CN107171441B - 一种具有时钟同步和位置定位功能的电力信息网 - Google Patents

Abstract

一种具有时钟同步和位置定位功能的电力信息网，包括主站系统、一级通信层、子站系统、二级通信层以及终端系统，其特征在于：通过子站系统以及数据采集装置实现主站系统对终端系统的状态、性能的监视以及对终端系统的远程操作控制，并且，数据采集装置构成无线通信网络，通过定位算法快速准确的给出输电线的排布情况，通过时钟同步算法实现各个配电终端设备的同步。

Description

一种具有时钟同步和位置定位功能的电力信息网

技术领域

本发明涉及电力信息网，尤其是一种具有时钟同步和位置定位功能的电力信息网。

背景技术

电能是现代社会的主要能源供给形式，电力系统实际上已成为保持现代社会活力的生命线。

现代电力信息网必须采用先进的监测、控制和调度机制来维持其平稳而优化的运行，电网规模的扩大和对发电供电质量不断提高的需求导致对电力信息网的管理和运行的自动化水平的不断提高，以适应当前社会的需求。

而电力信息网的自动化必须要有快速的反应以及精准的故障定位，而目前的电力信息网的各个终端之间的时间无法同步，从而无法在时间上给出快速的故障反应，并且目前的电力信息网缺少对电力线的实时定位监控。

发明内容

本发明为了克服现有技术方案的不足，提供了一种具有时钟同步和位置定位功能的电力信息网。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种具有时钟同步和位置定位功能的电力信息网，包括主站系统、一级通信层、子站系统、二级通信层以及终端系统，

主站系统包括SCADA设备、故障诊断恢复设备、高级应用工作站、配电自动化工作站，主站系统的功能是对所辖配电区域各变电站集中监控以及对配电网终端设备实时监控。

一级通信层为SDH同步光网络或者千兆光纤冗余环网，其用于主站系统与子站系统之间的通信，其能够提供传输频带宽大、通信速度高、传输可靠性好和实时性好的高性能网络，满足电力信息网系统的高性能通信要求。

子站系统为多个中间服务器，用于实现主站系统与终端系统间的信息集结，承担配电监控数据集中、转发和子区域内馈线自动化功能；

二级通信层为包括光纤、移动公网GPRS、电话专线和电力线载波多种通信方式的通信接口，其用于将终端系统不同的通信信号转化为统一的数据信号以提供给子站系统；

终端系统包括分散于配电区域内配电终端设备，配电终端设备用于对配电设备的状态与工况的数据采集与计算，位于配电自动化系统底层，是系统数据信息的提供和监控命令的执行单元，具有四遥和电流检测、通信转发、继电保护等功能，

配电终端设备主要包括馈线配电终端、配电变压器监测终端和开闭所远方监控终端，其中，馈线配电终端是装设在馈线开关旁的开关监控装置，配电变压器监测终端用于监测并记录配电变压器运行工况，开闭所远方监控终端安装于常规开闭所和环网柜；

在子站系统的每个中间服务器、终端系统的每个配电终端上安装具有无线收发功能的数据采集装置，在输电线间隔一定距离的上分别安装数据采集装置，

通过子站系统以及数据采集装置实现主站系统对终端系统的状态、性能的监视以及对终端系统的远程操作控制，并且，数据采集装置构成无线通信网络，通过定位算法快速准确的给出输电线的排布情况，通过时钟同步算法实现各个配电终端设备的同步。

有益效果：

1、合理利用配电通信资源，增设子站系统作为主站系统的补充，实现信息集结；

2、将不同的通信信号转化为统一的数据信号以提供统一的数据交换；

3、应用定位算法从而在输电线出现故障时，能够准确的发现其具体位置；

4、应用时钟同步算法从而能够及时发现故障输电线或者故障配电终端；

5、使用双电池供电方式，从而实现全天候的供电；

6、使用自动电量监测，防止电池过冲。

附图说明

图1为本发明的系统构成框图；

图2为本发明的电源模块的电路构成图；

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-2所示，一种具有时钟同步和位置定位功能的电力信息网，包括主站系统、一级通信层、子站系统、二级通信层以及终端系统，

主站系统包括SCADA设备、故障诊断恢复设备、高级应用工作站、配电自动化工作站，主站系统的功能是对所辖配电区域各变电站集中监控以及对配电网终端设备实时监控。

一级通信层为SDH同步光网络或者千兆光纤冗余环网，其用于主站系统与子站系统之间的通信，其能够提供传输频带宽大、通信速度高、传输可靠性好和实时性好的高性能网络，满足电力信息网系统的高性能通信要求。

子站系统为多个中间服务器，用于实现主站系统与终端系统间的信息集结，承担配电监控数据集中、转发和子区域内馈线自动化功能。

配电终端设备数量众多，地理位置分散，为减少主站系统的处理负担，合理利用配电通信资源，在主站系统与终端系统之间增设子站系统作为主站系统的补充，实现主站系统与终端系统间的信息集结。

二级通信层为包括光纤、移动公网GPRS、电话专线和电力线载波多种通信方式的通信接口，其用于将终端系统不同的通信信号转化为统一的数据信号以提供给子站系统；

终端系统包括分散于配电区域内配电终端设备，配电终端设备用于对配电设备的状态与工况的数据采集与计算，位于配电自动化系统底层，是系统数据信息的提供和监控命令的执行单元，具有四遥和电流检测、通信转发、继电保护等功能，

配电终端设备主要包括馈线配电终端、配电变压器监测终端和开闭所远方监控终端，其中，馈线配电终端是装设在馈线开关旁的开关监控装置，配电变压器监测终端用于监测并记录配电变压器运行工况，开闭所远方监控终端安装于常规开闭所和环网柜；

在子站系统的每个中间服务器、终端系统的每个配电终端上安装具有无线收发功能的数据采集装置，在输电线间隔一定距离的上分别安装数据采集装置，

通过子站系统以及数据采集装置实现主站系统对终端系统的状态、性能的监视以及对终端系统的远程操作控制，并且，数据采集装置构成无线通信网络，通过定位算法快速准确的给出输电线的排布情况，通过时钟同步算法实现各个配电终端设备的同步。

其中，数据采集装置包括传感器模块、无线通信模块以及电源模块，

传感器模块用于配电终端以及输电线的通信质量信息、故障信号、异常信号、电压数据、电流数据、电源电量数据、功率数据、温湿度数据的采集；

无线通信模块将传感器模块采集到的数据信息传输给子站系统的中间服务器，并将包括开关信号以及设定信号在内的控制信息发送给配电终端以执行相应的操作，

无线通信模块包括CPU模块、内存模块、射频收发器、功放模块、时钟模块和电源管理模块，

功放电路用于对射频收发器的发射功率进行放大，从而提高信号的传输范围，

时钟模块包括高频晶振电路和低频振荡电路，根据对时钟精度的要求不同，采用相应的晶振电路，从而在保证高精度的晶振同时，还能有效降低无线通信模块的功耗；

电源模块采用干电池与太阳能电池两种供电方式相结合,供电成本非常低廉,不需要经常的进行维护,在晴天的情况下,可以对太阳能电池进行充电。

如图所示，其包括光耦合器、P沟道场效应管、太阳能电池板、蓄电池组、电阻R1、电阻R2、电容C1以及电容C2，无线通信模块通过开关控制端向光耦合器发出一个低电平信号,光耦合器的发射极接地,集电极又与P沟道场效应管的栅极相连，栅极电压为低电平,P沟道场效应管导通从而允许太阳能电池板对蓄电池组进行充电；

在蓄电池组的极板处还设置电压检测电路,在蓄电池组充电达到饱和之后就自动断开充电电路。

在电池充电过程中,如果充电控制模块在电池充满的情况下不能自动断开电路,就会发生电池过冲的现象,从而减少了电池板的使用寿命,增加维护成本。

其中定位算法如下步骤：

步骤1，无线通信网络的初始化；

无线通信网络中，共有n个数据采集装置成节点，其中，m个安装在每个中间服务器以及每个配电终端上的位置固定的数据采集装置构成固定节点，其他n-m个安装在输电线上的位置不固定的数据采集装置构成未知节点，由于配电终端的位置是固定的，因此固定节点的位置为已知；

以其中一个固定节点为源节点向临近节点发送一个消息请求，临近节点再向其临近节点发送消息请求，如此循环，直至覆盖全网,实现网络的初始化；

步骤2，测量临近节点间点与点之间的距离，并通过固定节点周期性地广播包含固定节点的身份、位置及路径长度变量的消息，将路径长度变量的初始值设为零，接收到该消息的每个节点会将测量到的距离添加至路径长度中；

步骤3，如果节点通过不同路径收到来自之前固定节点的信息，那么只有在当前路径长度小于之前时，才更新路径长度并将其转发出去，未知节点就根据获得的累积距离来估算自身的位置；

步骤4，重复步骤3，直至无线通信网络中所有未知节点都获得其到最近的固定节点的跳数，以及到最近的固定节点的每跳距离之和以及固定节点的位置坐标；

步骤5，各个固定节点向未知节点广播自身到其他各固定节点的距离误差修正值，具体为：

步骤5.1，为保证绝大多数未知节点接收到的修正值来自距离最近的固定节点，未知节点仅对第一个修正值进行接收，丢弃所有后续数据；

步骤5.2，固定节点(x_i,y_i)接收到其他固定节点(x_j,y_j)的信息后，通过自身的坐标与接收到的固定节点的坐标计算出两者之间的真实距离，表达式为：

两者之间的估算距离

为固定节点(x_i,y_i)到固定节点(x_j,y_j)经过的节点距离的累积之和，误差修正值为：

步骤5.3，各固定节点将自身到其他各固定节点的距离误差修正值在网络中广播；

步骤5.4，未知节点接收与自身距离最近的固定节点的误差修正值后，再根据获得的估计距离计算出至最近的固定节点的有效距离。如：i是距离未知节点k最近的固定节点，而计算未知节点k至固定节点j的有效距离可表示为：

其中，

为未知节点k至固定节点j的有效距离，

是未知节点k至固定节点j的每跳距离的累积之和，e^i,j是固定节点i与固定节点j之间的距离误差修正值；

步骤6，未知节点利用接收到的距离误差修正值计算其至各个固定节点的有效距离，当未知节点获得3个或更多固定节点的有效距离后，可出自身位置，具体为：

令(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)、…、(x_n,y_n)分别对应于n个固定节点的坐标，(x,y)为未知节点的坐标，未知节点与这些固定节点之间的距离分别为d₁、d₂、d₃、…、d_n，则有：

变形得到：

进一步简化为线性方程组：

AX＝b，

其中，

使用标准的最小均方差估计方法得到未知节点的坐标：

步骤6，所有节点的位置信息发送给主站系统，形成各个配电终端的分布以及输电线的分布图，从而在输电线出现故障时，能够准确的发现其具体位置。

为了及时发现故障输电线或者故障配电终端，需要实现无线通信网络中各个数据采集装置的时钟同步，因此本发明引入了带有路径延迟补偿的时钟同步算法，具体步骤为：

步骤1，收集无线通信网络中各个无线通信模块的时间信息，将时间信息通过通知报文发布；

步骤2，最优时间源选择，根据收集的时间信息，选择具有最优时间信息的无线通信模块，将其作为同步的时间源；

步骤3，根据时间源的选择结果，决定无线通信模块的端口同步工作状态，端口的同步工作状态将无线通信模块的时钟划分为主时钟、从时钟和不可用时钟三种，主时钟向相邻的从时钟发送同步消息，通过时间戳机制来进行时钟同步和补偿；

步骤4，时间戳服务由网络物理层提供，时间戳以报头的身份存在于时间敏感的音视频数据流数据包中，当含有时间戳的消息进出需要时钟同步无线通信模块的端口时，会与本地时钟进行对比，利用相应的路径延迟补偿算法与本地时钟进行匹配，从而实现整个无线通信网络的时间同步。

其中，路径延迟补偿算法具体为：

步骤4.1，主时钟在t₁时刻发送同步信息，随后在发送跟随消息，将同步消息的实际发送时间t₁发送给从时钟，从时钟记录同步信息到达的时间t₂；

步骤4.2，随后在t₃时刻发送延时请求报文，主时钟收到消息后，再发送响应报文，将其到达时间t₄返回给从时钟，这样从时钟已知t₁-t₄的值，利用下式得到路径延迟，

Delay＝[(t₄-t₁)-(t₃-t₂)]/2，

步骤4.3，按照一定的周期重新检查传输时延，即重复步骤4.1-4.2，以确保同步时钟信号。

以上所述实施方式仅表达了本发明的一种实施方式，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有时钟同步和位置定位功能的电力信息网，包括主站系统、一级通信层、子站系统、二级通信层以及终端系统，

主站系统包括SCADA设备、故障诊断恢复设备、高级应用工作站、配电自动化工作站，主站系统的功能是对所辖配电区域各变电站集中监控以及对配电网终端设备实时监控，

一级通信层为SDH同步光网络或者千兆光纤冗余环网，其用于主站系统与子站系统之间的通信，其能够提供传输频带宽大、通信速度高、传输可靠性好和实时性好的高性能网络，满足电力信息网系统的高性能通信要求，

子站系统为多个中间服务器，用于实现主站系统与终端系统间的信息集结，承担配电监控数据集中、转发和子区域内馈线自动化功能；

二级通信层为包括光纤、移动公网GPRS、电话专线和电力线载波多种通信方式的通信接口，其用于将终端系统不同的通信信号转化为统一的数据信号以提供给子站系统；

终端系统包括分散于配电区域内配电终端设备，配电终端设备用于对配电设备的状态与工况的数据采集与计算，位于配电自动化系统底层，是系统数据信息的提供和监控命令的执行单元，具有四遥和电流检测、通信转发、继电保护功能，

配电终端设备包括馈线配电终端、配电变压器监测终端和开闭所远方监控终端，其中，馈线配电终端是装设在馈线开关旁的开关监控装置，配电变压器监测终端用于监测并记录配电变压器运行工况，开闭所远方监控终端安装于常规开闭所和环网柜；

在子站系统的每个中间服务器、终端系统的每个配电终端设备上安装具有无线收发功能的数据采集装置，在输电线间隔一定距离分别安装数据采集装置，

其特征在于：通过子站系统以及数据采集装置实现主站系统对终端系统的状态、性能的监视以及对终端系统的远程操作控制，并且，数据采集装置构成无线通信网络，通过定位算法快速准确的给出输电线的排布情况，通过时钟同步算法实现各个配电终端设备的同步；

定位算法包括如下步骤：

步骤1，无线通信网络的初始化；

无线通信网络中，共有n个数据采集装置成节点，其中，m个安装在每个中间服务器以及每个配电终端上的位置固定的数据采集装置构成固定节点，其他n-m个安装在输电线上的位置不固定的数据采集装置构成未知节点，由于配电终端的位置是固定的，因此固定节点的位置为已知；

以其中一个固定节点为源节点向临近节点发送一个消息请求，临近节点再向其临近节点发送消息请求，如此循环，直至覆盖全网,实现网络的初始化；

步骤2，测量临近节点间点与点之间的距离，并通过固定节点周期性地广播包含固定节点的身份、位置及路径长度变量的消息，将路径长度变量的初始值设为零，接收到该消息的每个节点会将测量到的距离添加至路径长度中；

步骤3，如果节点通过不同路径收到来自之前固定节点的信息，那么只有在当前路径长度小于之前时，才更新路径长度并将其转发出去，未知节点就根据获得的累积距离来估算自身的位置；

步骤4，重复步骤3，直至无线通信网络中所有未知节点都获得其到最近的固定节点的跳数，以及到最近的固定节点的每跳距离之和以及固定节点的位置坐标；

步骤5，各个固定节点向未知节点广播自身到其他各固定节点的距离误差修正值；

步骤6，未知节点利用接收到的距离误差修正值计算其至各个固定节点的有效距离，当未知节点获得3个或更多固定节点的有效距离后，得出自身位置；

步骤7，所有节点的位置信息发送给主站系统，形成各个配电终端的分布以及输电线的分布图，从而在输电线出现故障时，能够准确的发现其具体位置；

时钟同步算法的具体步骤为：

步骤1，收集无线通信网络中各个无线通信模块的时间信息，将时间信息通过通知报文发布；

步骤2，最优时间源选择，根据收集的时间信息，选择具有最优时间信息的无线通信模块，将其作为同步的时间源；

步骤3，根据时间源的选择结果，决定无线通信模块的端口同步工作状态，端口的同步工作状态将无线通信模块的时钟划分为主时钟、从时钟和不可用时钟三种，主时钟向相邻的从时钟发送同步消息，通过时间戳机制来进行时钟同步和补偿；

步骤4，时间戳服务由网络物理层提供，时间戳以报头的身份存在于时间敏感的音视频数据流数据包中，当含有时间戳的消息进出需要时钟同步无线通信模块的端口时，会与本地时钟进行对比，利用相应的路径延迟补偿算法与本地时钟进行匹配，从而实现整个无线通信网络的时间同步。

2.根据权利要求1所述的一种具有时钟同步和位置定位功能的电力信息网，其特征在于：数据采集装置包括传感器模块、无线通信模块以及电源模块，

传感器模块用于配电终端以及输电线的通信质量信息、故障信号、异常信号、电压数据、电流数据、电源电量数据、功率数据和温湿度数据的采集；

无线通信模块将传感器模块采集到的数据信息传输给子站系统的中间服务器，并将包括开关信号以及设定信号在内的控制信息发送给配电终端以执行相应的操作，

电源模块采用干电池与太阳能电池两种供电方式相结合,供电成本非常低廉,不需要经常的进行维护,在晴天的情况下,对太阳能电池进行充电。

3.根据权利要求2所述的一种具有时钟同步和位置定位功能的电力信息网，其特征在于：无线通信模块包括CPU模块、内存模块、射频收发器、功放模块、时钟模块和电源管理模块，

功放电路用于对射频收发器的发射功率进行放大，从而提高信号的传输范围，

时钟模块包括高频晶振电路和低频振荡电路，根据对时钟精度的要求不同，采用相应的晶振电路，从而在保证高精度的晶振同时，还能有效降低无线通信模块的功耗。

4.根据权利要求2所述的一种具有时钟同步和位置定位功能的电力信息网，其特征在于：电源模块包括光耦合器、P沟道场效应管、太阳能电池板、蓄电池组、电阻R1、电阻R2、电容C1以及电容C2，无线通信模块通过开关控制端向光耦合器发出一个低电平信号,光耦合器的发射极接地,集电极又与P沟道场效应管的栅极相连，栅极电压为低电平,P沟道场效应管导通从而允许太阳能电池板对蓄电池组进行充电；在蓄电池组的极板处还设置电压检测电路,在蓄电池组充电达到饱和之后就自动断开充电电路。

5.根据权利要求1所述的一种具有时钟同步和位置定位功能的电力信息网，其特征在于步骤5具体为：

步骤5.1，为保证绝大多数未知节点接收到的修正值来自距离最近的固定节点，未知节点仅对第一个修正值进行接收，丢弃所有后续数据；

步骤5.2，固定节点(x_i,y_i)接收到其他固定节点(x_j,y_j)的信息后，通过自身的坐标与接收到的固定节点的坐标计算出两者之间的真实距离，表达式为：

两者之间的估算距离

为固定节点(x_i,y_i)到固定节点(x_j,y_j)经过的节点距离的累积之和，误差修正值为：

步骤5.3，各固定节点将自身到其他各固定节点的距离误差修正值在网络中广播；

步骤5.4，未知节点接收与自身距离最近的固定节点的误差修正值后，再根据获得的估计距离计算出至最近的固定节点的有效距离，其中：i是距离未知节点k最近的固定节点，而计算未知节点k至固定节点j的有效距离表示为：

其中，

为未知节点k至固定节点j的有效距离，

是未知节点k至固定节点j的每跳距离的累积之和，e^i,j是固定节点i与固定节点j之间的距离误差修正值。

6.根据权利要求1所述的一种具有时钟同步和位置定位功能的电力信息网，其特征在于步骤6具体为：

令(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)、…、(x_n,y_n)分别对应于n个固定节点的坐标，(x,y)为未知节点的坐标，未知节点与这些固定节点之间的距离分别为d₁、d₂、d₃、…、d_n，则有：

变形得到：

进一步简化为线性方程组：

AX＝b，

其中，

使用标准的最小均方差估计方法得到未知节点的坐标：

7.根据权利要求1所述的一种具有时钟同步和位置定位功能的电力信息网，其特征在于路径延迟补偿算法具体为：

步骤4.1，主时钟在t₁时刻发送同步信息，随后在发送跟随消息，将同步消息的实际发送时间t₁发送给从时钟，从时钟记录同步信息到达的时间t₂；

步骤4.2，随后在t₃时刻发送延时请求报文，主时钟收到消息后，再发送响应报文，将其到达时间t₄返回给从时钟，这样从时钟已知t₁-t₄的值，利用下式得到路径延迟，

Delay＝[(t₄-t₁)-(t₃-t₂)]/2，

步骤4.3，按照一定的周期重新检查传输时延，即重复步骤4.1-4.2，以确保同步时钟信号。

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