CN104301426A - 一种输电线路在线监控系统的无线通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，所述系统为基于ZIGBEE协议的无线通信系统；所述系统包括设置在输电线路主站的无线终端模块和设置在输电线路杆塔上的无线路由模块；所述无线终端模块用于接收所述无线路由模块的数据，同时向所述无线路由模块下发主站的命令数据；所述无线路由模块用于完成无线信号的路由的功能，同时也完成本段输电线路信息上报和命令接收执行的任务。所述系统可方便的实现高可靠性、高安全性的无线实时数据传输，且具有实时性好、安全性高、组网灵活的特点，可有效的节省空间和成本。

Description

一种输电线路在线监控系统的无线通信系统
技术领域：
本发明涉及一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，更具体涉及一种基于ZIGBEE协议的输电线路在线监控系统的无线通信系统。
背景技术：
随着现代电子技术的发展，在线监控在电力系统中的应用越来越普遍。通过远程检测电力线路系统的诸多参数，构造线路的可靠性模型，可为电网的调度和安全、稳定运行提供充分的依据。远程电力监控系统，主要是将变电站的二次设备经过功能组合和优化整合成一个整体，利用先进的计算机控制技术、现代电力电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电站输配电线路的自动监测、自动控制、微机保护以及调度，通信自动化等功能。然而由于我国电网覆盖面积广,输电距离长,地形复杂,有些线路还位于偏远山区和无人区,因此数据传输中通信问题是输电线路在线监控系统实现对线路进行实时在线检测和控制的关键性环节。虽然目前GPRS/GPS/GSM等无线网络的覆盖面已经比较广，绝大部分输电线路也已架设光纤，但对输电线路在线监控系统通信传输方面还存在一些弊端和困难：
输电线路在线监控系统一般运行在偏远山区，运行环境极为复杂、恶劣，GPRS/GPS/GSM/CDMA信号覆盖非常有限，信号也不是很稳定，无法满足输电线路在线监控系统实时数据通信的应用要求。
架空输电线路基本上铺设有光纤，但是光纤接口非常有限，同时有些供电公司提供光纤接口，一般不愿把光纤端口与电力专用传输混合通用。
为了克服现有的上述缺陷，本发明的输电线路无线通信方式提出了一种更加高效、成本更低的输电线路无线信号传输方式，更好的满足不同区域输电线路在线监控系统的通信需求。本发明所提出的无线通信方式实时性好、可靠性和稳定性高，同时由于采用了特殊的数据加密方式，有效地提高数据的保密安全性高。
发明内容：
本发明的目的是提供一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，本发明实现一种高效、可靠、安全的输电线路无线信号传输方式，有效地保证数据的安全性，无线信号传输的实时性、可靠性和稳定性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，所述系统为基于ZIGBEE协议的无线通信系统；所述系统包括设置在输电线路主站的无线终端模块和设置在输电线路杆塔上的无线路由模块；
所述无线终端模块用于接收所述无线路由模块的数据，同时向所述无线路由模块下发主站的命令数据；
所述无线路由模块用于完成无线信号的路由的功能，同时也完成本段输电线路信息上报和命令接收执行的任务。
本发明提供的一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，所述无线终端模块和无线路由模块均为无线通信模块，包括CT取能电源单元、解密单元、处理器单元、加密单元、ZIGBEE模块单元和天线；所述ZIGBEE模块单元包括无线接收单元和无线发射单元；所述天线包括接收天线和发射天线。
本发明提供的一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，在所述无线终端模块中，所述CT取能电源单元，用于为所述模块提供电源；
所述无线接收单元将通过天线接收到的无线信号解析得到加密的输电线路电路的状态量信息，并发送给解密单元；
所述解密单元将接收到的信息解密，并将解密之后的输电线路电路的状态量信息发送给处理器单元；
所述处理器单元将输电线路电路的状态量信息通过光纤连接发送到后台；同时处理器单元接受后台对输电线路的控制命令字，并发送给加密单元；
所述加密单元将所述命令字加密后发送给无线发射模块；
所述无线发射单元将加密之后的命令字信息转成无线信号，通过发射天线发射出；
所述天线用于接收和发送无线信号。
本发明提供的另一优选的一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，在所述无线路由模块中，所述CT取能电源单元，用于为所述模块提供电源；
所述无线接收单元将通过天线接收到的无线信号解析得到加密的从主站发送过来的输电线路的控制命令信息，并发送给解密单元；
所述解密单元将接收到的控制命令信息解密，并将解密之后的输电线路的控制命令信息发送给处理器单元；
所述处理器单元将根据命令字信息进行相应的动作；同时处理器单元处理器单元将采集到的本段输电线路的电路状态量信息发送给加密单元；
所述加密单元将所述输电线路的电路状态量信息加密后发送给无线发射模块；
所述无线发射单元将加密之后的输电线路的电路状态量信息转成无线信号，通过发射天线发射出；
所述天线用于接收和发送无线信号。
本发明提供的再一优选的一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，所述取能电源单元包括取能线圈；所述取能线圈与前端抗冲击保护电路的输入端连接；所述前端抗冲击保护电路的输出端通过加法器1与整流滤波电路的输入端连接；所述整流滤波电路的输出端通过加法器2分别与DC/DC电源模块的输入端和储能保护电路的输入端连接；在所述加法器1和加法器2间设有用于调节所述整流滤波电路的输入端电压的电压反馈支路。
本发明提供的又一优选的一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，在所述取能线圈中设有与其感应的输电导线；所述DC/DC电源模块与负载连接。
本发明提供的又一优选的一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，所述天线设置在圆柱形的铁壳中。
本发明提供的又一优选的一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，每个所述杆塔上的每相导线上均设有无线路由模块。
本发明提供的又一优选的一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，当所述输电线路杆塔上的任意一个无线路由模块的数据要传到输电线路主站处的无线终端模块时，根据路由最佳路径选择输电线路上的其他无线路由模块作为路由中继，将数据信息传送到主站。
本发明提供的又一优选的一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，所有所述无线通信模块按照Mesh拓扑结构运行，并自动决策无线传输路径；当输电线路中任何一个所述无线通信模块发生故障时，该区间内的无线路由模块将自动调整无线链路，重新选择无线信号的传输路径，保证无线信号传输的连续性。
和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果
1、本发明实现一种高效、可靠、安全的输电线路无线信号传输方式，有效地保证数据的安全性，并有效的保证无线信号传输的实时性、可靠性和稳定性；
2、本发明采取Mesh无线组网解决方案，实现无线网络覆盖。而Mesh无线网络采用ZIGBEE协议的无线通信模块组成；
3、本发明的系统体积小，易于集成；成本低，通信距离长，可以达到2KM，具有路由和终端两个功能；
4、本发明无线通信模块通信实时性好、可靠性高、稳定性高，信内容保密性能高；
5、本发明的组网方式灵活，扩展性高；保证无线信号传输的连续性。
附图说明
图1为本发明的系统图；
图2为本发明的取能电路图；
图3为本发明的传输线路图。
具体实施方式
下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
实施例1：
如图1-3所示，本例的发明一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，所述系统为基于ZIGBEE协议的无线通信系统；所述系统包括设置在输电线路主站的无线终端模块和设置在输电线路杆塔上的无线路由模块；
所述无线终端模块用于接收所述无线路由模块的数据，同时向所述无线路由模块下发主站的命令数据；
所述无线路由模块用于完成无线信号的路由的功能，同时也完成本段输电线路信息上报和命令接收执行的任务。
所述无线终端模块和无线路由模块均为无线通信模块如图1所示，包括CT取能电源单元、解密单元、处理器单元、加密单元、ZIGBEE模块单元和天线；所述ZIGBEE模块单元包括无线接收单元和无线发射单元；所述天线包括接收天线和发射天线。
本实例中，无线通信模块中的无线发射模块和无线接收模块采用了ZIGBEE模块产品F8913D-E-NS。ZIGBEE模块产品F8913D-E-NS工作在2.4GHz的公共频段上；通信距离可以达到2Km；具备中继路由和终端设备的功能,因此同一个无线通信模块可以用来完成数据通信的任务,同时也可以完成数据路由的任务；中心节点、路由节点、终端节点可以任意设置；功耗很低。
供电系统采用高电位输电线路CT取能电源，这样可以保证在线监控系统不受天气、光照时间等外界因素的影响，有效地提高在线监控系统的实时性。取能电源的框图如图2所示；所述取能电源单元包括取能线圈；所述取能线圈与前端抗冲击保护电路的输入端连接；所述前端抗冲击保护电路的输出端通过加法器1与整流滤波电路的输入端连接；所述整流滤波电路的输出端通过加法器2分别与DC/DC电源模块的输入端和储能保护电路的输入端连接；在所述加法器1和加法器2间设有用于调节所述整流滤波电路的输入端电压的电压反馈支路。在所述取能线圈中设有与其感应的输电导线；所述DC/DC电源模块与负载连接。
所有无线连接采用2.4GHz频段的无线互联，配合高增益的定向天线，最大限度的节省光纤架设或者租用成本，同时有利于不受电晕破坏的安装。
定向天线被安装在一个特制的圆柱状的圆导角的铁壳内；这样可以减小电晕对天线产生的破坏，同时减小高电压产成的电场对无线信号造成的干扰。
所述无线通信模块具有如下特点:
1、体积小；
2、成本低；
3、无线通信距离长，可以达到2KM；
4、无线模块具有路由和终端两个功能；
5、无线模块通信实时性好、可靠性高、稳定性高；
6、无线模块通信内容保密性能高；
输电线路主站采用的无线通信模块工作在终端模式，称之为无线终端模块。输电线路的每个杆塔每回每导线上安装的无线通信模块，工作在路由模式，称之为无线路由模块；由于线路距离很长，杆塔较多，每个杆塔的每相导线上有一个无线通信模块，作为无线路由模块，因此线路上无线路由模块很多。这样一个无线终端模块加上很多个无线路由模块，就构成了输电线路在线监控系统的无线通信的无线传输通道。
线路主站安装的无线通信模块，作为终端模块，要接收线路中每个模块的数据，同时也要向每个模块下发主站的命令数据。主站的无线通信模块将接收到的无线信号解析得到加密的线路电路的状态量信息，并且发送给解密单元；解密单元将接收到的信息解密，并且将解密之后的线路电路的状态量信息发送给处理器单元；最后处理器单元将线路电路的状态量通过光纤连接发送到后台；同时处理器单元接受后台对线路的控制命令字，发送给加密单元；加密单元将此命令字加密后发送给无线发射模块，无线发射模块将加密之后的命令字信息转成无线信号，通过发射天线发射出。
输电线路的杆塔安装的无线通信模块,作为路由模块，即完成无线信号的路由的功能，同时也完成本段线路信息上报和命令接收执行的任务。由于无线通信模块的通信距离只有2KM，而一条线路的长度要达到几百公里，数据要在线路上传输，只有通过无线通信模块数据的级联才可以实现；无线数据的级联通过路由来实现。在本例中,如图3所示，线路上的无线通信模块A3的数据要传到主站处的无线终端模块，线路上的无线通信模块A1作为无线路由模块，A3的无线信号经过A1的路由中继，数据原封不动的被传送到主站；同时无线通信模块A3的接收天线接收到从主站路由发送过来的线路的控制命令信息,经过解密解包之后,得到属于本段线路的控制命令信息,处理器单元会根据命令字信息进行相应的动作；本模块处理器单元将采集到的本段线路的电路参数加密，通过一级一级级联的无线路由通道上传到主站，这样就实现了信息上报和命令执行的任务。
如图3所示一回线路的无线模块的分布图；无线模块分布在高压线路沿线，线路的主站内安装一个无线终端模块，每个杆塔每回每导线都有一个无线模块，在离主站最近的杆塔处安装A相导线上安装无线路由模块A1，B相导线上安装无线路由模块B1，C相导线上安装无线路由模块C1，在第二个杆塔处安装A相导线上安装无线路由模块A2，B相导线上安装无线路由模块B2，C相导线上安装无线路由模块C2，在第三个杆塔处安装A相导线上安装无线路由模块A3，B相导线上安装无线路由模块B3，C相导线上安装无线路由模块C3，以此类推，直到整个线路两个主站之间的所有杆塔，保证整条线路的无线传输通道的传输路径的完整性。由于杆塔的距离在200—500m,无线模块的无线信号的通信距离在2Km,无线模块A1发出的无线信号可以被A2、B2、C2以及A3、B3、C3接受，当所有无线模块按照Mesh拓扑结构运行后，各个无线通信模块自动决策无线传输路径。当线路中任何一个站点的无线通信模块发生故障时，该区间内的无线路由模块将自动调整无线链路，重新选择无线信号的传输路径，保证无线信号传输的连续性。
本发明采取以下Mesh无线组网解决方案，实现无线网络覆盖。而Mesh无线网络采用ZIGBEE协议的无线通信模块组成。
ZIGBEE作为一种为自动化控制数据传输而建立的网络，具有如下特点：
1、低功耗；
2、低成本；
3、短时延，时延可以达到ms数量级；
4、网络容量大，一个网络中最大可以容纳65000个节点，并且组网灵活；
5、可靠性高，由于采取了碰撞避免策略，避开了传输数据的竞争和冲突；同时MAC层采用了完全确认的数据传送模式，每个发送的数据包都要等待接受方的确认信息。如果传输过程出现问题可以进行重发。
6、安全性高，采用了基于循环冗余校验的数据完整性检查功能，又增加了AES-128的加密算法保证了数据的安全性；
7、数据传输速率块，可以达到250Kbit/s；
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，所述系统为基于ZIGBEE协议的无线通信系统；其特征在于：所述系统包括设置在输电线路主站的无线终端模块和设置在输电线路杆塔上的无线路由模块；
所述无线终端模块用于接收所述无线路由模块的数据，同时向所述无线路由模块下发主站的命令数据；
所述无线路由模块用于完成无线信号的路由的功能，同时也完成本段输电线路信息上报和命令接收执行的任务。
2.如权利要求1所述的一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，其特征在于：所述无线终端模块和无线路由模块均为无线通信模块，包括CT取能电源单元、解密单元、处理器单元、加密单元、ZIGBEE模块单元和天线；所述ZIGBEE模块单元包括无线接收单元和无线发射单元；所述天线包括接收天线和发射天线。
3.如权利要求2所述的一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，其特征在于：在所述无线终端模块中，所述CT取能电源单元，用于为所述模块提供电源；
所述无线接收单元将通过天线接收到的无线信号解析得到加密的输电线路电路的状态量信息，并发送给解密单元；
所述解密单元将接收到的信息解密，并将解密之后的输电线路电路的状态量信息发送给处理器单元；
所述处理器单元将输电线路电路的状态量信息通过光纤连接发送到后台；同时处理器单元接受后台对输电线路的控制命令字，并发送给加密单元；
所述加密单元将所述命令字加密后发送给无线发射模块；
所述无线发射单元将加密之后的命令字信息转成无线信号，通过发射天线发射出；
所述天线用于接收和发送无线信号。
4.如权利要求2所述的一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，其特征在于：在所述无线路由模块中，所述CT取能电源单元，用于为所述模块提供电源；
所述无线接收单元将通过天线接收到的无线信号解析得到加密的从主站发送过来的输电线路的控制命令信息，并发送给解密单元；
所述解密单元将接收到的控制命令信息解密，并将解密之后的输电线路的控制命令信息发送给处理器单元；
所述处理器单元将根据命令字信息进行相应的动作；同时处理器单元处理器单元将采集到的本段输电线路的电路状态量信息发送给加密单元；
所述加密单元将所述输电线路的电路状态量信息加密后发送给无线发射模块；
所述无线发射单元将加密之后的输电线路的电路状态量信息转成无线信号，通过发射天线发射出；
所述天线用于接收和发送无线信号。
5.如权利要求3或4所述的一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，其特征在于：所述取能电源单元包括取能线圈；所述取能线圈与前端抗冲击保护电路的输入端连接；所述前端抗冲击保护电路的输出端通过加法器1与整流滤波电路的输入端连接；所述整流滤波电路的输出端通过加法器2分别与DC/DC电源模块的输入端和储能保护电路的输入端连接；在所述加法器1和加法器2间设有用于调节所述整流滤波电路的输入端电压的电压反馈支路。
6.如权利要求5所述的一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，其特征在于：在所述取能线圈中设有与其感应的输电导线；所述DC/DC电源模块与负载连接。
7.如权利要求2-4任意一项所述的一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，其特征在于：所述天线设置在圆柱形的铁壳中。
8.如权利要求1所述的一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，其特征在于：每个所述杆塔上的每相导线上均设有无线路由模块。
9.如权利要求1-4任意一项所述的一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，其特征在于：当所述输电线路杆塔上的任意一个无线路由模块的数据要传到输电线路主站处的无线终端模块时，根据路由最佳路径选择输电线路上的其他无线路由模块作为路由中继，将数据信息传送到主站。
10.如权利要求2-3任意一项所述的一种输电线路在线监控系统的无线通信系统，其特征在于：所有所述无线通信模块按照Mesh拓扑结构运行，并自动决策无线传输路径；当输电线路中任何一个所述无线通信模块发生故障时，该区间内的无线路由模块将自动调整无线链路，重新选择无线信号的传输路径，保证无线信号传输的连续性。
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