CN103298011A - 配电网线路故障在线监测定位系统及通讯方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网线路故障在线监测定位系统，包括线路故障指示器、无线采集器、无线自组网络和监测主站，无线采集器与监测主站之间通过无线自组网络无线通讯连接，无线自组网络包括一个中心节点和多个传感节点，中心节点与传感节点之间、多个传感节点之间均为无线通讯连接。本发明还公开了一种配电网线路故障可视化定位系统采用的通讯方法，其无线自组网络的组网方法包括以下步骤：节点上电初始化；开始组网；邻居发现和场强测量；场强收集；路由规划及配置；正常工作。通过本发明进行配电网线路故障在线监测定位，能够快速组网，结构灵活，数据传输可靠、接收完整，无线通信信号无盲区，且只需一次性投入，无需运行费用，降低了运行成本。

Description

配电网线路故障在线监测定位系统及通讯方法

技术领域

本发明涉及一种配电网线路故障监测定位系统，尤其涉及一种依赖于无线自组网络的配电网线路故障在线监测定位系统及通讯方法。

背景技术

随着电力系统不断发展，配电线路故障越来越多。为减少线路故障后的寻查工作量，缩短故障修复时间，节约大量的人力、物力，提高供电可靠性，减少停电损失，加强并提高系统运行管理水平，迫切需要在系统发生故障后能迅速、准确地查找到故障点，线路故障点的准确定位显得越来越重要。

传统的配电网线路故障监测定位系统，大都采用GSM或GPRS等通信网络进行数据传输，故障指示器检测出故障信息，并将其传输给信息采集器，再由信息采集器传输给GSM或GPRS等通信网络，最终传输给监测主站。而GSM或GPRS等通信网络能够实现通信需要通信基站，在山区等远离基站或不宜建有大型通讯基站的地方是无法实现通信的，存在着通信盲区。与此同时，GSM或GPRS等通信网络的运行是需要费用的，因为配电网线路本身是一个庞大的电力网，所以通信费用是相当多的，其运行费用成本高。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种没有通讯盲区、运行费用低的配电网线路故障在线监测定位系统及通讯方法。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明所述配电网线路故障在线监测定位系统包括线路故障指示器、无线采集器、无线自组网络和监测主站，所述线路故障指示器与所述无线采集器无线通讯连接，所述无线采集器与所述监测主站之间通过所述无线自组网络无线通讯连接，所述无线自组网络包括一个中心节点和多个传感节点，所述中心节点与所述传感节点之间、多个所述传感节点之间均为无线通讯连接，所述中心节点与所述监测主站之间无线通讯连接。

作为优选，所述无线自组网络为Zigbee网络。

本发明所述配电网线路故障可视化定位系统采用的通讯方法包括所述无线自组网络的组网方法，所述组网方法包括以下步骤：

（1）节点上电初始化：所有节点在上电或复位之后，自动获取其关联设备的地址，以设备地址替换自己的扩展地址，并且产生短地址；同时，节点进入游离扫描阶段，在16个信道组的第一频道中依次扫描接收，同时每隔一个时间周期在上述频道中发出主动入网申请；

（2）开始组网：在监测主站发出组网命令之后，中心节点进入组网状态，发出组网信标开始组网；

（3）邻居发现和场强测量：中心节点组网时，构造好MAC层信标负载内容后，然后启动MAC层在起始时隙发送一个信标帧，传感节点扫描规定信道组时，在接收到一个网络的信标帧时，将发送信标帧的源节点的PanID、短地址、扩展地址添加进自己的邻居表，并记录接收到信标帧的场强信息；然后检查信标负载中的信标标识字节，判断自己是否已转发过本次组网信标，如果已转发过，则终止本次处理；如果还没有转发过，则构建自己的信标帧负载信息，再判断层数和圈数是否大于最大值，如果均不大于，则调用MAC层信标发送服务在指定的时隙或圈数发送出信标帧；中心节点在发出组网信标帧之后，也侦听本信道组，如果接收到传感节点转发的信标帧后，也将发送源节点的信息添加进邻居表并记录接收到的场强信息；

（4）场强收集：中心节点在发出组网信标帧之后等待整个网络的信标转发完成后，开始收集传感节点的场强表信息；中心节点首先取自己的邻居表信息，依次向在自己周围一跳范围内的1级传感节点发送“搜索场强信息请求命令”，在收到1级传感节点的“搜索场强信息回复命令”后，将1级传感节点的邻居场强信息添加进自己的场强信息表；在收集完所有1级传感节点的场强信息后，再以1级传感节点为中继节点，继续收集2级传感节点的场强信息表；以此类推，中心节点逐级收集所有传感节点的场强信息，直到电能表档案中所有电能表对应传感节点全部收集完毕，或者已经没有能够中继到达的传感节点为止；

（5）路由规划及配置：中心节点在收集完所有的能够搜集到的传感节点的场强信息表之后，开始按照节点档案，依次对本中心节点所管理的传感节点进行配置，并且使之从半游离状态转换为在网工作状态，此功能通过发送配置传感节点请求命令并接收到配置传感节点回复命令来实现；配置传感节点请求命令中同时为传感节点配置了3条上行中继路径；

正常工作：中心节点在完成对传感节点的信息配置之后，即转入正常工作阶段；同时，传感节点在半游离状态中如果接收到中心节点的配置命令之后亦进入到正常的在网工作阶段，以完成正常的数据采集任务。

本发明的有益效果在于：

通过本发明进行配电网线路故障在线监测定位，能够快速组网，结构灵活，数据传输可靠、接收完整，无线通信信号无盲区，且只需一次性投入，无需运行费用，降低了运行成本。本发明采用的无线自组网络及组网方法，其具体优点表现为：

采用MESH网状网结构，对使用环境的适应性强，节点数量和网络覆盖范围伸缩性强；免配置，传感节点即放即用，无线任何初始化配置工作；自动路由，无需人工干预，节点之间自动建立数据传输的路由关系，当新节点加入到系统中之后，能够立即建立新路由，中心节点能够在无人工干预情况下，自动管理下属无线节点的中继路由关系；节点上行和下行传输都具有冗余路径，当路由中的某个中继节点拆除或故障后，系能够立即自动找到一条新路由，保证抄收成功率；中心节点能够按照指令或自动发起管理下属传感节点的信道频率，从某个信道切换到另一个信道；扫频跳频：发送方检测到信道干扰或冲突，自动切换到其他信道发送数据；接收方扫描多个信道，当定位到发送方的数据信道后，接收数据；所有节点具备载波侦听和冲突避让功能。

附图说明

图1是本发明所述配电网线路故障在线监测定位系统的系统框图；

图2是本发明所述无线自组网络的结构示意图；

图3是本发明所述组网方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步具体描述：

如图1和图2所示，本发明所述配电网线路故障在线监测定位系统包括线路故障指示器、无线采集器、无线自组网络和监测主站，线路故障指示器与无线采集器无线通讯连接，无线采集器与监测主站之间通过无线自组网络无线通讯连接，无线自组网络包括一个中心节点和多个传感节点，中心节点与传感节点之间、多个传感节点之间均为无线通讯连接，中心节点与监测主站之间无线通讯连接。本例中的线路故障指示器包括A相故障指示器、B相故障指示器、C相故障指示器，均为常规设备；本例中的无线自组网络采用Zigbee网络，各节点之间的无线通讯采用就近原则；网络中的传感节点为五个，也可以为其它任意多个。

如图1所示，使用时，线路故障指示器挂装在电力传输网络上需要监测的位置（如：变电站出线、开关单侧或两侧、重要分支出线和电缆接头处等），每条线路装1组（共3只，即A相故障指示器、B相故障指示器、C相故障指示器）,在附近安装1台无线采集器（采用常规无线采集器）。当线路运行状态发生异常变化（短路、接地、断电）时，线路故障指示器能即时响应故障信号，故障报警时在白天窗口翻红牌，在夜晚则红色发光二极管闪亮，在无线采集装置轮询到自己时将“及时应答”或者立即主动发送动作信息，将变化的各种信号以编码的方式通过微功率无线通信模块进行发射，并最终在监测主站的显示装置上显示出故障区域，并发出报警，以实现这些监测点的在线监测（遥测）、线路故障检测与定位（遥信）。

无线采集器采用常规的大功率太阳能电池板和低压取电技术（架空线路），或者开口CT取电和短路冲击电流保护技术（电缆系统）。线路故障指示器和无线采集器都带有四字节全球唯一通信地址，用于无线采集器对线路故障指示器的识别；无线采集器还带有一字节101协议通信地址，用于无线采集器与监测主站之间的地址识别。

无线采集器与线路故障指示器采用短距离无线调频组网通信，无线采集器与监测主站之间采用无线自组网络进行通信，故障发生时，将报警信息实时发往监测主站的SCADA（数据采集与监视控制系统）或GIS(气体绝缘金属封闭开关设备)系统，同时以短信的形式通知电力维修人员。

如图2所示，低功耗是无线自组网络的一大特点，为了延长网络寿命需要考虑提高能量效率，所有节点在无需参与网络工作时进入睡眠状态；节点会动态的加入和离开网络，要求网络具有良好的可扩展性；无线传感网络要求不依赖于固定的基础设施，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络、多跳（Multi-hop）路由、动态拓扑；网络中所有节点地位平等，是一个对等式网络。任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。

如图2和图3所示，本发明所述配电网线路故障可视化定位系统采用的通讯方法包括所述无线自组网络的组网方法，所述组网方法包括以下步骤：

（1）节点上电初始化：所有节点在上电或复位之后，自动获取其关联设备的地址，以设备地址替换自己的扩展地址，并且产生短地址；同时，节点进入游离扫描阶段，在16个信道组的第一频道中依次扫描接收，同时每隔一个时间周期在上述频道中发出主动入网申请；

（2）开始组网：在监测主站发出组网命令之后，中心节点进入组网状态，发出组网信标开始组网；

（3）邻居发现和场强测量：中心节点组网时，构造好MAC层信标负载内容后，然后启动MAC层在起始时隙发送一个信标帧，传感节点扫描规定信道组时，在接收到一个网络的信标帧时，将发送信标帧的源节点的PanID、短地址、扩展地址添加进自己的邻居表，并记录接收到信标帧的场强信息；然后检查信标负载中的信标标识字节，判断自己是否已转发过本次组网信标，如果已转发过，则终止本次处理；如果还没有转发过，则构建自己的信标帧负载信息，再判断层数和圈数是否大于最大值，如果均不大于，则调用MAC层信标发送服务在指定的时隙或圈数发送出信标帧；中心节点在发出组网信标帧之后，也侦听本信道组，如果接收到传感节点转发的信标帧后，也将发送源节点的信息添加进邻居表并记录接收到的场强信息；

（4）场强收集：中心节点在发出组网信标帧之后等待整个网络的信标转发完成后，开始收集传感节点的场强表信息；中心节点首先取自己的邻居表信息，依次向在自己周围一跳范围内的1级传感节点发送“搜索场强信息请求命令”，在收到1级传感节点的“搜索场强信息回复命令”后，将1级传感节点的邻居场强信息添加进自己的场强信息表；在收集完所有1级传感节点的场强信息后，再以1级传感节点为中继节点，继续收集2级传感节点的场强信息表；以此类推，中心节点逐级收集所有传感节点的场强信息，直到电能表档案中所有电能表对应传感节点全部收集完毕，或者已经没有能够中继到达的传感节点为止；

（5）路由规划及配置：中心节点在收集完所有的能够搜集到的传感节点的场强信息表之后，开始按照节点档案，依次对本中心节点所管理的传感节点进行配置，并且使之从半游离状态转换为在网工作状态，此功能通过发送配置传感节点请求命令并接收到配置传感节点回复命令来实现；配置传感节点请求命令中同时为传感节点配置了3条上行中继路径；

（6）正常工作：中心节点在完成对传感节点的信息配置之后，即转入正常工作阶段；同时，传感节点在半游离状态中如果接收到中心节点的配置命令之后亦进入到正常的在网工作阶段，以完成正常的数据采集任务。

Claims (3)

1.一种配电网线路故障在线监测定位系统，包括线路故障指示器、无线采集器和监测主站，所述线路故障指示器与所述无线采集器无线通讯连接，其特征在于：还包括无线自组网络，所述无线采集器与所述监测主站之间通过所述无线自组网络无线通讯连接，所述无线自组网络包括一个中心节点和多个传感节点，所述中心节点与所述传感节点之间、多个所述传感节点之间均为无线通讯连接，所述中心节点与所述监测主站之间无线通讯连接。

2.根据权利要求1所述的配电网线路故障在线监测定位系统，其特征在于：所述无线自组网络为Zigbee网络。

3.一种如权利要求1所述的配电网线路故障可视化定位系统采用的通讯方法，其特征在于：包括所述无线自组网络的组网方法，所述组网方法包括以下步骤：

（1）节点上电初始化：所有节点在上电或复位之后，自动获取其关联设备的地址，以设备地址替换自己的扩展地址，并且产生短地址；同时，节点进入游离扫描阶段，在16个信道组的第一频道中依次扫描接收，同时每隔一个时间周期在上述频道中发出主动入网申请；

（2）开始组网：在监测主站发出组网命令之后，中心节点进入组网状态，发出组网信标开始组网；

（3）邻居发现和场强测量：中心节点组网时，构造好MAC层信标负载内容后，然后启动MAC层在起始时隙发送一个信标帧，传感节点扫描规定信道组时，在接收到一个网络的信标帧时，将发送信标帧的源节点的PanID、短地址、扩展地址添加进自己的邻居表，并记录接收到信标帧的场强信息；然后检查信标负载中的信标标识字节，判断自己是否已转发过本次组网信标，如果已转发过，则终止本次处理；如果还没有转发过，则构建自己的信标帧负载信息，再判断层数和圈数是否大于最大值，如果均不大于，则调用MAC层信标发送服务在指定的时隙或圈数发送出信标帧；中心节点在发出组网信标帧之后，也侦听本信道组，如果接收到传感节点转发的信标帧后，也将发送源节点的信息添加进邻居表并记录接收到的场强信息；

（4）场强收集：中心节点在发出组网信标帧之后等待整个网络的信标转发完成后，开始收集传感节点的场强表信息；中心节点首先取自己的邻居表信息，依次向在自己周围一跳范围内的1级传感节点发送“搜索场强信息请求命令”，在收到1级传感节点的“搜索场强信息回复命令”后，将1级传感节点的邻居场强信息添加进自己的场强信息表；在收集完所有1级传感节点的场强信息后，再以1级传感节点为中继节点，继续收集2级传感节点的场强信息表；以此类推，中心节点逐级收集所有传感节点的场强信息，直到电能表档案中所有电能表对应传感节点全部收集完毕，或者已经没有能够中继到达的传感节点为止；

（5）路由规划及配置：中心节点在收集完所有的能够搜集到的传感节点的场强信息表之后，开始按照节点档案，依次对本中心节点所管理的传感节点进行配置，并且使之从半游离状态转换为在网工作状态，此功能通过发送配置传感节点请求命令并接收到配置传感节点回复命令来实现；配置传感节点请求命令中同时为传感节点配置了3条上行中继路径；

（6）正常工作：中心节点在完成对传感节点的信息配置之后，即转入正常工作阶段；同时，传感节点在半游离状态中如果接收到中心节点的配置命令之后亦进入到正常的在网工作阶段，以完成正常的数据采集任务。

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