CN103116346B - 一种网络拓扑结构无线通讯的电能质量在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种网络拓扑结构无线通讯的电能质量在线监测系统，包括采集终端、通讯管理器、服务器和上位机；所述采集终端通过传感器采集用户端的交流电能数据，通过无线发射模块将交流电能数据上传至通讯管理器，通讯管理器通过无线发射塔无线传输至服务器，服务器通过将数据传输至上位机远程操控用户现场。本发明拓宽了监控的应用环境，而且具有互通讯，及自组网搭桥数据传输功能；具有断开修复和可分离再组网功能和接收通讯管理GPRS传输数据支撑通讯管理器输出存储处理功能；以及实现网络发布监控功能。该系统用于变（配）电站及需要局部范围自组网通讯的领域，其内部结构像网络拓扑传输数据，层次清晰，维护方便，监测效果好且具有实用价值。

Description

一种网络拓扑结构无线通讯的电能质量在线监测系统

技术领域

本发明属于电力系统无线通讯监控领域，涉及一种网络拓扑结构无线通讯的电能质量在线监测系统，主要解决布线难监测点比较集中，监测点到通讯管理器距离介于最大局域无线通讯范围之外的系统。

背景技术

电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的质量。理想状态的公用电网应以恒定的频率、标准正弦波和额定电压对用户供电。同时，在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值大小应相等、相位对称且相差120度。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称、负荷性质多变，加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态并不存在。因此，产生了电网运行电力设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念。

变（配）电站是输配电系统中的重要环节，是供电网络和工业企业用电系统的主要监控节点。近年来，随着经济的高速发展，我国电力行业也正快速发展，电网电压等级越来越高、供配电网络结构越来越复杂，工业企业等电力用户的生产规模越来越大，对电量的需求也日益增长。传统的变电站二次系统由于集成度低、接线复杂、保护控制功能单一、事故分析水平低等缺陷，已无法满足现代智能化变电站安全可靠、经济运行的要求。

电能质量分析及及其监测是一个较复杂的问题，如何合理、全面地分析处理各种干扰源，充分将计算机技术和网络技术为电能质量分析与监测所用，成为目前本领域亟待解决的技术问题。同时电能质量监测的发展趋势对监测系统在功能上提出了更高的要求。

网络拓扑结构无线通讯的电能质量在线监测系统是提高变电站安全稳定运行水平、降低运行维护成本、提高经济效益、向用户提供高质量电能的一项重要技术措施。它利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信息技术对变电站设备和工厂用电情况进行保护、监测、控制和管理。随着技术的不断进步，网络拓扑结构无线通讯的电能质量在线监测系统取代传统的变电站二次系统己成为电力系统的发展趋势。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术在线监测数据不足，而提供一种实时监测温度、湿度和电能质量及开关柜状态监控，且层次分明，容易实现，安装方便，具有推广效果好的网络拓扑结构无线通讯的电能质量在线监测系统。

本发明所采用的技术方案是：

一种网络拓扑结构无线通讯的电能质量在线监测系统，包括采集终端、通讯管理器、服务器和上位机；

采集终端，用于采集公用电网供给用户端的交流电能数据，实现自组网及搭桥数据传输；

通讯管理器，用于判断并存储采集终端设备最短路径，通过分布式自组网实现与采集终端通信；

服务器，用于对通讯管理器IP地址自动分配至监测站，并将采集终端的数据传输至上位机；

上位机，用于将服务器上传的数据进行实时数据监测和分析；

所述采集终端通过传感器采集用户端的交流电能数据，通过无线发射模块将交流电能数据上传至通讯管理器，通讯管理器将交流电能数据通过无线发射塔无线传输至服务器，服务器通过将数据传输至上位机远程操控用户现场。

进一步地，所述采集终端包括控制模块，控制模块分别连接有收发模块、中央处理单元、开关量处理单元、显示模块、存储芯片、电源模块、温度采模块、通讯模块和LED灯；其中，所述中央处理单元分别连接有电流转换单元和采集电阻，电流转换单元依次连接感应线圈和三相电流输入端，采集电阻连接三相电压输入端；开关量处理单元连接开关量输入端。

进一步地，所述显示模块连接有液晶屏和LED灯。

进一步地，所述通讯模块支持无线传输，或预留有有线通讯接口。

进一步地，所述通讯管理器包括控制中心，以及分别与控制中心相连的GPRS模块、接收模块、手持模块、电源模块、自组网模块和蓄电池；在控制中心上还设有网口模块和接口模块。

进一步地，所述自组网模块包括CPU，及与CPU分别相接的LAN滤波器、WAN滤波器、异步通信控制器、复位器、可编程控制电路、Flash、复位电路、EPROM芯片、SDROM内存、交换控制器、PowerPe芯片、时钟信号产生器和LED显示器。

进一步地，所述无线发射塔通过GPRS网络或internet网无线传输至服务器。

该网络拓扑结构无线通讯的电能质量在线监测系统,具有网络的自组性、动态变化的网络拓扑结构、有限的无线传输带宽、移动终端的局限性、分布式控制网络。通过采集终端到其它采集终端的分组转发进行数据通信，上传到通讯管理器，再由通过管理器借助GPRS网络或者网口上传到服务平台，然后由上位机进行查看及远程操控。

采用以上技术方案，本发明达到的有益效果是：

设备数据上报无需添加中继站设备，可以实现在任何时刻、任何地点，不需要现有信息基础网络设施的支持就能快速构建起一个移动通信网络。本系统采用先进的直序扩频技术，具有超强抗干扰、快速通信的能力。采用此技术隐蔽性好，易于实现码分多址核心技术，结合成熟的GPRS/CDMA上行信道再配合总调度室软件，完美无缺解决了中国电力监测点集中各自通讯难的问题。该系统实现了多点到单点、单点到多点、单点到单点双向通讯，并且各装置具能够自动实现无缝连接，满足各种复杂结构的全自动组网通讯需求，网络通信的链路可以不依靠任何其它的移动通信设备和固定通信网络设备就能够迅速的建立网络链接。该系统还具有稳定性好的特点，单点链接网络中，如果一个接入点瘫痪，或屏蔽会导致整个网络无法运行，而采集终端无线自组网络具有自我调节和自愈特性，不依赖于单一节点，如果某个接入点或节点发生故障点，采集终端无线自组网络系统可以绕过这些故障点，数据也将通过另外的路径实现轻松传递，网络仍可继续运行。该系统减少了费用成本，增加了数据传输可靠性，并且带来了现场安装方便，具有可行的实用价值,并结合现有成熟GPRS技术,B/S结构网络发布技术,而全力打造的一套集中多点无线实时检测检控系统解决方案。

电能质量监测的网络化、智能化是指现代电网规模越来越大，监测点越来越多，未来电能质量的监测不仅局限于某一点，而是要实现同一供电系统、不同地点的电能质量监测，甚至实现多个不同供电系统的集中监测。在功能上，更强调智能化，除具有计算、显示等功能外，还要有一定的判断、分析、决策等功能，如能进行事件预测、故障辨识、干扰源识别和实时控制，初步具有自动的实用先进的计算智能评估功能。

附图说明

图1是本发明系统构图。

图2是本发明采集模块结构框图。

图3是本发明通讯管理器结构框图。

图4是本发明自组网模块结构框图。

图5是本发明系统采集终端接力传输流程图。

具体实施方式

图1所示，一种网络拓扑结构无线通讯的电能质量在线监测系统，包括用于采集公用电网供给用户端的交流电能数据，实现自组网及搭桥数据传输的采集终端；用于判断并存储采集终端设备最短路径，通过分布式自组网实现与采集终端通信的通讯管理器；用于对通讯管理器IP地址自动分配至监测站，并将采集终端的数据传输至上位机的服务器；以及用于将服务器上传的数据进行实时数据监测和分析的上位机；采集终端通过传感器采集用户端的交流电能数据，通过无线发射模块将交流电能数据上传至通讯管理器，通讯管理器通过无线发射塔无线传输至服务器，服务器通过将数据传输至上位机远程操控用户现场。无线发射塔通过GPRS网络或internet网无线传输至服务器。

如图2所示，采集终端包括控制模块，控制模块分别连接有收发模块、中央处理单元、开关量处理单元、显示模块、存储芯片、电源模块、温度采模块、通讯模块和LED灯；其中，中央处理单元分别连接有电流转换单元和采集电阻，电流转换单元依次连接感应线圈和三相电流输入端，采集电阻连接三相电压输入端；开关量处理单元连接开关量输入端；显示模块连接有液晶屏和LED灯；该通讯模块支持无线传输，也根据现场环境复杂性预留有线通讯接口。

电源模块通过电能饱和方式向采集终端供电，将电流信号转换为电压信号为信号采集单元、中央处理器、无线通讯选址单元、无线接收发射模块和存储芯片提供电源。

该采集终端可以在任何时刻、任何地点不需要现有信息基础网络设施的支持，快速构建起一个移动通信网络，可实现自组网及搭桥数据传输功能，链路具有断开修复和可分离再组网功能，采集终端具有出厂编号唯一和IP地址可修改存储功能。

如图3所示，通讯管理器包括控制中心，以及分别与控制中心相连的GPRS模块、接收模块、手持模块、电源模块、自组网模块和蓄电池，在控制中心上还设有网口模块和接口模块。该装置具采用外接电源220V供电或者太阳能板供电两种选择解决复杂环境供电问题，还具有掉电继续工作20天不掉数据并上报服务器功能。通讯管理器具有可监控范围内对采集终端设备最短路径判断，并存储为路径表供下次查询数据用；具有通讯地址按照IP地址分配下放给采集终端功能；节点缺失后通道重组功能；通讯管理器可将该监控范围内采集终端设备按照出厂编号唯一号列在路径表中，实现自计算对唯一出厂编号分配IP地址下发IP地址到采集终端，然后更具IP地址实现采集终端到采集终端通信，采集终端到通信管理器的通信，并且计算每台可监视范围内采集终端最短到达通信管理器路径并保存到路径表；通信管理器可根据路径表最短路径采集数据；如果要实现采集终端遥控采集终端必须实现采集终端液晶显示自己IP地址，可实现通过设置IP地址发送相关操作，否则不用显示IP地址，采集终端之间通讯起到中间接力作用。具有服务器请求上班IP地址路径表功能。

如图4所示，自组网模块包括CPU，及与CPU分别相接的LAN滤波器、WAN滤波器、异步通信控制器、复位器、可编程控制电路、Flash、复位电路、EPROM芯片、SDROM内存、交换控制器、PowerPe芯片、时钟信号产生器、和LED显示器。

服务器由服务器电脑、Oracle数据库、服务软件、短信模块组成。该服务器中数据库实现海量存储及实现对外数据支持功能，短信模块实现故障及状态提示功能，服务软件可实现按照IPv6方式自动分配IP地址及对集中器数据存储转发功能。服务器具有对通讯管理器IP地址自动分配功能；可实现人工手动分配IP地址修改IP地址；IP地址根据不同的IP段来区分，如192.168.1.10可理解为（国家.地区.通讯管理器.采集终端）代号地址，该IP地址采用的IPv6来存储分配地址。

上位机是采用B/S结构，实现了对服务平台数据库的数据查询及操作，并预留对外开放接口与其它软件对接可以组成强大、易维护的控制系统，该系统支持远程配置，可以获取设备配置及链路与设备状态信息。该系统还支持多种协议的设备挂在一条通讯链路上与其它产品进行通讯，适应现场环境及方便不同厂家的不同通讯协议设备通过服务平台实现联网通讯。实现了信息发布、远程操作、权限管理、信息分类、对接其它软件平台一起化信息系统。

如图5所示，为本发明系统采集终端接力传输流程图，本发明通过采集终端到采集终端的数据传输，从而实现数据的中转接力传输。通讯管理器通过无线发射塔和GPRS网络将数据通过信息网关传输至服务器，服务器通过将数据传输至上位机远程操控用户现场。

本发明的监测对象为电能质量为主：是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。从而解决导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变（谐波）、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。

本发明应用了无线Mesh网络技术，无线Mesh网络(WMN)是一种特殊的Adhoc网络，具有分层的网络结构，该网络形式采用网状Mesh拓扑结构，是一种多点到多点网络拓扑结构。在这种Mesh网络结构中，各网络节点通过相邻其他网络节点，以无线多跳方式相连。其传输骨干网具有多跳、拓扑稳定、无供电约束、业务流量相对汇聚等特性。实现任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。

提高WMN频谱空间复用度是增加网络容量有效的方法，而其设计的关键是有效控制无线链路间的干扰范围。基于多信道的组网技术是WMN关键技术之一，其核心是信道的分配，通过合理的信道分配以获得最大信道利用率。WMN中路由度量的选取需要考虑多跳无线链路间的相互干扰，而通过采用负载均衡路由技术可以均衡网络资源的使用，从而提高网络容量和节点的吞吐率。该网络是一种多跳、自组织的宽带无线网络，一般由Mesh路由器和Mesh客户节点组成。其典型结构是一种分级网络结构：Mesh路由器互联构成多跳无线骨干网，负责数据的中继；骨干网一般通过网关节点与其他网络互联，而Mesh客户节点通过Mesh路由器接入到WMN。通过WMN最终实现Mesh客户节点间、客户节点与Internet等其他网络间的互联互通。

这种结构的最大好处在于：如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止。这样的访问方式就是多跳访问。该设备中软件采用了可实现当多个传感器节点同时与某个传感器节点通信时，存在挣抢信道的现象。为了避免多个传感器节点同时与某个传感器节点通信造成数据丢失，软件上采用一定的退避机制。一方面，利用射频芯片的CD信号来产生随机延时，以避免同时发送信号；另一方面，当一个传感器节点与某个传感器节点建立了通信通道时，其他发送数据的节点会增加发射数据的次数解决通道堵塞问题。

本发明包括三层如：第一层是采集终端数据采集层，采集终端结构包括中央处理单元、监控温湿度、压力及烟雾等需要检查的传感器、无线接收发射模块、电源模块、天线、第二层是通讯管理器数据中转及处理层，第三层是服务器层即数据存储、数据监控及数据发布层。

本发明包括下述工作过程：

第一部分：系统环境的搭建

系统环境的搭建包括：采集终端及通讯管理器客体设计、电路板制作、嵌入式软件开发、无线模块订购、GPRS模块订购、太阳能板及蓄电池订购、服务平台建设、B/S结构软件开发等等，最后开始组装联调。

第二部分：网络发现

通讯管理器对接收范围内的每一个采集终端发出信号进行接收侦听.节点确定优先父母以及后备父母;节点将默认采集终端信息发送其优先父母的转发表中.数据自动采集，在数传过程中，会自动采集通道路径上的节点数据，大大提高了数据采集效率；并按照一定算法在网络鲁棒性、响应速度、数据速率、安装调试智能化水平和环境适应性等方面取得平衡。

第三部分：IEEE802.1网络认证

请求认证时，采集终端获得服务器发给通讯管理器的通讯密钥.验证这个链接，当认证成功时，节点获得其通讯链接密钥，通讯管理器接收其无线接收范围内的所有节点信号，在网络中新增节点可实现指定认证入网。

第四部分：采用IEEE802.15.4网络组网

先进的网状网络拓扑结构，每个节点都拥有多条备用路径，且网络可实现自维护、自修复，更好地适应各种复杂、多变的现场环境，高抗干扰能力，采用多信道跳频技术；免现场设置、全智能自动路径、无路径级数限制、无需额外增加中继的自动组网方式；通讯管理器节点衡量所有接收的采集终端路径并计算最短路径存入路径表中。

第五部分：IPv6地址注册

该系统网络节点可实现自注册入网，真正实现即插即用；通过通讯管理器收集采集终端ID号，并使用服务器平台来注册分配IPv6地址;采集终端发送IPv6请求,由其它采集终端中继到通讯管理器,并通讯管理器中继到服务器平台;采集终端更新路径需通知通讯管理器，由通过管理器更新最短路径表，但如果添加删除采集终端需上报服务平台添加删除分配的IPv6地址进行注册。

第六部分：改善电能质量措施

应从以下几个方面解决（1）改善用电功率因数，使无功就地平衡；（2）合理选择供电半径；（3）合理选择供电系统线路的导线截面；（4）合理配置变、配电设备，防止其过负荷运行；（5）适当选用调压措施，如串联补偿、变压器加装有载调压装置、安装同期调相机或静电电容器等。

需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。

Claims (4)

1.一种网络拓扑结构无线通讯的电能质量在线监测系统，其特征在于，包括采集终端、通讯管理器、服务器和上位机；

采集终端，用于采集公用电网供给用户端的交流电能数据，实现自组网及搭桥数据传输；

通讯管理器，用于判断并存储采集终端设备最短路径，通过分布式自组网实现与采集终端通信；

服务器，用于对通讯管理器IP地址自动分配至监测站，并将采集终端的数据传输至上位机；

上位机，用于将服务器上传的数据进行实时数据监测和分析；

所述采集终端通过传感器采集用户端的交流电能数据，通过无线发射模块将交流电能数据上传至通讯管理器，通讯管理器将交流电能数据通过无线发射塔无线传输至服务器，服务器通过将数据传输至上位机远程操控用户现场；

所述采集终端包括控制模块，控制模块分别连接有收发模块、中央处理单元、开关量处理单元、显示模块、存储芯片、电源模块、温度采模块、通讯模块和LED灯；其中，所述中央处理单元分别连接有电流转换单元和采集电阻，电流转换单元依次连接感应线圈和三相电流输入端，采集电阻连接三相电压输入端；开关量处理单元连接开关量输入端；

所述显示模块连接有液晶屏和LED灯；

所述通讯模块支持无线传输，或预留有有线通讯接口。

2.根据权利要求1所述的网络拓扑结构无线通讯的电能质量在线监测系统，其特征在于，所述通讯管理器包括控制中心，以及分别与控制中心相连的GPRS模块、接收模块、手持模块、电源模块、自组网模块和蓄电池；在控制中心上还设有网口模块和接口模块。

3.根据权利要求2所述的网络拓扑结构无线通讯的电能质量在线监测系统，其特征在于，所述自组网模块包括CPU，及与CPU分别相接的LAN滤波器、WAN滤波器、异步通信控制器、复位器、可编程控制电路、Flash、复位电路、EPROM芯片、SDROM内存、交换控制器、PowerPe芯片、时钟信号产生器和LED显示器。

4.根据权利要求1所述的网络拓扑结构无线通讯的电能质量在线监测系统，其特征在于，所述无线发射塔通过GPRS网络或internet网无线传输至服务器。