CN105141033A - 一种基于无线通信技术的配电终端管理系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于无线通信技术的配电终端管理系统及实现方法，通过4G和蓝牙通信技术的智能配电终端应用，所述4G通信技术在配电网领域的新应用，智能配电终端的无线通信技术及使用平板电脑连接4G网络访问外网服务器，实现现场作业的规范化管理，作业过程中通过4G网络实时与后台数据融合，保证移动系统与物联网主站系统的及时互通，以及具有4G通信技术的智能配电终端使用平板电脑实现非接触维护等现场作业。本发明提供的具有4G通信技术的智能配电网终端应用既能提高数据传输的灵活性，又能弥补电力行业工作现场的诸多不足，使配电终端进一步智能化、现代化和高效化。

Description

一种基于无线通信技术的配电终端管理系统及实现方法

技术领域

本发明涉及电力系统配电管理终端模块技术领域，尤其涉及一种基于无线通信技术的配电终端管理系统及实现方法。

背景技术

智能配电网的数据获取、数据保护和数据控制都需要高速、安全的实时通信系统的支持。传统的光纤通信和电力线载波通信方式，施工难度大，投资成本高，建设周期长，通常不具备环路条件，因此容易影响配电终端设备的通信；此外，在配电领域大多数终端由于分散安装，现场作业人员在实现复杂的线缆连接和设备安装、调试、维护及操作等工作都有诸多不便，并且存在安全隐患。

申请号为201320628580.X的专利涉及一种配电设备在线监测预警终端，包括电参数采集电路，信号预处理电路，单片机系统电路，通讯电路，报警电路，所述电参数采集电路包括有变压器温度检测电路、漏电信号检测电路、谐波信号采集电路、电压信号采集电路、电流信号采集电路、开关状态检测电路、避雷器泄漏检测传感器；所述信号预处理电路包括谐波检测分析单元电路和电参数检测分析单元电路；各电参数采集电路输出信号直接或经过信号预处理电路分别接入所述单片机系统电路；所述单片机系统电路连接通讯电路和报警电路。本实用新型能够及时了解配电线路及设备的工作状况，为配电系统末端用户提供高可靠、高质量的用电环境。

申请号为201420044829.7的专利公开了一种配电架空线路监测终端，包括：箱体、塑料螺栓和天线，其中，天线的尾部设置有外螺纹；箱体顶壁上设置有安装孔；塑料螺栓的螺杆穿入在安装孔中，并且塑料螺栓的螺栓头位于箱体外侧，位于箱体内的塑料螺栓的螺杆端部设置有塑料紧固螺母，塑料紧固螺母与塑料螺栓通过螺纹连接，将塑料螺栓与箱体相固定；箱体与塑料螺栓的接触面上涂覆有密封胶；塑料螺栓内设置有将所述螺杆两端贯穿的通孔，通孔内壁上设置有内螺纹；天线尾部通过螺纹连接方式安装在塑料螺栓的通孔中。该终端在保证防水的同时，提高了天线的通信性能，并且可以避免雷击导致内部电气部件造成损坏的问题。

无线通信作为光纤通信的有效补充，在配电领域的应用越来越广泛，如利用4G通信技术的灵活、高速和稳定等特点都能很好避免传统通信手段的缺点，具有维护方便、可灵活调整网络的特性，以及传输的高速度、高质量等有点，决定了其将成为配网领域的主要通信载体。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于无线通信技术的配电终端管理系统及实现方法，根据无线传输网络的成本和技术优势，结合现场配电设备的实际工况，能通过较低的成本和便捷的安装，提高数据传输的灵活性，弥补电力行业工作现场的诸多不足，使配电终端进一步智能化、现代化和高效化。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于无线通信技术的配电终端管理系统，包括智能配电终端、主站系统以及连接两者的无线通信网络，所述智能配电终端包括馈线控制端、组网模块以及与所述馈线控制端连接的故障处理器，所述无线通信网络包括远程无线网络和局域无线网络。

所述主站系统包括物联网主站系统；所述物联网主站系统通过所述远程无线网络连接移动运营商网络。

所述远程无线网络包括4G通信终端。

所述局域无线网络包括蓝牙收发设备和数据加密装置。

所述智能配电终端连接供源模块，所述供源模块包括平板电容器以及与其连接的整流器、降压转换器、蓄电池组。

所述馈线控制端包括FTU终端和控制器，所述FTU终端分别与所述组网模块、所述故障处理器连接，所述控制器通过所述局域无线网络与所述FTU终端连接。

所述组网模块包括mesh无线网络设备和增幅天线。

所述故障处理器包括报警器以及分别与其连接的过压检测装置、过流检测装置。

所述控制器包括便携式掌上智能终端。

一种基于无线通信技术的配电终端管理实现方法，包括下列步骤：

1）依托FTU终端组建馈线控制端，并通过组网模块组建自组织mesh架构，实现不同位置的智能配电终端的网络一体化；

2）自组织mesh架构通过远程无线网络连接到移动运营商内部网络，再通过移动运营商与物联网主站系统之间的有线专线连接到主站系统，实现大容量、高质量的数据传输及融合；

3）控制器通过局域无线网络连接自组织mesh架构，局域无线网络通过数据加密装置在架构信息链路上设置参数保护层，保证通信安全，为调试、维护以及操作提供方便、安全的有利保证。

本发明的核心在于无线通信技术在配电终端中的运用，主要包括三方面，一是通过无线自组织网模块将传统的个体馈线控制端联系起来，形成区域化、网络化的一体式智能配电终端管理层，这样做的好处在于在馈线控制端需要与就地控制器或远程主站系统连接时，无需进行多次的点对点连接，省去了单个馈线端向就地控制端、远方控制中心传输与处理的过程，整个处理时间也被大大缩短；二是利用远程无线网络实现智能配电终端与主站系统的联系，本方案中的远程无线网络包括4G通信终端，通过建立智能配电终端和实时系统的4G通信，实现实时与后台数据融合，保证移动系统与物联网主站系统的及时互通；智能配电终端通过4G通信终端连接到移动运营商内部网络，再通过移动运营商与物联网主站系统之间的有线专线连接到主站系统，通信终端使用专用的接入点接入到4G网络，在通过身份认证后或者无线网络的私有IP地址，与主站系统构成广域的虚拟专用TCP/IP网络，从而形成了智能配电终端与主站系统的双向通信链路，最终实现大容量、高质量的数据传输及融合；三是通过局域无线网络实现智能配电终端与就地控制器的连接，局域无线网络包括蓝牙收发设备和数据加密装置，控制器包括便携式掌上智能终端，可使用智能手机或平板电脑，这样就可以通过智能配电终端无线连接平板电脑，实现非接触维护，规范现场作业。智能配电终端与平板电脑采用蓝牙技术实现无线连接，蓝牙在链路层上通过使用蓝牙设备地址、认证私钥、加密私钥和随机码等多个参数保证通信安全，为调试、维护以及操作提供方便、安全等有利保证。

本方案中的智能配电终端包括馈线控制端、组网模块以及与所述馈线控制端连接的故障处理器，所述馈线控制端包括FTU终端和控制器，所述FTU终端分别与所述组网模块、所述故障处理器连接，所述控制器通过所述局域无线网络与所述FTU终端连接，FTU负责采集配电终端信息，包括各种运行参数信息（如电压、电流、功率和开关位置等），以光纤通信网络为媒介实现相邻FTU交换信息判断故障区段，并直接发送控制命令，控制开关动作；无线自组织网模块为自组织mesh无线网络设备，运行于470MHz-510MHz公共计量免申请频段，支持8-32个跳频频点同步慢跳频通信，网络组态采用自组织mesh架构，单跳可实现1~2公里范围内的传输距离，再加上增幅无线则传输距离更大；故障指示器是包括报警器以及用来检测过压、过流、接地故障的设备。增幅天线包括定向增益天线和全向旋转天线，所述定向增益天线为螺旋臂偶极子天线，通过同轴电缆与mesh无线网络设备相连；在采用无线传输时，为了实现传输的稳定性和高效性，增幅天线运用了两种，即定向增益天线和全向旋转天线，定向增益天线为螺旋臂偶极子天线，通过同轴电缆与mesh无线网络设备相连，能起到接收并调取参数指令和传输反馈信号的作用，从而降低了工程上调整天线之间方向性对准的难度；全向旋转天线是在法向方向为全向的小螺旋天线，起传递指令，并将信号反馈给无线通信网络的作用。这样配置天线的原理是：与信号采集器连接的天线要向多个子站发送指令脉冲信号，其安装位置可以在规定范围内随意调整，故其为定向的高增益天线；与各子站相连的天线位置安装是由被测点位置所决定的，安装方向可能会比较狭小且各个方向上都需要能接收到来自信号采集器的指令信号，故运用法向上全向的小螺旋天线，降低了工程上调整天线之间方向性对准的难度。

为了保证智能配电终端的使用稳定性，方案采用了与配电网互联的供源模块，供源模块包括平板电容器以及与其连接的整流器、降压转换器、蓄电池组，整流器包括功率放大器与频率控制器，功率放大器包括前端输入型OTL放大电路；频率控制器由三相不可控整流电路、H桥逆变电路、输出滤波器和串联谐振电路组成，供源模块直接安装在配电网的高压电场中，以平板电容器取能，并将感生电能经整流、降压等一系列转换最终输入蓄电池组。

本发明通过4G和蓝牙通信技术的智能配电终端应用，所述4G通信技术在配电网领域的新应用，智能配电终端的无线通信技术及使用平板电脑连接4G网络访问外网服务器，实现现场作业的规范化管理，作业过程中通过4G网络实时与后台数据融合，保证移动系统与物联网主站系统的及时互通，以及具有4G通信技术的智能配电终端使用平板电脑实现非接触维护等现场作业。本发明提供的具有4G通信技术的智能配电网终端应用既能提高数据传输的灵活性，又能弥补电力行业工作现场的诸多不足，使配电终端进一步智能化、现代化和高效化。

附图说明

图1是本发明配电终端管理系统的组成结构图。

图2是本发明配电终端管理方法流程图。

具体实施方式

实施例

如图1、图2所示，一种基于无线通信技术的配电终端管理系统，包括智能配电终端、主站系统以及连接两者的无线通信网络，智能配电终端包括馈线控制端1、组网模块4以及与馈线控制端连接的故障处理器5，无线通信网络包括远程无线网络6和局域无线网络7；主站系统包括物联网主站系统8；物联网主站系统8通过远程无线网络连接移动运营商网络9；远程无线网络包括4G通信终端；局域无线网络包括蓝牙收发设备10和数据加密装置11；智能配电终端连接供源模块12，供源模块包括平板电容器以及与其连接的整流器、降压转换器、蓄电池组；馈线控制端1包括FTU终端2和控制器3，FTU终端分别与组网模块、故障处理器连接，控制器通过局域无线网络与FTU终端连接；组网模块包括mesh无线网络设备13和增幅天线14；故障处理器包括报警器15以及分别与其连接的过压检测装置16、过流检测装置17；控制器包括便携式掌上智能终端。

基于无线通信技术的配电终端管理实现方法，包括以下几个方面：智能配电终端以及终端网络的组建；终端网络的远程连接模式实现；控制网络的局域控制模式实现。其实现步骤包括：1）依托FTU终端组建馈线控制端，并通过组网模块组建自组织mesh架构，实现不同位置的智能配电终端的网络一体化；2）自组织mesh架构通过远程无线网络连接到移动运营商内部网络，再通过移动运营商与物联网主站系统之间的有线专线连接到主站系统，实现大容量、高质量的数据传输及融合；3）控制器通过局域无线网络连接自组织mesh架构，局域无线网络通过数据加密装置在架构信息链路上设置参数保护层，保证通信安全，为调试、维护以及操作提供方便、安全的有利保证。

本发明的核心在于无线通信技术在配电终端中的运用，主要包括三方面，一是通过无线自组织网模块将传统的个体馈线控制端联系起来，形成区域化、网络化的一体式智能配电终端管理层，这样做的好处在于在馈线控制端需要与就地控制器或远程主站系统连接时，无需进行多次的点对点连接，省去了单个馈线端向就地控制端、远方控制中心传输与处理的过程，整个处理时间也被大大缩短。

二是利用远程无线网络实现智能配电终端与主站系统的联系，本方案中的远程无线网络包括4G通信终端，通过建立智能配电终端和实时系统的4G通信，实现实时与后台数据融合，保证移动系统与物联网主站系统的及时互通；智能配电终端通过4G通信终端连接到移动运营商内部网络，再通过移动运营商与物联网主站系统之间的有线专线连接到主站系统，通信终端使用专用的接入点接入到4G网络，在通过身份认证后或者无线网络的私有IP地址，与主站系统构成广域的虚拟专用TCP/IP网络，从而形成了智能配电终端与主站系统的双向通信链路，最终实现大容量、高质量的数据传输及融合。

4G通信技术关键特征是网络融合，传输速率更高，同时在安全和认证方面也提出了更高的要求。本发明在通信安全和认证过程中，通过移动终端与无线接入网建立了基于数字认证的双向身份认证机制，并在安全接入和安全传输方面，采用移动终端和无线接入网建立加密网关，从而终端和主站系统侧都能安全、可靠的收发数据。

三是通过局域无线网络实现智能配电终端与就地控制器的连接，局域无线网络包括蓝牙收发设备和数据加密装置，控制器包括便携式掌上智能终端，可使用智能手机或平板电脑，这样就可以通过智能配电终端无线连接平板电脑，实现非接触维护，规范现场作业。智能配电终端与平板电脑采用蓝牙技术实现无线连接，蓝牙在链路层上通过使用蓝牙设备地址、认证私钥、加密私钥和随机码等多个参数保证通信安全，为调试、维护以及操作提供方便、安全等有利保证。

本方案中的智能配电终端包括馈线控制端、组网模块以及与所述馈线控制端连接的故障处理器，所述馈线控制端包括FTU终端和控制器，所述FTU终端分别与所述组网模块、所述故障处理器连接，所述控制器通过所述局域无线网络与所述FTU终端连接，FTU负责采集配电终端信息，包括各种运行参数信息（如电压、电流、功率和开关位置等），以光纤通信网络为媒介实现相邻FTU交换信息判断故障区段，并直接发送控制命令，控制开关动作；无线自组织网模块为自组织mesh无线网络设备，运行于470MHz-510MHz公共计量免申请频段，支持8-32个跳频频点同步慢跳频通信，网络组态采用自组织mesh架构，单跳可实现1~2公里范围内的传输距离，再加上增幅无线则传输距离更大；故障指示器是包括报警器以及用来检测过压、过流、接地故障的设备。增幅天线包括定向增益天线和全向旋转天线，所述定向增益天线为螺旋臂偶极子天线，通过同轴电缆与mesh无线网络设备相连；在采用无线传输时，为了实现传输的稳定性和高效性，增幅天线运用了两种，即定向增益天线和全向旋转天线，定向增益天线为螺旋臂偶极子天线，通过同轴电缆与mesh无线网络设备相连，能起到接收并调取参数指令和传输反馈信号的作用，从而降低了工程上调整天线之间方向性对准的难度；全向旋转天线是在法向方向为全向的小螺旋天线，起传递指令，并将信号反馈给无线通信网络的作用。这样配置天线的原理是：与信号采集器连接的天线要向多个子站发送指令脉冲信号，其安装位置可以在规定范围内随意调整，故其为定向的高增益天线；与各子站相连的天线位置安装是由被测点位置所决定的，安装方向可能会比较狭小且各个方向上都需要能接收到来自信号采集器的指令信号，故运用法向上全向的小螺旋天线，降低了工程上调整天线之间方向性对准的难度。

为了保证智能配电终端的使用稳定性，方案采用了与配电网互联的供源模块，供源模块包括平板电容器以及与其连接的整流器、降压转换器、蓄电池组，整流器包括功率放大器与频率控制器，功率放大器包括前端输入型OTL放大电路；频率控制器由三相不可控整流电路、H桥逆变电路、输出滤波器和串联谐振电路组成，供源模块直接安装在配电网的高压电场中，以平板电容器取能，并将感生电能经整流、降压等一系列转换最终输入蓄电池组。

下面以某10KV架空线路的配电应用管理为例进行具体阐述：将本方案中馈线控制端的FTU终端分别安装在主干线上的分段开关处和联络开关处，在距离线路的某个分支线最近的FTU终端侧安装无线自组织网络的传输模块，在分支线上的分支开关上安置具有无线自组织网络通信模块的故障处理器，此时FTU终端和故障传感器的无线自组织网络通信模块便建立了主从网络节点关系，FTU终端侧连接的无线自组织网模块为主节点，便可通过已建立的无线自组织网络采集分支线路上分支开关的电气量，如电压、电流、有功功率、无功功率和故障数据，若距离较长，两者之间增加无线自组织网中继设备，如定向增益天线和全向旋转天线。

通过无线自组织网模块将个体馈线控制端联系起来，形成区域化、网络化的一体式智能配电终端管理层，这样就在一条配电架空线上，首先实现了整体线路的故障检测和处理。若故障发生则收集该线路上每个开关处的信息。若某一开关检测到某一相流过大于整定值的故障电流，则该开关处的FTU终端向相邻开关处的FTU终端发送信息。信息内容包括本开关处是否检测到故障、故障功率方向等；若该线路上所有开关处上报的故障功率方向都指向某个主干线配电区域内部，如果此区域没有分支线路，则可以判定故障发生在此配电区域内部。否则，若本区域内部的含无线自组织网络模块的FTU终端接收到来自某个分支开关故障指示器的故障信息，则故障发生在本配电区域的此支线部分，而主干线并没有故障，各个分段开关的FTU终端不需要控制开关跳闸，只需要分支开关跳闸即可；若本区域内部的含无线自组织网络模块的FTU终端没有接收到来自分支开关故障指示器的故障信息，则故障发生在本配电区域的主干线部分，则需要两端分段开关进行跳闸。通过跳开故障区域内各端点处的分段开关或者分支开关，将故障隔离在故障区段内部。

故障信息的提取和处理一方面由智能管理终端自行完成，另一方面分别通过远程无线网络和局域无线网络实现与主站系统、便携控制端的互联，智能配电终端与主站系统通过4G网络互联，通过4G通信终端连接到移动运营商内部网络，再通过移动运营商与物联网主站系统之间的有线专线连接到主站系统，通信终端使用专用的接入点接入到4G网络，在通过身份认证后或者无线网络的私有IP地址，与主站系统构成广域的虚拟专用TCP/IP网络，形成智能配电终端与主站系统的双向通信链路。便携控制端可以选择平板电脑，其特点在于轻便、可移动性强，同时又不失强大的功能，在和智能配电终端的无线传输方面，可实现文件、程序和数据等的无障碍连接。实现平板电脑服务于智能配电终端的调试、维护等作业，本发明从平板电脑的核心部分-操作系统入手，借助WindowsMobile操作系统对Windows移动终端设备进行二次软件开发，实现通过平板电脑对智能配电终端设备的调试及维护等操作，通过智能配电终端无线连接平板电脑，实现非接触维护，规范现场作业。智能配电终端与平板电脑采用蓝牙技术实现无线连接，蓝牙在链路层上通过使用蓝牙设备地址、认证私钥、加密私钥和随机码等多个参数保证通信安全。

Claims (10)

1.一种基于无线通信技术的配电终端管理系统，其特征在于：包括智能配电终端、主站系统以及连接两者的无线通信网络，所述智能配电终端包括馈线控制端、组网模块以及与所述馈线控制端连接的故障处理器，所述无线通信网络包括远程无线网络和局域无线网络。

2.如权利要求1所述的一种基于无线通信技术的配电终端管理系统，其特征在于：所述主站系统包括物联网主站系统；所述物联网主站系统通过所述远程无线网络连接移动运营商网络。

3.如权利要求1所述的一种基于无线通信技术的配电终端管理系统，其特征在于：所述远程无线网络包括4G通信终端。

4.如权利要求1所述的一种基于无线通信技术的配电终端管理系统，其特征在于：所述局域无线网络包括蓝牙收发设备和数据加密装置。

5.如权利要求1所述的一种基于无线通信技术的配电终端管理系统，其特征在于：所述智能配电终端连接供源模块，所述供源模块包括平板电容器以及与其连接的整流器、降压转换器、蓄电池组。

6.如权利要求1所述的一种基于无线通信技术的配电终端管理系统，其特征在于：所述馈线控制端包括FTU终端和控制器，所述FTU终端分别与所述组网模块、所述故障处理器连接，所述控制器通过所述局域无线网络与所述FTU终端连接。

7.如权利要求1所述的一种基于无线通信技术的配电终端管理系统，其特征在于：所述组网模块包括mesh无线网络设备和增幅天线。

8.如权利要求1所述的一种基于无线通信技术的配电终端管理系统，其特征在于：所述故障处理器包括报警器以及分别与其连接的过压检测装置、过流检测装置。

9.如权利要求6所述的一种基于无线通信技术的配电终端管理系统，其特征在于：所述控制器包括便携式掌上智能终端。

10.一种基于无线通信技术的配电终端管理实现方法，其特征在于：包括下列步骤：

1）依托FTU终端组建馈线控制端，并通过组网模块组建自组织mesh架构，实现不同位置的智能配电终端的网络一体化；

2）自组织mesh架构通过远程无线网络连接到移动运营商内部网络，再通过移动运营商与物联网主站系统之间的有线专线连接到主站系统，实现大容量、高质量的数据传输及融合；

3）控制器通过局域无线网络连接自组织mesh架构，局域无线网络通过数据加密装置在架构信息链路上设置参数保护层，保证通信安全，为调试、维护以及操作提供方便、安全的有利保证。