CN105357096A - 基于ZigBee网络的智能变电站传感器在线检测组网方法 - Google Patents

基于ZigBee网络的智能变电站传感器在线检测组网方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于ZigBee网络的智能变电站传感器在线检测组网方法，在本方法中，在变电站设备的站控层采用ZigBee星型组网的拓扑结构，在站控层中，ZigBee应用层协调器节点负责网络的初始化，启动及建立；在间隔层和过程层采用双星型组网的拓朴结构并将两层组建为一层新的子网络；在新建的子网中，协调器节点接收上位机端发送的控制命令，并将其通过ZigBee网络发送给各传感器检测节点，检测节点则根据命令，负责采集设备的工作状态数据信息，并上传数据至ZigBee协调器；传感器和协调器模块则分布式配置在变电站设备群中，通过有线/无线的通信方式，与TCP/IP以太网服务器相连。本方法大大降低了由于人工检修难度和诸如设备老化、天气等自然因素而造成的重大影响，具有很好的应用前景。

Description

基于ZigBee网络的智能变电站传感器在线检测组网方法
技术领域
本发明属于智能变电站传感器在线监测组网技术领域，涉及一种基于ZigBee网络的智能变电站传感器在线检测组网方法。
背景技术
目前，我国智能化变电站的通信网络系统正向着具有站内信息数字化、通信平台网络化、信息技术共享化等标准化方向发展，而该新型技术在变电站的站控层采用ZigBee网络的星型拓网络扑结构；而间隔层和过程层则同时采用双星型的组网方式，使得电网通信系统中的过程层和间隔层的通信网络组建成为一层新的ZigBee控制子网络；然后，将ZigBee传感器模分布式配置在站内的变压器(室内，室外)，断路器(室内，室外)、母线(室内，室外)、电容器(室内，室外)、变电柜(内部，外部)、隔离开关(室内，室外)等设备。
数字式变电站的组网系统多是在间隔层和过程层采用ZigBee簇型网络拓扑来完成组网。上述分层网络方式的一方面组网范围大，但是受限于网络组建难度大，布线数量多，且要求网络中的协调器和路由器必须是全功能设备；另一方面，在变电站的通信系统组网中，由于ZigBee网络本身的分布特性，ZigBee网络中协调器在完成网络的建立和启动后，接下来整个网络的操作就不再依赖协调器是否存在，此时，协调器的作用就会像一个路由器，因此，协调器节点的作用又将和路由器节点的作用发生冲突，浪费了路由节点和部分传感器节点资源。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于ZigBee网络的智能变电站传感器在线检测组网方法，该方法在变电站的站控层采用ZigBee星型网络拓扑结构完成组网，完成站内当地监控，人机联系功能及对间隔层和过程层各设备的在线维护，在线修改参数、在线组态等过程。在间隔层和过程层则采用双星型网络拓朴结构完成组网，合并该两层的通信网络组建并共建为一层新的通信子网；然后，将传感器节点分布式配置在站内设备群中。ZigBee网络协调器节点与站控层以有线/无线的方式通信，并上传新建子网中检测节点采集的数据至上位机服务器；ZigBee网络控制子网则是通过分布的传感器检测节点，在线监测新建ZigBee控制子网层中的变电站设备。最后，在ZigBee的控制子网中，由ZigBee协调器节点完成与TCP/IP以太网服务器相连以及变电站信息数据的上传。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于ZigBee网络的智能变电站传感器在线检测组网方法，在本方法中，在变电站设备的站控层采用ZigBee星型组网的拓扑结构，在站控层中，ZigBee应用层协调器节点负责网络的初始化，启动及建立；在间隔层和过程层采用双星型组网的拓朴结构并将两层组建为一层新的子网络；在新建的子网中，协调器节点接收上位机端发送的控制命令，并将其通过ZigBee网络发送给各传感器检测节点，检测节点则根据命令，负责采集设备的工作状态数据信息，并上传数据至ZigBee协调器；传感器和协调器模块则分布式配置在变电站设备群中，通过有线/无线的通信方式，与TCP/IP以太网服务器相连。
进一步，所述ZigBee网络的协调器节点基于Z-Stack协议栈，节点负责小范围的无线传感器网络的建立，以有线或者无线的模式与外部处理器相连；协调器节点完成网络建立后，开始搜索查询子设备节点，根据入网的节点类型，选择分配16-bits网络短地址。
进一步，所述协调器节点执行数据接收程序，调用程序修改函数，通过外部服务器连接到TCP/IP以太网，完成对工程师站、监控工作站、数据服务器、网络打印机、主机等设备的在线组网与控制。
进一步，所述ZigBee协调器节点采用单片机作为微处理器；硬件部分主要集成微处理器，射频电路、电源模块、传感器模块、时钟五个部分。
进一步，在变电站的间隔层和过程层采用ZigBee网络双星型的拓扑组网，即共建一层新的通信子网；传感器节点分布式配置在新建子网内的设备上，且传感器模块采用可更换电池供电。
进一步，所述传感器节点采用CC2430处理器作为系统的微处理器，该节点的硬件电路由微处理器、电源模块、射频电路、存储器及传感器组成，所述传感器包括磁电、力敏、温度、湿度和烟雾传感器。
进一步，所述传感器检测节点分布式固定在站内的变压器(室内，室外)，断路器(室内，室外)、母线(室内，室外)、电容器(室内，室外)、变电柜(室内，室外)、隔离开关(室内，室外)等设备，传感器节点与协调器节点之间则以有线或无线方式通信。
进一步，检测组网建立后，由于ZigBee网络的协调器是全功能设备(FFD)，因此，此时ZigBee网络中协调器节点的工作就相当于一个路由器，起着路由转发的作用；然后，协调器节点将接收控制子网中各层检测节点上传的数据，并将其通过ZigBee网络发送给上位机服务器端。
本发明的有益效果在于：本发明所述方法降低了传统变电定期检修的难度；通过协调器及传感器节点的在线监测组网，变电站设备将进入通信智能检测模式，具备了对智能变电站的电网实时控制、协同互动的功能。大大降低了由于人工检修难度和诸如设备老化、天气等自然因素而造成的重大影响。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本方法的逻辑原理框图；
图2为本方法中协调器节点和路由器节点工作流程图；
图3为本方法中协调器节点组建新网络的消息序列图；
图4为本方法中子设备节点入网的消息序列图。
具体实施方式
本发明所述的基于ZigBee网络的智能变电站传感器在线监测组网方法，具体包括：在变电站设备的站控层采用ZigBee星型组网的拓扑结构，在间隔层和过程层则采用双星型组网的拓朴结构并将两层组建为一层新的子网络；传感器和协调器模块则分布式配置在变电站设备群中，节点设备则通过有线/无线的通信方式，与TCP/IP以太网服务器相连。
ZigBee协调器节点发送应用层服务请求原语(NLME_NETWORK_FROMATION.request)至网络层(NWK)，发起网络建立；而协调器节点则反馈服务指示原语(NLME_NETWORK_FROMATION.confirm)至应用层，然后网络层节点设备则选择广播信道扫描，能量检测。当协调器发起建立一个新的网络进程后，ZigBee协调器搜索查询新的子设备节点，并根据节点设备类型分配网络标识符(PANID)。
在搜索站控层节点设备后，协调器节点执行数据接收程序，调用程序修改函数；协调器节点及传感器节点通过有线/无线的模式与外部服务器相连，经外部服务器连接到TCP/IP以太网端口；完成对工程师站、监控工作站、数据服务器、网络打印机、主机等设备的在线组网与控制。
在变电站的间隔层和过程层，采用ZigBee双星型拓扑网络，即共建一层新的ZigBee控制子网络；协调器和传感器节点分布式配置在新建子网络中，且传感器的电源模块采用可更换电池，传感器节点与协调器节点之间可以有线或无线方式通信。
传感器模块固定配置在变电站的变压器(室内，室外)，断路器(室内，室外)、母线(室内，室外)、电容器(室内，室外)、变电柜(内部，外部)、隔离开关(室内，室外)等设备群中。当ZigBee协调器启动网络后，将自动搜索网络范围内需要入网的传感器节点并分配给16-bits网络短地址给该传感器节点；传感器节点收到入网许可的网络标识符(PANID)则可自动接入ZigBee自组织网络。当节点加入网络后，在上位机端发出设备检测及信息采集的控制命令，协调器负责接收控制命令以及及通过ZigBee网络发送至各传感器检测节点；此时，检测节点则根据控制命令的需求则进行采集设备工作状态的数据信息，然后，上传至ZigBee协调器节点。当变电站的检测组网建立工作完成后，由于ZigBee网络的协调器是全功能设备(FFD)，因此，此时网络中协调器节点的工作就相当于一个路由器，仅具有路由功能；协调器节点将接收控制子网中各层检测节点上传的数据，并将其通过ZigBee网络发送给上位机服务器端。
使用本新型在线监测组网方法，在变电站的站控层采用ZigBee星型网络拓扑结构完成组网；在间隔层和过程层则采用双星型网络拓朴结构组网，使该两层的通信网络共建为一层新的ZigBee控制子网络；然后，将协调器和传感器模块分布式配置在变电站设备集群中，ZigBee网络的节点设备与变电站的上层以有线/无线的通信方式，传感器节点通过硬件电路上的微处理器、电源模块、传感器(磁电、力敏、温度、湿度、烟雾元件)等功能模块检测及采集变电站设备的状态信息；协调器节点则将下层的检测节点采集的设备状态数据发送至上位机服务器；ZigBee网络通过检测与变电站下层的集群设备的进行组网检测联系。最终，在ZigBee的控制子网中，由ZigBee协调器节点完成与TCP/IP以太网服务器相连以及变电站信息数据的上传。
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为本方法的逻辑原理框图，如图所示，本方法中，在变电站设备的站控层采用ZigBee星型组网的拓扑结构，在间隔层和过程层则采用双星型组网的拓朴结构并将两层组建共享一层网络，然后，将传感器模块分布式配置在变电站设备群中，通过有线/无线的通信方式，与TCP/IP以太网服务器相连。
图2为本方法中协调器节点和路由器节点工作流程图，图3为本方法中协调器节点组建新网络的消息序列图，如图3所示，在变电站的站控层中，ZigBee应用层协调器节点发送网络建立的服务请求原语(NLME_NETWORK_FROMATION.request)给网络层，协调器节点在网络层扫描广播信道及能量检测，反馈服务指示原语(NLME_NETWORK_FROMATION.confirm)至应用层，然后协调器节点初始化，并启动网络，并建立网络。
当协调器发起建立一个新的网络进程后，ZigBee协调器搜索查询新的子设备节点，并根据节点设备类型分配网络标识符(PANID)；在搜索站控层节点设备后，协调器节点执行数据接收程序，调用程序修改函数；协调器节点及传感器节点通过有线/无线的模式与外部服务器相连，经外部服务器连接到TCP/IP以太网端口；完成对工程师站、监控工作站、数据服务器、网络打印机、主机等设备的在线组网与控制。
ZigBee协调器节点的采用单片机作为微处理器；硬件部分主要集成微处理器，射频电路、电源模块、传感器模块、时钟等五个部分。；微处理器则以有线/无线的方式与TCP/IP以太网相连。
如图1所示，在变电站的间隔层和过程层采用ZigBee双星型网络拓扑结构，即共建一层新的ZigBee控制子网络；协调器和传感器节点分布式配置在新建子网络中，且传感器的电源模块采用可更换电池，传感器节点与协调器节点之间可以有线或无线方式通信。额传感器节点采用CC2430芯片作为系统的微处理器，该节点的硬件电路则由微处理器、电源模块、射频电路、存储器及传感器(磁电、力敏、温度、湿度、烟雾传感器)等组成。
如图1所示，基于ZigBee网络的智能变电站传感器在线监测组网技术，传感器检测节点分布式固定在站内的变压器(室内，室外)，断路器(室内，室外)、母线(室内，室外)、电容器(室内，室外)、变电柜(内部，外部)、隔离开关(室内，室外)等设备，传感器节点与协调器节点之间则以有线或无线方式通信。
如图4所示当ZigBee协调器启动网络后，将自动搜索网络范围内需要入网的传感器节点并分配给16-bits网络短地址给该传感器节点；传感器节点收到入网许可的网络标识符(PANID)则可自动接入ZigBee自组织网络。
在新建的子网络中，协调器节点则接收上位机服务器端发送来的控制命令，并其通过ZigBee网络发送给各传感器检测节点；此时，检测节点则根据控制命令，负责将采集设备工作状态的数据信息，并上传至ZigBee协调器。
变电站的检测组网建立以后，由于ZigBee网络的协调器是全功能设备(FFD)，因此，此时网络中协调器节点的作用就相当于一个路由器，具有路由功能；协调器节点将接收控制子网中各层检测节点上传的数据，并将其通过ZigBee网络发送给上位机服务器端。
本方法的工作原理是：
在变电站的站控层采用ZigBee星型网络拓扑结构完成组网；在间隔层和过程层则采用双星型网络拓朴结构完成组网，并该两层的通信网络共建为一层新的ZigBee控制子网络；然后，将传感器模块分布式配置在变电站设备集群中，ZigBee网络与变电站的上层以有线/无线的通信方式，上传下层检测节点采集的数据给上位机服务器；ZigBee网络通过检测与变电站下层的集群设备的进行组网检测联系。最终，在ZigBee的控制子网中，由ZigBee协调器节点经数据转换设备，完成与TCP/IP以太网服务器相连以及变电站信息数据的上传。本新型在线监测组网技术，通过协调器及传感器节点的在线监测组网，变电站设备将进入通信智能检测模式，具备了对智能变电站的电网实时控制、协同互动的功能；具备了对间隔层、过程层各设备的在线组网、在线检测、在线维修的功能；降低了设备周期性检修的难度，及工检修难度大、设备老化、天气等自然因素而造成的重大事故影响。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种基于ZigBee网络的智能变电站传感器在线检测组网方法，其特征在于：在本方法中，在变电站设备的站控层采用ZigBee星型组网的拓扑结构，在站控层中，ZigBee应用层协调器节点负责网络的初始化，启动及建立；在间隔层和过程层采用双星型组网的拓朴结构并将两层组建为一层新的子网络；在新建的子网中，协调器节点接收上位机端发送的控制命令，并将其通过ZigBee网络发送给各传感器检测节点，检测节点则根据命令，负责采集设备的工作状态数据信息，并上传数据至ZigBee协调器；传感器和协调器模块则分布式配置在变电站设备群中，通过有线/无线的通信方式，与TCP/IP以太网服务器相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee网络的智能变电站传感器在线检测组网方法，其特征在于：所述ZigBee网络的协调器节点基于Z-Stack协议栈，节点负责小范围的无线传感器网络的建立，以有线或者无线的模式与外部处理器相连；协调器节点完成网络建立后，开始搜索查询子设备节点，根据入网的节点类型，选择分配16-bits网络短地址。
3.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee网络的智能变电站传感器在线检测组网方法，其特征在于：所述协调器节点执行数据接收程序，调用程序修改函数，通过外部服务器连接到TCP/IP以太网，完成对工程师站、监控工作站、数据服务器、网络打印机、主机等设备的在线组网与控制。
4.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee网络的智能变电站传感器在线检测组网方法，其特征在于：所述ZigBee协调器节点采用单片机作为微处理器；硬件部分主要集成微处理器，射频电路、电源模块、传感器模块、时钟五个部分。
5.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee网络的智能变电站传感器在线检测组网方法，其特征在于：在变电站的间隔层和过程层采用ZigBee网络双星型的拓扑组网，即共建一层新的通信子网；传感器节点分布式配置在新建子网内的设备上，且传感器模块采用可更换电池供电。
6.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee网络的智能变电站传感器在线检测组网方法，其特征在于：所述传感器节点采用CC2430处理器作为系统的微处理器，该节点的硬件电路由微处理器、电源模块、射频电路、存储器及传感器组成，所述传感器包括磁电、力敏、温度、湿度和烟雾传感器。
7.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee网络的智能变电站传感器在线检测组网方法，其特征在于：所述传感器检测节点分布式固定在站内的变压器，断路器、母线、电容器、变电柜、隔离开关等设备，传感器节点与协调器节点之间则以有线或无线方式通信。
8.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee网络的智能变电站传感器在线检测组网方法，其特征在于：检测组网建立后，由于ZigBee网络的协调器是全功能设备(FFD)，因此，此时ZigBee网络中协调器节点的工作就相当于一个路由器，起着路由转发的作用；然后，协调器节点将接收控制子网中各层检测节点上传的数据，并将其通过ZigBee网络发送给上位机服务器端。
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