专利名称：基于无线自组网的配电网馈线自动化系统及其组网方法
技术领域：
本发明涉及配电网的自动化系统，特别是基于无线自组网的配电网馈线自动化系 统及其组网方法。该系统能够实现以无线自组网的方式进行配电自动化和相应的信息采集 与传输。
背景技术：
随着我国智能电网的建设，配电网的自动化水平有了很大程度的提高，因此对配 电网的通信网络相应地提出了更高的要求，配电网的通信网络的自动化成为未来发展的趋 势，而要进行配电网的通信网络自动化建设，有必要对现有配电网的通信系统进行改造，这 样会更好地保证配电网自动化的实现。据申请人所知，传统的配电网自动化系统主要是以SDH光纤专网和GPRS/CDMA无 线网络的方式进行通信。如果SDH光纤专网作为有线通信方式，其带来的问题是布线及线 路改造的工程大、工程费用高，容易受损、不可移动，灵活性差，因此SDH光纤专网不适合应 用于配电网馈线自动化。而传统无线网络(公网)方式(GPRS/CDMA)传输数据的实时性和 安全性无法保障，并且需要定期向运营商支付网络租赁费用，这样会导致运行费用较高。众所周知，配电网自动化主要有两大功能一种功能是实现对配电网中开关设备 的监测，实现遥控、遥信、遥测、遥调的“四遥”功能。其特点是传输的信息量少，但实时性要 求非常高。另一种功能是负荷的控制与管理，如远方抄表与计费自动化等，这个功能涉及面 广，数据量十分庞大，但是对实时性要求不高。研究表明，用于通信的无线自组网是由一组静止或移动节点组成的一个多跳自治 网络系统，网络通信是依靠节点之间的相互协作，以多跳方式来完成，无需固定基站支持。 而且，现有的采用传感器构成的无线自组网中所有的节点因其地位相等的特性，可以承担 主机和路由器的功能，每个传感器所处的节点都具有信息的收发功能。由于传输范围的限 制，当二个节点不能直接通信时，可以通过中间节点进行转发。这类无线自组网因其高可靠 性和灵活性，目前，已被广泛应用于军事通信领域和不易建立固定通信设施的环境中，如环 境检测、紧急搜救等。但据申请人所知，无线自组网在配电网馈线自动化系统中尚未得到使 用。
发明内容
本发明的目的是，为了克服现有技术的不足，提出基于无线自组网的配电网馈线 自动化系统及其组网方法。本发明采用的技术解决方案是基于无线自组网的配电网馈线自动化系统，采用无线自组网，包括馈线终端自 动化系统和配变终端信息采集系统，其特征在于，采用了上位机SCADA监控系统，上位机 SCADA监控系统通过通信管理机与无线自组网配连，无线自组网由上下两层网络构成，上层 网络作为馈线终端自动化系统，下层网络作为配变终端信息采集系统，构成无线自组网的上下两层网络根据采集信息的不同要求采用不同的路由协议。其特征在于，构成无线自组网的上层网络采用了 DSR路由协议，构成无线自组网 的下层网络采用DSDV路由协议。其特征在于，构成无线自组网的上下两层网络的连接点装有上层网络路由。其特征在于，由上下两层网络构成的无线自组网采用了三种硬件保护装置；第一 种硬件保护装置为远程控制终端，用做上层网络路由，其安装在网络中每个开关节点；第二 种硬件保护装置为中转路由，安装在上层网络中；第三种硬件保护装置为配变终端，用作下 层网络路由。其特征在于，配变终端包括配变监测设备，以及远程抄表设备。其特征在于，远程控制终端配备了无线通讯模块。其特征在于，中转路由配备了无线通讯模块。其特征在于，配变终端配备了无线通讯模块。其特征在于，在无线通讯模块上加装有定向天线。基于无线自组网的配电网馈线自动化组网方法使用配电网，其特征在于，采用上 位机SCADA监控系统，配电网采用由上下两层网络构成的无线自组网，上下两层网络采用 不同通讯频率进行信息传递；对配电网中的上层网络的路由节点和下层网络的路由节点， 都分配了唯一的地址编码；通过上位机显示出每一个信息传递过程所经历的路线，来判别 故障，以及判别每个节点工作的状况，实时跟踪信息的传递；在上位机SCADA监控系统上观 察到上传或者下传的数据的传送路线以及信息传送中断的节点位置；一旦出现数据丢失， 通过查找可查找出数据是在何处丢失；并且通过安装在上位机中的软件，手动设定数据传 送路线，实现数据高效的传递。本发明的工作原理和工作方式是，上层网络通过网络中每个配电网开关节点处安 装的第一种硬件保护装置——远程控制终端，实现对网络中的开关的控制和保护。这种硬 件保护装置中编写了基于无线自组网的通讯所需要的各种协议，可以通过安装在网络中的 这种硬件保护装置上的外接无线通讯模块，实现信息的无线发送和接收，从而实现配电网 的“四遥”功能。远程控制终端也可以称之为上位机。当网络中某一个开关发生故障后，硬 件保护装置将会实时监测到开关的故障，通过硬件保护装置中的路由协议，自动寻找与之 相近的网络节点，通过握手协议，确定临近节点是否正在传送数据。如果正在发送其他节点 数据，则继续寻找下一个节点，如果不忙，将信息传递到该节点，以此类推，最终将信息传送 到与上位机相连的通讯管理机，送入上位机SCADA监控系统中。同理，上位机SCADA监控系 统也通过同样的方法将指令传送给具体的某个硬件保护装置，该硬件保护装置将控制与其 相配连的开关进行相应的动作。此外，下层网络的配变终端的信息采集，通过智能开关附近的配电变压器，电能表 组成小范围的无线自组网的下层网络，以开关节点处的上层网络路由为中转站，实现其与 配电监测主站的信息交换。上层网络路由在无线自组网中承上启下，此节点同时具有两层 网络协议，作为实现两层网络中间桥梁。为实现上述功能，配变终端，以及电能表等数据采集装置应满足相应的配套技术 要求，以构建本发明所需的无线自组网的网络。本发明采用上位机SCADA监控系统，实现基于无线自组网构成的配电网自动化的独特功能，对配电网中上层网络的路由节点和下层网络的路由节点，都分配了唯一的地址 编码，所以上位机可以很好的显示出每一个信息传递过程所经历的路线，从而更好地判别 故障，以及判别每个节点工作的状况。这样可以实时跟踪信息的传递，可以在上位机上观 察到上传或者下传的数据的传送路线以及信息传送中断的节点位置，这样一旦出现数据丢 失，也可查找出数据是在何处丢失。并且可以通过上位机中的SCADA系统软件，手动设定数 据传送路线，实现数据更高效的传递。本发明采用一套系统，成功地实现了馈线自动化和配变侧负荷控制与管理。鉴于 以往馈线自动化系统，以及配电信息采集系统都是独立运行，由于馈线自动化的重要性，以 及配变侧线路的复杂性以及传送的海量信息，使得两个系统很难融合在一起。对于现有技 术存在的这种不足，本发明提出的组网方法能够很好地加以解决，将两个系统融合在一起， 并有效地实现了集中控制，提高了管理的效率，减少了成本。本发明提出在无线网络上采用分层结构，既充分利用了现有的设备资源，实现了 就地组网，又达到了在线路的建设上无需投入太多成本的预期要求；上下层网络所选择的 不同路由协议，是充分考虑到了馈线自动化和配变负荷控制与管理信息传送的特点，这样 做的结果会大大提高数据传输的可靠性和正确性，也会使得系统的整体性能得到提升。为实现本发明提出的组网方案，所采用的三种硬件保护装置，将各尽其责，分别完 成上层网络路由的功能，下层网络路由的功能，以及上下层网络的连接点的功能。以三种硬 件保护装置为核心部件所组成的有层次感的数据传送通道会大大提升本发明的基于无线 自组网的配电网馈线自动化系统的整个系统的可靠性。本发明的基于无线自组网的配电网馈线自动化系统中的上位机SCADA监控系统， 运用专用的SCADA上位机系统软件，设计合理，同时拥有馈线自动化的监控功能和配变信 息管理控制功能。能够准确定位馈线故障，配变侧故障，实时显示配变侧负荷情况，进行相 应的负荷管理。能够在真正意义上实现配电网的自动化。本发明的优点是，利用现有的配电网，根据配电网馈线自动化的需求，因地制宜设 计可行的组网方案，将配电网划分为两个部分，组建无线自组网；采用不同的路由协议，以 智能开关为上层通信节点构成配电自动化通信网络；禾_无线自组网的特点，以开关节点 处的上层网络路由为中心，通过网络传送相关的数据，通过相对应的上层网络路由传送到 上位机SCADA监控系统，通过上位机SCADA监控系统实现配电网的自动化控制和管理。本 发明提出的基于无线自组网的配电网馈线自动化系统结构合理，便于实施，传输效率高，能 充分利用组网中的信息资源，运行费用低，对现有馈线网络的改造量较小，而且可以达到很 好的通讯效果。
图1、本发明的基于无线自组网的配电网馈线自动化系统基本结构示意2、本发明的基于无线自组网的配电网馈线自动化系统采用的上层网络示意3、本发明的基于无线自组网的配电网馈线自动化系统采用的故障定位结构图4、本发明的基于无线自组网的配电网馈线自动化系统结构原理图
具体实施例方式如图1、图2、图3、图4所示，本发明的基于无线自组网的配电网馈线自动化系统采 用无线自组网1，包括馈线终端自动化系统和配变终端信息采集系统，采用了上位机SCADA 系统3，上位机SCADA系统3通过通信管理机2与无线自组网1配连，无线自组网1由上下两 层网络构成，上层网络4作为馈线终端自动化系统，下层网络作为配变终端信息采集系统， 构成无线自组网1的上下两层网络根据采集信息的不同要求采用不同的路由协议。其中， 构成无线自组网1的上层网络4采用了 DSR路由协议，构成无线自组网1的下层网络采用 DSDV路由协议。下层网络包括若干个下层网络路由5。构成无线自组网1的上下两层网络 的连接点采用上层网络路由6。由上下两层网络构成的无线自组网1采用了三种硬件保护 装置；第一种硬件保护装置为远程控制终端(FTU)，其用做上层网络路由6，上层网络路由6 安装在网络中每个开关节点；第二种硬件保护装置为中转路由，安装在上层网络4中，用于 信息中转的路由节点上；第三种为硬件保护装置为配变终端(TTU)，其用做下层网络路由 5，下层网络路由5包括配变监测设备，以及远程抄表设备。通过配电网的馈线构成的馈线网络中的每个开关7，配接上层网络路由6。上层 网络路由6安装在上下两层网络的连接点，构成上下两层网络的连接通道。上层网络路由 6采用了远程控制终端(FTU)，实现对馈线网络中的开关7的控制和保护。上层网络路由6 中编写了基于无线自组网通讯所需要的各种协议，可以通过在其上外接无线通讯模块的方 式，实现信息的无线发送和接收，从而实现配电网遥控、遥信、遥测、遥调的“四遥”功能。当 某一个开7关发生故障后，远程控制终端(FTU)将会实时监测到开关的故障，通过远程控制 终端(FTU)中的路由协议，自动寻找与之相近的网络节点，通过握手协议，确定临近节点是 否正在传送数据。如果正在发送其他节点数据，则继续寻找下一个节点，如果不忙，将信息 传递到该节点，以此类推，最终将信息传送到与监控主机相连的通讯管理机2，再送入上位 机SCADA监控系统3中。同理，上位机SCADA监控系统3也通过同样的方法将指令传送给 具体的某个FTU，FTU将控制开关7进行相应的动作。馈线网络中的开关7采用智能开关。远程控制终端(FTU)配备了无线通讯模块；中转路由配备了无线通讯模块；配变 终端(TTU)配备无线通讯模块；在无线通讯模块上加装有定向天线。配变终端(TTU)的信息采集，将通过智能开关节点附近的配变终端设备8(配电变 压器，电能表)组成小范围的下层网络进行，通过开关节点处的上层网络路由6作为中转 站，传入上层网络4，实现其与配电监测主站的信息交换。开关7的连节点在无线自组网1 中起着承上启下的作用，此节点同时具有两层网络协议，以实现两层网络中间桥梁的作用。 配变终端设备8，以及电能表等数据采集装置相互配套，以构建本发明所需要的无线自组网 1的下层网络。路由协议是保证无线自组网1正常传递信息的重要组成部分。要实现多跳路由， 必须选择相应的路由协议。适用于配电网的路由协议主要有DASV、DSR、AVOD, OLSR等，须 知，每种路由协议都有各自的特点，适合于不同的使用环境。本发明的组网方法是，使用配电网，采用上位机SCADA监控系统3，配电网采用由 上下两层网络构成的无线自组网1，上下两层网络采用不同的路由协议、不同通讯频率进行 信息传递；对配电网中的上层网络4的路由节点和下层网络的路由节点，都分配了唯一的 地址编码；通过上位机显示出每一个信息传递过程所经历的路线，来判别故障，以及判别每个节点工作的状况，实时跟踪信息的传递；在上位机SCADA监控系统3上观察到上传或者 下传的数据的传送路线以及信息传送中断的节点位置；一旦出现数据丢失，通过查找可查 找出数据是在何处丢失；并且通过安装在上位机中的SCADA系统软件，手动设定数据传送 路线，实现数据更高效的传递。根据组网的需求，在上层网络4中采用DSR路由协议，在下 层网络采用DSDV路由协议。DSR路由协议在处理数据流量不大的静止节点时候，分组递交 率、时延、路由开销以及吞吐量指标完全适合于对配电网中开关设备的监测，实现遥控、遥 信、遥测、遥调的“四遥”功能。鉴于DSDV路由协议在处理大量数据时，表现十分出色，因此 其适用于使用在数据量十分庞大，但是对实时性要求又不高的配变终端设备中。这里需要 指出的是，由于网络中同时存在DSR和DSDV两种协议，若物理层采用相同频率，势必会产生 不必要的干扰和侦听，因此在具体应用中宜采用不同的通信频率。本发明将上下两层网络 采用了不同通讯频率，硬件装置采用远程控制终端(FTU)，其在应用于开关节点处的时候， 配备了两个无线通讯模块，以实现上下层网络之间的双向工作。这里需要说明一下，下层网络的无线节点只能和其所在地域内的唯一一个指定的 上层网络路由6所采用远程控制终端(FTU)进行通讯。即每一个小区域内的下层无线自组 网的目的地址是唯一的，信息通过网络中的路由，多跳传输信息到FTU装置，FTU接收到数 据后，将根据情况将相应的数据通过上层网络4传输给上位机中的SCADA监控软件。远程 控制终端(FTU)是以查询的方式收集下层网络的数据信息，下层网络数据上传的工作优先 级是最低的，也就是说，只有在远程控制终端(FTU)没有其他工作任务的时候，它才会把下 层网络的数据传送给监控中心。由于本发明采用了上下两层网络构成的无线自组网1，并且应用的对象特点不 一样，因此本发明采用的硬件保护装置分为三种。第一种硬件保护装置为远程控制终端 (FTU)，其作为上层网络路由6，也可以称做上层网络4的路由器。第二种硬件保护装置应用 于上层网络4，用于信息中转的中转路由。第三种硬件保护装置为应用于下层网络的配变终 端的TTU，也称作下层网络路由5，包括配变监测设备，以及远程抄表设备。1)远程控制终端(FTU)在基于无线自组网的配电自动化系统中具有着重要的作 用。它不仅要实现配电网要求的各种保护功能，另一个重要的任务就是实现上下两层无线 网络的连接，实现上下两个网络信息的有效传递。因此对这种硬件设备要求高。远程控制 终端(FTU)需要配备两个无线模块，分别应用于两层网络。2)目前，大多数无线网络的无线通讯模块有效的通讯距离小于2000米，在有些地 区，开关控制的节点不可能完全覆盖整个网络，因此需要根据配电网所在的地理分布情况， 装设路由节点。该硬件装置，不需要具备像远程控制终端(FTU)那样的保护功能，只需要能 够完成信息的接收和发送就可以了。因此在硬件设计上比远程控制终端(FTU)要简单些。 路由节点只需要一个无线模块，完成上层网络4的通讯任务。3)各种配变终端(TTU)，需要根据各自需要完成的任务，设定相应的技术要求，并 在硬件装置中编写路由协议，以完成信息的传送任务。配变终端(TTU)只需要一个无线模 块，实现信息的发送。另外，如果某些终端或者节点距离其他节点比较远，并且与之最近的节点只有一 个，可以采用在无线模块上加装定向天线的方式，增强信号的传输能力，达到减少网络节点 的目的。通常定向天线的成本要比网络节点的成本低得多。因此，在这种情况下使用，无线模块上加装定向天线的结构应优先考虑。本发明的对故障的判别和定位是，在配电网馈线开关附近安装若干个无线网络路 由，这些节点将整个配电网划分成若干个分段。每一个节点负责监控某一段的线路，根据节 点所提供的故障信息，可以很迅速判断出是哪一段发生了故障。每一个节点都有自己唯一 的编码地址，这样在事件上传时候就可以在上位机上准确的演示出信息传递的路线。如图3所示，配电网中安装了七个上层网络路由6，分别在网络节点一、网络节点 二、网络节点三、网络节点四、网络节点五、网络节点六、网络节点七的位置上。上位机SCADA 监控软件，即为无线自组网网络的中心节点。若有故障发生，节点会马上得出故障信息通过 无线方式传送到监控中心。图3中以A点作为故障点为例，A点之前有网络节点一、网络节 点三和网络节点五。这时处于故障点A附近的网络中的网络节点五和网络节点七上的上层 网络路由6都将监测到故障，他们分别将故障信息通过无线自组网1传入监控主机。路线 分别为网络节点七——网络节点五——网络节点三——网络节点一和网络节点五——网 络节点三——网络节点一。处于变电站的监控中心根据收到的信号来源很快判断出故障发 生在网络节点五和网络节点七之间。这就实现了故障的定位。根据上位机采用不同的配网 自动化方案，如电流时间型和电压时间型，就可以实现配电网的“四遥”四功能。
权利要求
基于无线自组网的配电网馈线自动化系统，采用无线自组网，包括馈线终端自动化系统和配变终端信息采集系统，其特征在于，采用了上位机SCADA监控系统(3)，上位机SCADA监控系统(3)通过通信管理机(2)与无线自组网(1)配连，无线自组网(1)由上下两层网络构成，上层网络(4)作为馈线终端自动化系统，下层网络作为配变终端信息采集系统，构成无线自组网(1)的上下两层网络根据采集信息的不同要求采用不同的路由协议。
2.根据权利要求1所述的基于无线自组网的配电网馈线自动化系统，其特征在于，构 成无线自组网⑴的上层网络⑷采用了 DSR路由协议，构成无线自组网⑴的下层网络 采用DSDV路由协议。
3.根据权利要求1所述的基于无线自组网的配电网馈线自动化系统，其特征在于，其 特征在于，构成无线自组网(1)的上下两层网络的连接点装有上层网络路由(6)。
4.根据权利要求1所述的基于无线自组网的配电网馈线自动化系统，其特征在于，由 上下两层网络构成的无线自组网(1)采用了三种硬件保护装置；第一种硬件保护装置为远 程控制终端(FTU)，用做上层网络路由(6)，其安装在网络中每个开关节点；第二种硬件保 护装置为中转路由，安装在上层网络(4)中；第三种硬件保护装置为配变终端(TTU)，用作 下层网络路由(5)。
5.根据权利要求1所述的基于无线自组网的配电网馈线自动化系统，其特征在于，配 变终端(TTU)包括配变监测设备，以及远程抄表设备。
6.根据权利要求1所述的基于无线自组网的配电网馈线自动化系统，其特征在于，远 程控制终端(FTU)配备了无线通讯模块。
7.根据权利要求4所述的基于无线自组网的配电网馈线自动化系统，其特征在于，中 转路由配备了无线通讯模块。
8.根据权利要求4所述的基于无线自组网的配电网馈线自动化系统，其特征在于，配 变终端(TTU)配备了无线通讯模块。
9.根据权利要求6或7或8所述的基于无线自组网的配电网馈线自动化系统，其特征 在于，在无线通讯模块上加装有定向天线。
10.基于无线自组网的配电网馈线自动化组网方法，使用配电网，其特征在于，采用上 位机SCADA监控系统(3)，配电网采用由上下两层网络构成的无线自组网(1)，上下两层网 络采用不同通讯频率进行信息传递；对配电网中的上层网络(4)的路由节点和下层网络的 路由节点，都分配了唯一的地址编码；通过上位机显示出每一个信息传递过程所经历的路 线，来判别故障，以及判别每个节点工作的状况，实时跟踪信息的传递；在上位机SCADA监 控系统(3)上观察到上传或者下传的数据的传送路线以及信息传送中断的节点位置；一旦 出现数据丢失，通过查找可查找出数据是在何处丢失；并且通过安装在上位机中的软件，手 动设定数据传送路线，实现数据高效的传递。
全文摘要
本发明涉及基于无线自组网的配电网馈线自动化系统及其组网方法，其系统采用无线自组网，上位机SCADA监控系统通过通信管理机与无线自组网配连，无线自组网由上下两层网络构成，上层网络作为馈线终端自动化系统，下层网络作为配变终端信息采集系统，构成无线自组网的上下两层网络根据采集信息的不同要求采用不同的路由协议。其组网方法是，将配电网划分为两个部分，组建无线自组网，采用不同的路由协议；以智能开关为上层通信节点构成配电自动化通信网络，利用无线自组网的特点；以开关节点为中心，通过的网络传送相关的数据，通过相对应的开关节点传送到上位机SCADA监控系统；通过上位机SCADA监控系统实现智能化控制。
文档编号H04W84/18GK101924391SQ20101024508
公开日2010年12月22日 申请日期2010年8月3日 优先权日2010年8月3日
发明者刘飞, 孙浩, 孟涛, 陈轩恕 申请人:国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司;国网电力科学研究院