存储，并发出相应的自动控制命令；

7)自动控制命令下发给中心装置，中心装置将自动控制命令发送到空中接口进行无线传输，采集装置收到控制命令后，做出相应的开出动作来控制设备的工作状态。

本发明技术方案的显著性进步和特点主要体现在：开入采集、开出控制就近原则，靠近开关量设备，大大减少电缆的需求与部署的复杂度；开入的直流供电可直接复用采集装置的供电电源，采集装置同时还提供对每个开入设备的身份标识，方便连入物联网进行统一规划管理；当使用多个开入来表达设备工作状态时，采集装置能够将这些开入信号合并成一个数字来表达设备的工作状态，大大减少了电缆铺设及其复杂度，同时也降低了成本。该开入开出系统特别适合用于电力系统中开关量设备的监视与控制，如断路器、隔离开关、油档位等，当然该发明并不局限于电力系统，所有设备的状态能用开关量来表达和控制的设备都可采用该发明所述的技术方案。

附图说明

   附图1为常用的保护装置的开入开出系统示意图；

   附图2为本发明的基于Zigbee技术的开入开出系统示意图；

附图3为本发明的基于Zigbee技术的电力系统中的开入开出系统示意图。

具体实施方式

一种基于Zigbee技术的电力系统中的开入开出系统，涉及到采集装置和中心装置。采集装置提供设备的标识，并负责开关量信号的采集与控制、以及开关量数字信号的传输；中心装置负责开关量数据的上传与自动控制的下达，同时负责与采集装置进行无线通信。该系统其特别之处主要在于：提供了设备的身份标识，采用Zigbee无线通信来取代电缆来传递和控制开关量，同时对于多个开入信号表达一个设备状态时，系统能将该多个开入信号合并成一个状态数据来进行传输与控制。电力系统的开关量非常多，这里仅以断路器为例来进行实施，主要包括以下步骤：

1）  断路器的分位和合位的开入接入采集装置，由采集装置将这两个开关量、断路器设备身份标识以及其他的状态数据一起发送中心装置。

2）  中心装置将来自空口的无线数据解码出的开关量数据发送给保护装置。

3）  保护装置来判断两者状态的合法性，如果出现异常并进行输出重合闸或跳闸等操作。同时保护装置将断路器的身份标识以及其他的状态数据转发给后台数据中心进行处理。

4）  保护装置根据继电保护的算法判断出一次回路是否出现短路、断路等故障，如果一次回路出现异常，输出开出跳闸命令。

5）  该开出命令下达给中心装置，由中心装置将开出命令通过Zigbee无线技术发送给采集装置。

6）  采集装置收到消息后，开出到断路器进行相应的跳闸或合闸的动作。

7）  开出到断路器后，断路器操作机构执行相应的跳合闸操作，并在分位和合位的开入上进行反馈。

8）  重复步骤1-7。

综上所述，采用本发明后，能够有效利用近距离无线传输的优势：灵活布置、可靠传输、低成本等，充分结合物联网与电力系统的核心技术，将采集前置于设备端，采用Zigbee技术来承载开关量、自动控制以及其他的状态和身份标识等信息，减少了对电缆采购、布置与管理的需求，同时也减少了对强电开入的需求。本发明特别适用于开关量设备的状态监测与自动控制，如断路器、隔离开关、变压器档位、柴油发电机组燃油油箱内液位开关量等。由此可见，本发明具有显著性进步和优化提高的特点，其应用前景非常广阔。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例子而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与装饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。 

Claims (3)

1.一种基于Zigbee无线通信的开入开出系统，其特征在于，包括：

采集装置：设置于靠近开关量设备处，与中心装置通过Zigbee无线通信方式进行通信，用于开关量信号的采集与控制、以及开关量数字信号的传输，同时负责对开关量设备进行设备标识；

中心装置：与电力系统物联网处理中心或保护装置相连，用于转发来自多个采集装置的开关量数据给电力系统物联网处理中心或保护装置，以及转发来自电力系统物联网处理中心或保护装置的自动控制开出命令给采集装置，所有的监视与自动控制在物联网数据处理中心或保护装置中进行。

2.根据权利要求1所述的基于Zigbee无线通信的开入开出系统，其特征在于：开关量设备采用低压电源供电或采用采集装置的电源来直流供电。

3.根据权利要求1所述的基于Zigbee无线通信的开入开出系统的数据通信的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将采集装置靠近开关量设备安装, 开关量设备与采集装置之间距离很近，无需长距离电缆布线，开关量设备采用低压电源供电，或直接采用采集装置的电源来进行直流供电；

2)开关量输入到采集装置后，将直流电压信号转换成数字0或1，分别代表设备的工作状态为关或开状态，当同时多个开入来表达设备处于某个档位状态时，采集装置将采集多个开入值，并将多个电压信号转换成对应档位状态的连续的二进制数字；

3)采集装置将数字并附上设备的身份标识通过Zigbee无线通信发送空中接口进行无线传输；

4)中心装置接收来自采集装置的无线信号，解码得到设备的标识以及相应的状态信息；

5)中心装置将来自采集装置的数据上传给保护装置或电力系统物联网数据处理中心进行监视与控制；

6)保护装置或电力系统物联网数据处理中心根据收集到的设备状态数据进行各种逻辑处理与存储，并发出相应的自动控制命令；

7)自动控制命令下发给中心装置，中心装置将自动控制命令发送到空中接口进行无线传输，采集装置收到控制命令后，做出相应的开出动作来控制设备的工作状态。

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