基于Zigbee無線網絡的配網防誤管理系統(tǒng)的研究與應用

王勇

（貴州師范大學 機械與電氣工程學院，貴州 貴陽 550014）

基于Zigbee無線網絡的配網防誤管理系統(tǒng)的研究與應用

王勇

（貴州師范大學 機械與電氣工程學院，貴州 貴陽 550014）

針對電力系統(tǒng)配電網結構復雜、設備種類多、檢測單位分布廣、調度工作量大等特點。提出基于Zigbee無線網絡的配網防誤管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)應用Zigbee無線通訊技術，保證信息傳遞突破地域限制，實現(xiàn)遠距離傳輸。并通過建立配電網調控領域知識庫，拓展配電網操作各層面的應用，其中包括配電網調控層、運維層、現(xiàn)場作業(yè)層各項電網操作和控制業(yè)務應用。該系統(tǒng)可以實時獲取配電網模型和運行參數等信息，并與配電調度系統(tǒng)相結合，達到配電防誤效果。

配電網；防誤系統(tǒng)；Zigbee技術；遠程監(jiān)控

隨著社會的不斷發(fā)展，用電客戶對電網的規(guī)模和容量的要求越來越高，對其可靠性的要求也越來越高，穩(wěn)定、可靠的配電系統(tǒng)是保障用電客戶利益的必要條件[1]。但當前配電網受眾面廣、結構復雜、設備老化，因此為用戶提供優(yōu)質、可靠的供電服務成為配網面臨著艱巨任務。如今的配網調度工作人員要正確完成調度工作通常要參考模擬系統(tǒng)，通過參照模擬系統(tǒng)的相關參數（如網絡環(huán)網、線路互帶和單線圖等）實現(xiàn)生產調度[3]。但在實際中，模擬系統(tǒng)的的相關參數得不到及時更新或者其他的原因導致相關參數與實際不一致，使得調度工作出現(xiàn)錯誤的幾率較大。此外，配網設備中的有一大部分的柱上開關、刀閘等設備都處于未鎖閉狀態(tài)，這使得工作人員會容易造成操作錯誤。因此，在配電網中推行防誤操作系同樣具有重大意義。

1 系統(tǒng)結構及工作原理

1.1 系統(tǒng)硬件結構

基于Zigbee無線網絡的配網防誤管理系統(tǒng)硬件組成部分包括Zigbee無線通訊網絡、數據庫服務器、調度員/運行人員/線路人員工作站、打印機、傳票設備、電腦鑰匙和現(xiàn)場閉鎖鎖具[2]。

1.2 系統(tǒng)軟件結構

系統(tǒng)軟件結構的設計包括服務層、數據層、接口適配器、維護工具以及通信管理和各層面客戶端，其結構如圖1所示。

圖1 配網防誤系統(tǒng)軟件結構

服務層是系統(tǒng)的核心，它包括智能指令票服務、智能操作票服務、業(yè)務管控服務、離線信息服務、防誤分析服務、通信管理服務、數據服務。其中防誤分析服務是應用電力調控防誤分析推理知識庫對調度指令票、倒閘操作票、遙控操作、現(xiàn)場操作進行在線的全網實時防誤分析，實時在線的防誤分析貫穿于電力生產業(yè)務的各個環(huán)節(jié)，提高了電力生產的安全性[4]。

數據層是系統(tǒng)服務分析應用的基礎數據，包括電網模型、專家知識庫以及業(yè)務管理庫。

1.3 系統(tǒng)工作原理

配網防誤操作系統(tǒng)的工作平臺是監(jiān)控中心計算機，也稱著防誤主機，供電局的全部配網線路信息（如保險、分支箱、刀閘和電纜等接線圖）都會在計算機上顯示出來。其顯示的形式具有多樣化，可根據不同要求和角度進行設定[5]。

配網防誤軟件中內置了相關的防誤樣本，當調度人員在配網防誤軟件進行相關操作時，系統(tǒng)會對相關操作進行綜合邏輯判斷，如果其相關的操作與防誤樣本的本符，那么系統(tǒng)會自動判斷操作有效，反之，系統(tǒng)會以聲音和文字進行警告提示，調度人員可以依據系統(tǒng)的提示進行相關檢查。

2 配網防誤管理系統(tǒng)Zigbee無線通訊網絡設計

Zigbee無線通訊模塊是Zigbee無線通訊的基礎硬件，本系統(tǒng)使用Zigbee無線通訊模塊總體設計圖如圖 2所示，控制器采用了“核心板+接口板”的設計方式，外觀使用機籠式結構，其擴展性較好[15]。

圖2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體結構

2.1 Zigbee傳感器節(jié)點的設計

在監(jiān)測區(qū)域內安置傳感器采集節(jié)點，通過采集節(jié)點對檢測單元的現(xiàn)場參數進行采集與傳輸，這一結構即為無線傳感器節(jié)點硬件的整體結構。根據相應要求，傳感器節(jié)點選擇Chipcon公司生產的高度集成片上系統(tǒng) （SOC，System On Chip）射頻芯片CC2530。傳感器節(jié)點包括3個組成部分：1）電源管理模塊；2）傳感器模塊；3）微處理器。電源模塊的電壓為 3.3 V，通過穩(wěn)壓器實現(xiàn)電壓穩(wěn)定；傳感器模塊與處理器的 GPIO鏈接，實現(xiàn)傳輸參數數據的功能。硬件整體結構框圖如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點硬件整體結構框圖

電源管理模塊的具體設計步驟：采用普通的AA電池對傳感器節(jié)點進行供電，電源模塊的電路原理圖如圖4所示。依據SW1撥動開關的接通或者是斷開，對電池輸出進行相應的控制，通過升壓轉換器AS1337，對電池電壓進行升壓處理，使電壓穩(wěn)定值為3.3 V，固定不變。電源的工作指示燈為D1，濾波電容分別是C2與C3，輸出電壓值依靠R2與R3進行適當調節(jié)，輸出端電壓采用V0表示，V0計算過程如下：

公式中，R2取值560 kΩ；R3取值330 kΩ。

圖4 傳感器節(jié)點電源模塊電路原理圖

外圍接口電路設計：外圍接口電路包括了4個組成部分：1）JTAG仿真調試接口；2）CC2530芯片復位電路；3）LED燈指示電路；4）預留外接傳感器擴展電路，圖5表示了具體組成及原理。

圖5 傳感器節(jié)點外圍接口電路原理

2.2 Zigbee節(jié)點的軟件設計與實現(xiàn)

成功創(chuàng)建 Sink節(jié)點之后，傳感器節(jié)點作為終端節(jié)點的設備類型加入至網絡。Zigbee傳感器節(jié)點上電后，要做相應的工作，具體Zigbee節(jié)點的工作流程如圖6所示。

圖6 Zigbee節(jié)點的工作流程圖

2.3 網關的軟件設計

網關的功能有兩點：1）兩個網絡間的數據交換；2）控制轉發(fā)。構成網關的組成分別是：1）以太網控制進程（E-Process，Ethernet Process）；2）Zigbee網絡控制進程（Z-Process，Zigbee Process）；3）初始進程（IProcess，Initial Process）。太網控制進程和Zigbee網絡控制進程連接需要確定合適的通信機制，該通信機制可確定為先入先出隊列 （FIFO，F(xiàn)irst Input First Output）。并且，以太網控制進程和Zigbee網絡控制進程的設備信息表需進行共享，依靠共享內存實現(xiàn)。在以太網控制進程和Zigbee網絡控制進程運行前，初始進程應建立好設備信息表以及通信FIFO。圖7表示了網關進程圖。

圖7 網關進程圖

3 配電網防誤一體化管理系統(tǒng)研究

本系統(tǒng)是在傳統(tǒng)DMS電網模型和實時數據基礎之上，建立配電網調控領域知識庫，并拓展配電網電網操作各層面的應用，其中包括配電網調控層、運維層、現(xiàn)場作業(yè)層各項電網操作和控制業(yè)務應用。

3.1 配網防誤分析推演規(guī)則知識庫

配網防誤分析推演規(guī)則知識庫包括如下幾個方面：

1）本體狀態(tài)防誤推演知識庫：根據設備本身的狀態(tài)特征的防誤特性形成本體狀態(tài)防誤知識單元[9]。例如：設備掛“停役”牌或設備處于不可控狀態(tài)。

2）關系狀態(tài)防誤推演知識庫：依據元件與相關元件的防誤關系構建關系狀態(tài)防誤知識單元[10]。

3）綜合分析防誤推演知識庫：依據全網分析提到的防誤類型構建綜合分析防誤知識單元。

4）操作過程防誤推演知識庫：根據操作設備的操作順序和操作流程構建的操作過程防誤知識單元[12]。

3.2 配網調度操作指令票的防誤校核

1）擬票過程中的防誤分析：在擬票過程中的每個步驟均經過擬票時的電網數據斷面進行防誤校驗，以保證指令票各步驟的正確，對校核信息用列表或提示框進行展現(xiàn)，并將校核后有誤操作的指令用紅色進行標識，起到警示的作用。

2）審核中的防誤分析：傳統(tǒng)的審核過程是通過審核人員閱讀指令票內容，檢查指令票中的錯誤。系統(tǒng)在審核過程中，可通過在擬票數據斷面的基礎之上自動模擬校驗，形成各操作步驟的校核信息，幫助審核人員進行準確的審核[6]。

3）進入“執(zhí)行”前的自動防誤分析：當命令進入執(zhí)行狀態(tài)的時候，系統(tǒng)會運行仿真模擬校驗一次，檢查指令中各操作步驟在當前的實時電網狀態(tài)下是否會引起誤操作或造成不期望的影響。當有問題時，可退回修改。

4）執(zhí)行過程中防誤分析：在執(zhí)行過程中，每執(zhí)行一步均會用當前全網實時數據進行防誤分析，其最主要原因是防止執(zhí)行過程中，由于電網狀態(tài)的變化而造成操作步驟由非誤操作轉化為誤操作或造成不期望的影響。

3.3 配網調控中心緊急操作的防誤校核

在緊急情況下，調度不寫調度指令，直接在DMS上進行遙控操作，此時需要進行實時在線的全網校核分析后，在進行遙控操作，其具體的過程如下：

DMS的選擇命令中有一個按鈕，其作用是對命令進行校驗，判斷命令的正確性。這個按鈕主要的工作過程是把命令傳送到防誤軟件中，防誤軟件進行一系列地分析，然后把分析的結果反送回去。DMS端依據防誤軟件分析的結果，判斷判斷此命令能否執(zhí)行，如果可以執(zhí)行，那么其他按鈕就可以使用，DMS遙控就可以執(zhí)行，其交互過程如圖8所示。

圖8 DMS遙控監(jiān)護流程圖

3.4 配網現(xiàn)場操作的防誤監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)場操作進行防誤監(jiān)控系統(tǒng)，其主要功能如下：

1）倒閘操作票的執(zhí)行狀態(tài)監(jiān)控：調控中心可實時查看現(xiàn)場倒閘操作票的執(zhí)行狀態(tài)，如開始執(zhí)行、正在執(zhí)行、執(zhí)行完成；

2）倒閘操作票步驟的執(zhí)行狀態(tài)監(jiān)控：調控中心可實時查看現(xiàn)場倒閘操作票各步驟的執(zhí)行狀態(tài)，如正在執(zhí)行，執(zhí)行完成等。可及時比對操作完的步驟在DMS中的設備狀態(tài)，便于跟蹤現(xiàn)場的操作過程[14]；

3）操作間隔提醒功能：倒閘操作票開始執(zhí)行前，現(xiàn)場操作人員需要掃描RFID，確定是否誤入了操作間隔，掃描的RFID編碼將實時傳送到調控中心，在本系統(tǒng)上通過設備閃動等方式明顯告知監(jiān)控人員目前操作的設備，如果誤入了操作間隔，系統(tǒng)也將進行告警；

4）現(xiàn)場操作校核信息實時展現(xiàn)：現(xiàn)場操作人員進行每步操作時，都需要進行全網的校核分析，其分析結果在智能手持終端上展現(xiàn)的同時，在調控中心也將進行展現(xiàn)。并按校驗結果等級進行分類告警。

4 結束語

文中介紹配網防誤一體化管理系統(tǒng)的主要功能以及Zigbee無線通信網絡的硬件結構、軟件結構，保證系統(tǒng)可以實時獲取配電網模型和運行參數等信息。并通過建立配電網調控領域知識庫，拓展配電網操作各層面的應用，其中包括配電網調控層、運維層、現(xiàn)場作業(yè)層各項電網操作和控制業(yè)務應用。該系統(tǒng)可以實時獲取配電網模型和運行參數等信息，并與配電調度系統(tǒng)相結合，達到配電防誤效果。

[1]蒲泓全，賈軍營，張小嬌，等.ZigBee網絡技術研究綜述[J].計算機系統(tǒng)應用，2013（9）:86-90.

[2]楊順，章毅，陶康.基于ZigBee和以太網的無線網關設計[J].計算機系統(tǒng)應用，2010（1）:56-60.

[3]彭宇，羅清華，潘大為.一種無線傳感器網絡低功耗節(jié)點的設計[J].計算機測量與控制，2009（12）: 112-115.

[4]Charles J.Impact of green power distributed generation [J]. IEEE Industry Applications Magazine，2010，30（7）:55-59.

[5]解東光，張峰，張曉宇.基于3G技術的配電變壓器遠程監(jiān)測系統(tǒng)[J].電測與儀表，2009（11）:96-110.

[6]吳佳偉．智能配電網中通信傳輸技術的應用研究[D]．上海：上海交通大學，2010．

[7]Javier Lopez，Cristina Alcaraz，Rodrigo Roman. Smart control of operational threats in control substations.Computers& Security， In Press，Corrected Proof，2013，5（11）:1475-1482.

[8]王猛，張曉蕾，劉宇麗.地調調控一體化遠程操作防誤功能的研究及應用技術方案[J].內蒙古科技與經濟，2013（5）:126-128.

[9]黃華東，蘇涵.對集控中心遙控操作安全約束系統(tǒng)的研究[J].廣東科技，2011（12）:45-46.

[10]邢智.電網調度智能操作票及防誤系統(tǒng)的優(yōu)化設計與應用[D].南昌：南昌大學，2013.

[11]郝祎.全網防誤調度操作票系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].大連：大連理工大學，2013.

[12]趙麗萍，劉偉.智能調度操作票及防誤閉鎖技術的研究與實踐[J].華北電力技術，2010（9）:51-54.

[13]郝克剛.基于智能電網下的變電站自動化應用方案 [J].計算機科學，2013（9）:75-79.

[14]Pardeshi S，Mahajan R，Pasumarthi U M，et al. Multiprocessor based architecture for on-line condition monitoring of transformers[C]//Condition Monitoring and Diagnosis（CMD），2012 International Conference on.IEEE，Bali，Indonesia 2012: 761-765.

[15]鄧蕾蕾.基于ZigBee的漏電保護系統(tǒng)設計[J].北華大學學報：自然科學版，2012（1）：117-120.

Distribution network based on Zigbee wireless network is the research and application management system by mistake

WANG Yong
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Guizhou Normal University，Guiyang 550014，China）

In view of complex power system，distribution network structure，equipment type，detection unit characteristics such as wide distribution，large work volume on schedule.Put forward distribution network based on Zigbee wireless network control management system，the system application Zigbee wireless communication technology，guarantee the information transfer through regional restriction，realize long distance transmission.Through the establishment of distribution network control domain knowledge base，and extending the application of different levels of the distribution network operation，including the distribution network control layer and operational layer，on-site power grid operation and control of business application.The system can get the real-time distribution network model and operation parameters，such as information，and combined with distribution scheduling system，power distribution error protected.

power distribution network；error prevention system；Zigbee technology；remote monitoring

TN929

：A

：1674－6236（2017）03-0128-05

2016-01-06稿件編號：201601036

王 勇（1972—），男，苗族，貴州赤水人，實驗師，講師。研究方向：電力系統(tǒng)網絡與通信工程。