专利名称：一种基于传感器网络的继电保护监控系统及方法
技术领域：
本发明属于继电保护领域，特别涉及一种新型、网络化、智能化和多 功能继电保护控制系统及其工作方法。
背景技术：
"西电东送、南北互送、全国联网"将给我国电力行业带来良好发展
机遇，到2020年，全国装机容量、发电量均将为世界第一。随着电网的迅 速发展，大量机组、超高压输变电的投运，对继电保护产品技术提出更高 的发展目标，例如计算机化，网络化，保护、控制、测量、数据通信一体 化和人工智能化等。
到目前为止，除了差动保护和纵联保护外，所有继电保护装置都只能 反映保护安装处的电气量。继电保护的作用也只限于切除故障元件，縮小 事故影响范围。这主要是由于继电保护装置之间没有形成网络，缺乏强有 力的数据通信手段。继电保护的作用主要是切除故障元件和限制事故影响 范围，同时还要保证全系统的安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能 共享全系统的运行和故障信息的数据，各个保护单元与重合闸装置在分析 这些信息和数据的基础上进行协作，并协同完成动作，确保系统的安全稳 定运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于传感器网络的继电保护控制系统，将 由传感器节点和执行器节点构成的多个继电保护节点连接构成网络，每个 保护节点都能共享全系统的运行和故障信息数据，在分析这些信息和数据的基础上进行协作，并协同完成动作，确保系统的安全稳定运行。
本发明还提供一种基于传感器网络的继电保护控制方法，由传感器节 点和执行器节点构成的多个继电保护节点相互通信，共享全系统的运行和 故障信息数据，在分析这些信息和数据的基础上协同完成动作，确保系统 的安全稳定运行。
一种基于传感器网络的继电保护监控系统，包括传感器节点、执行器 节点、网关节点和集控中心， 一个监控对象对应有至少一个传感器节点和 至少一个执行器节点，
监控对象的传感器节点采集电气量数据，通过无线通信将其传送给该 监控对象的执行器节点；
收到电气量数据的执行器节点进行故障判断，若判定发生故障，报警 或者执行故障对应电气元件切断操作，并将故障信息通过无线通信传送给 其它监控对象的执行器节点，其它监控对象的执行器节点根据故障信息判
断是否需要连锁切断各自控制的电气元件，若需要，执行操作；收到电气
量数据的执行器节点还通过网关节点将电气量数据、故障信息以及报警或
电气元件切断信息传送给集控中心；
网关节点用于集控中心与执行器节点之间数据的转发； 集控中心用于存储来自执行器节点的电气量数据、故障信息以及报警
或电气元件切断操作信息。
所述传感器节点包括数据采集模块l丄l、传感器节点处理模块l丄2、 传感器节点无线通信模块l丄3和传感器节点电源模块l丄4，数据采集模块 l丄l用于采集电气量数据，传感器节点处理模块l丄2用于模数转换和存储 模数转换后的电气量数据，传感器节点无线通信模块l丄3用于传感器节点 之间以及传感器节点与执行器节点间的电气量数据传送，传感器节点电源 模块U.4用于为其它三个模块提供电源。
所述执行器节点包括执行模块2丄1、执行器节点处理模块2丄2、执行 器节点无线通信模块2丄3和执行器节点电源模块2丄4，执行模块2丄1用于根据执行器节点处理模块2丄2的指令执行操作，执行器节点处理模块
2丄2用于存储来自执行器节点无线通信模块2丄3的电气量数据，进行故障 分析生成指令，并传递给执行模块2丄1;执行器节点无线通信模块2丄3用 于执行器节点间、执行器节点与传感器节点间以及执行器节点与网关节点 间的电气量数据传送，执行器节点电源模块2丄4用于为其它三个模块提供 电源。
一种基于传感器网络的继电保护监控方法， 一个监控对象对应至少一 个传感器节点和至少一个执行器节点，该方法按照以下步骤进行
(1) 监控对象的传感器节点采集电气量数据，将其传送给该监控对象
的执行器节点；
(2) 收到电气量数据的执行器节点对电气量数据进行故障分析，若判 定发生故障，则报警或执行故障对应电气元件切断操作，并通过无线通信 将故障信息传送给其它监控对象的执行器节点；
(3) 其它监控对象的执行器节点根据故障信息判断是否需要连锁切断 其它电气元件，若需要，则执行操作。
(4) 收到电气量数据的执行器节点将故障信息无线传送给其它监控对 象的执行器节点，其它监控对象的执行器节点根据故障信息判断是否需要 连锁切断各自控制的电气元件，若需要，执行操作。
本发明的优点和特点体现在以下几个方面
(1) 无线方式。基于传感器网络的继电保护控制系统采用无线方式， 相对于传统的有线方式，组建方便简单，不需要布设通信电缆。而且，无 线方式配置灵活、维护方便、易于扩展。本发明采用传感器网络技术，使 得网络系统具有自组织、自适应的功能，可靠性更好。
(2) 网络化。相对于传统继电保护装置各自孤立的状态，本发明中的 各个继电保护节点形成了网络，并且为节点之间提供了高效的数据通信手段。
(3) 智能化。在本发明中，每个继电保护节点都能共享全系统的运行 和故障信息的数据，各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的 基础上进行协作，并协同完成动作，确保系统的安全稳定运行。继电保护 节点能够得到的系统故障信息越多，则对故障性质、故障位置的判断和故 障距离的检测愈准确，使整个系统更智能。
(4) 多功能一体化。在本发明中，继电保护节点从网络上获取电力系 统运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的任何信 息和数据传送给集控中心或任一个继电保护节点。每个继电保护节点不但 可以完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控 制、数据通信功能，即实现测量、数据通信、保护、控制一体化。
本发明具有高可靠性，实时性强等特点。另外，集控中心会日复一日 记录电气量数据及故障信息，并对这些数据和信息进行分析，分析结果既 可以成为以后电力故障防范提供依据，又可以给电力系统扩容提供重要的 数据。
图1为本发明的总体结构图2为继电保护监测节点结构图-，
图3为继电保护执行节点结构图4为本发明的继电保护控制系统运行步骤图5为本发明的继电保护节点通信数据包格式；
图6为本发明实例的继电保护监测节点硬件结构图7为本发明实例的继电保护执行节点硬件结构图8为本发明实例的继电保护监测节点开关量输入回路；
图9为本发明实例的继电保护监测节点模拟量输入回路；
图10为本发明实例的继电保护执行节点开关量输出回路。
具体实施方式
如图l所示，本发明由若干个继电保护监测节点i iW(/,力(表示为第/个 监控对象安置的第)个传感器节点，/JeiV,iV为自然数)、继电保护执行节点 i iM—,")(表示为第m个监控对象安置的第"个继电保护执行节点，
m,"eAO、网关节点以及集控中心组成。 一个监控对象的所有传感器节点和 执行器节点构成一个继电保护节点，多个继电保护节点连接构成无线网络。 传感器节点安装在发电机、变压器、母线、输配电线路等电气设备上， 用于收集电气数据。除此之外，还具有路由转发功能。传感器节点通过特 定的算法形成分簇网络，簇首收集监测节点的监测数据，并将电气数据传 送到相应的继电保护执行节点。执行器节点将电气数据与预先设定的整定 值进行比较，判断是否发生了故障。若发生了电力故障，并需要切断相应 电气元件，则立即动作。接着，该执行器节点与其它执行器节点进行通信， 相互协商，判断是否需要连锁切断其它的电气元件。若需要，则立即动作。 例如，传感器节点i iW(/。,力用于收集输电线路/。的电流。传感器节点 WW(/"')形成分簇网络。簇首i ，(/。,J。;M^iV统一收集输电线路的电流 量，并将其传送给为输电线路保护的执行节点i iM(/。，^)。执行器节点 i /M(/。,W将收到的电流量与预先设定的整定值进行比较，判断输电线路是 否发生故障。
传感器节点包括数据采集模块l丄l、传感器处理模块1丄2、传感器 无线通信模块1丄3、传感器电源模块1丄4组成，如图2所示。数据采集模 块l丄l包括开关量输入回路和模拟量输入回路，负责对发电机、变压器、 母线、输配电线路等电气设备的电气量进行采集并做一定的数据转换；传 感器处理模块l丄2控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数 据，以及其它节点发来的数据；传感器无线通信模块1丄3指定传感器节点 之间或者传感器节点和执行器节点按照一定的通信协议相互通信，交换采 集数据和控制信息；传感器电源模块l丄4为传感器节点运行提供所需的所 有电源。
继电保护执行节点包括执行模块2丄1、执行器处理模块2丄2、执行 器无线通信模块2丄3、执行器电源模块2丄4组成，如图3所示。执行模块 2丄1根据执行器处理模块2丄2发出的命令进行执行任务，如断路器跳闸，切除相应的电气元件等;执行器处理模块2丄2控制整个执行器节点的操作， 存储和处理数据，将采集的数据与设定的整定值进行比较，判断是否发生 故障；执行器无线通信模块2丄3指定执行器节点之间或者执行器节点和传 感器节点按照一定的通信协议相互通信，交换采集数据和控制信息；执行 器电源模块2丄4为执行器节点运行提供所需的所有电源。
网关节点具有很强的处理器能力、存储能力和通信能力，它连接着继 电保护网络和集控中心的局域网，实现两种网络协议栈之间的通信协议转 换，同时发布用户的监测和控制任务。作为继电保护控制系统与用户交流 的平台，上述所说的集控中心将电力系统监测数据以及故障信息都存储在 数据库中，供用户查看。
传感器节点采用分簇的方式形成网络，分簇网络的形成过程如下首 先，簇首广播信标帧。邻近节点收到信标帧后，就可以申请加入该簇。簇 首决定该节点是否能够成为簇成员。如果请求被允许，则该节点将作为簇 的成员加入到簇首的邻居列表。新加入的节点会将簇首作为它的父节点加 入到自己的邻居列表中。通过这种方式，形成一个树簇网络。簇首可以指 定另一个节点作为邻接的新簇首，以此形成更多的簇。新簇首同样可以选 择其它节点成为簇头，进一步扩大网络的覆盖范围。但是，过多的簇首会 增加簇间消息传递的延迟和通信幵销。为了减少簇间消息传递的延迟和通 信开销，簇首可以选择最远的节点作为相邻簇的簇头。
执行器节点、网关节点之间的通信路由协议采用泛洪协议。执行器节 点i /M(m,^)希望发送数据给网关节点S，使用泛洪算法，首先通过网络将数 据副本传送给它的每一个邻居节点，每一个邻居节点又将其传输给各自的 每一个邻居节点，除了刚刚给它们发送数据副本的节点i A4—,")外。如此 继续，直到数据传输到网关节点S为止。
本发明中，网络协议栈采用Zigbee协议栈，对于发电机、配电房、变 压器等电力设备的干扰有着很好的防范技术。网络系统工作在2.4GHz ISM 频段，与电力设置产生的电磁波不在同一频段，因此没有干扰。由于Zigbee 协议免专利费，加之节点的复杂程度低，这些可以有效地降低继电保护控 制节点成本。传感器节点形成分簇网络的簇首选举过程如下传感器节点产生一个 0 1之间的随机数i "M(O，如果i^m/(!:Kr(0，则自己为簇首，并发出广播
消息。在每轮循环中，如果节点已经当选过簇首，则设置r(o-o，这样该 节点不会再次当选为簇首。对于未当选过簇首的节点，则将以r(o的概率当 选。随着当选过簇首的节点数目增加，剩余节点当选簇首的阈值r(/)随之增 大，节点产生小于r(/)的随机数的概率也越大，随意节点当选簇首的概率增 大。当只剩下一个节点未当选时，r(o = i，表示这个节点一定当选。r(/)可 以表示为
<formula>formula see original document page 11</formula> 其他
其中，户是簇首在所有节点中所占的百分比，r为选举轮数，rmod(l/尸) 代表这一轮循环中当选过簇首的节点个数，G是这一轮循环中未当选过簇 首的节点集合。
图5所示为继电保护控制系统中各节点之间通信数据包的一种结构形 式，由数据序列号5.1、帧控制字段5.2、地址5.3、故障数据5.4、整定值 5.5、时间戳5.6组成。其中地址包括源节点的网络标识5.3.1、源地址5.3.2、 目的节点的网络标识5.3.3、目的地址5.3.4。
图6为传感器节点硬件结构的一个实例图。该节点包括输入回路6.1 (开关量输入回路和模拟量输入回路)、处理模块6.2 (Atmegal28处理器 和Flash存储器)、无线收发器6. 3(CC2420)、电源6. 4。 Atmegal28为Atmel 公司的AVR系列单片机，选择其作为微控制器单元，主要出于两个原因 一方面Atmegal28采用的RISC技术使其具有较高的计算性能，另一方面 Atmegal28的可用开源开发软件工具成熟且TinyOS操作系统对其支持较好。 Atmegal28具有32个通用寄存器，64个1/0控制寄存器，片内128KB程序 存储器，可编程UART、 I2C、 SP工接口，可编程RTC、看门狗、时钟源及计 数器，8通道10位ADC、六种低功耗模式等特点。CC2420是Chipcon公司 推出的首款符合2. 4GHz IEEE802. 15. 4标准的无线收发器，并且TinyOS操 作系统已经包含CC2420驱动程序。使用CC2420，只需极少外部元器件，可确保短距离通信的有效性和可靠性，支持数据传输率高达250kbps，可以实
现多点对多点的快速组网，具有超低电流消耗，抗邻频道干扰能力强
(39dB)，输出功率编程可控等特点。
图7为执行器节点硬件结构的一个实例图。该节点包括开关量输出回 路7. 1、处理模块7. 2 (Atmegal28处理器和Flash存储器)、无线收发器 7.3 (CC2420)、电源7. 4。
图8为传感器节点的开关量输入回路实例图。开关量输入回路包括断 路器和隔离开关的辅助触点或跳合闸位置继电器接点输入、外部装置闭锁 重合闸触点输入、轻重瓦斯继电器接点输入，还包括脉冲量输入、有功无 功电度输入等。当输入端子KR为高电平时，通过限流电阻Rl，滤波电路 (Cl， C2， R2， R3)，则光电隔离TP121导通，输出PA就为低电平。反之，当 KR为低电平时，输出PA就为高电平。R4为上拉电阻。
图9为传感器节点的模拟量输入回路实例图。由电力系统输入到继电 保护控制节点的模拟信号主要有两类 一类是来自电压互感器PT (或电流 互感器CT)的交流电压(或电流)信号，另一类是来自分压器(或分流器) 的直流电压(或电流)信号。这些信号首先通过电压形成回路被转换到与 节点相匹配的电平，通过模拟滤波器滤(ALF)去其中的高频部分，然后由 采样保持环节(S/H)将连续信号离散化。由于输入的信号通常不止一个， 所以用多路转换开关逐个通过模数转换器(ADC)变为数字量。
图IO为执行器节点的开关量输出回路实例图。开关量输出回路是对断 路器等控制对象实现控制操作的出口通道。主要任务是将小信号转换为大 功率输出，满足驱动输出的功率要求。采用并列输出端口(PA)来控制有节 点的继电器。在输出通道里还要防止控制对象对继电保护执行节点的反馈 干扰，因此输出通道也需要光电隔离。当PA为高电平时，经过非门电路， 则光电隔离TP127导通，继电器KC工作。R为限流电阻。
一种基于传感器网络的继电保护控制方法，如图4所示，包括以下步
骤
第一步在电力系统中，待检测的电气量输入到传感器节点的处理器。 若电气量为开关量，则进入开关量输入回路，包括断路器和隔离开关的辅助触点或跳合闸位置继电器接点输入、外部装置闭锁重合闸触点输入、轻 重瓦斯继电器接点输入，还包括脉冲量输入、有功无功电度输入等；若为 模拟量，则进入模拟量输入回路，通过模拟低通滤波器规范输入量，使用 A/D转换器将模拟量转变为数字量。
第二步传感器节点将电气量发送到同属于一个监控对象的执行器节 点。执行器节点的处理器通过调用程序存储器内的程序对电气量进行计算， 其计算结果与存放在存储器中的整定值或超限值进行比较，并做出相应判 断。电力系统发生故障时，通常会出现电流增加、电压升高或降低、频率 降低，或者出现瓦斯、温度升高等现象。
第三步若发生故障，并需要切断相应的电气元件，立即动作。通过 输入输出端口将执行信号送到相应外设发出报警信号，或者执行跳闸。执 行任务是对控制对象(例如断路器)实施控制操作，主要任务是将小信号 转换为大功率输出，满足驱动输出的功率要求。为了防止控制对象对系统 的反馈干扰，因此也需要经一级光电隔离处理。
第四步执行器节点与其它监控对象的执行器节点进行通信，实时传 输故障信息。并进行协商，确定完成哪些执行任务。若需要连锁切断其它 任务，则立即动作。
权利要求
1、一种基于传感器网络的继电保护监控系统，其特征在于，包括传感器节点、执行器节点、网关节点和集控中心，一个监控对象对应有至少一个传感器节点和至少一个执行器节点，监控对象的传感器节点采集电气量数据，通过无线通信将其传送给该监控对象的执行器节点；收到电气量数据的执行器节点进行故障判断，若判定发生故障，报警或者执行故障对应电气元件切断操作，并将故障信息通过无线通信传送给其它监控对象的执行器节点，其它监控对象的执行器节点根据故障信息判断是否需要连锁切断各自控制的电气元件，若需要，执行操作；收到电气量数据的执行器节点还通过网关节点将电气量数据、故障信息以及报警或电气元件切断信息传送给集控中心；网关节点用于集控中心与执行器节点之间数据的转发；集控中心用于存储来自执行器节点的电气量数据、故障信息以及报警或电气元件切断操作信息。
2、根据权利要求1所述的一种基于传感器网络的继电保护监控系统， 其特征在于，所述传感器节点包括数据采集模块(l丄l)、传感器节点处理 模块(l丄2)、传感器节点无线通信模块(l丄3)和传感器节点电源模块 (l丄4)，数据采集模块(l丄l)用于采集电气量数据，传感器节点处理模 块(l丄2)用于模数转换和存储模数转换后的电气量数据，传感器节点无 线通信模块(l丄3)用于传感器节点之间以及传感器节点与执行器节点间 的电气量数据传送，传感器节点电源模块(l丄4)用于为其它三个模块提 供电源。
3、根据权利要求1所述的一种基于传感器网络的继电保护监控系统， 其特征在于，所述执行器节点包括执行模块(2丄1)、执行器节点处理模块(2丄2)、执行器节点无线通信模块(2丄3)和执行器节点电源模块(2丄4)， 执行模块(2丄1)用于根据执行器节点处理模块(2丄2)的指令执行操作， 执行器节点处理模块(2丄2)用于存储来自执行器节点无线通信模块(2丄3 ) 的电气量数据，进行故障分析生成指令，并传递给执行模块(2丄1);执行 器节点无线通信模块(2丄3)用于执行器节点间、执行器节点与传感器节 点间以及执行器节点与网关节点间的电气量数据传送，执行器节点电源模 块(2丄4)用于为其它三个模块提供电源。
4、根据权利要求1所述的一种基于传感器网络的继电保护监控系统， 其特征在于，所述单个监控对象的传感器节点构成无线分簇网络，其中作 为簇首的传感器节点汇集该监控对象的所有传感器节点采集的电气量数 据，并将其传送给该监控对象的执行器节点。
5、根据权利要求1所述的一种基于传感器网络的继电保护监控系统， 其特征在于，所述执行器节点还根据来自集控中心的监控任务进行电器元 件切断操作。
6、 一种基于传感器网络的继电保护监控方法， 一个监控对象对应至少 一个传感器节点和至少一个执行器节点，该方法按照以下步骤进行(1) 监控对象的传感器节点采集电气量数据，将其传送给该监控对象 的执行器节点；(2) 收到电气量数据的执行器节点对电气量数据进行故障分析，若判 定发生故障，报警或执行故障对应电气元件切断操作，并通过无线通信将 故障信息传送给其它监控对象的执行器节点；(3) 其它监控对象的执行器节点根据故障信息判断是否需要连锁切断 其它电气元件，若需要，则执行操作。(4)收到电气量数据的执行器节点将故障信息无线传送给其它监控对 象的执行器节点，其它监控对象的执行器节点根据故障信息判断是否需要 连锁切断各自控制的电气元件，若需要，执行操作。
7、根据权利要求6所述的一种基于传感器网络的继电保护监控方法， 其特征在于，所述步骤(1)具体为单个监控对象的传感器节点形成无线 分簇网络，其中作为簇首的传感器节点汇集该监控对象的所有传感器节点 采集的电气量数据，将其传送给该监控对象的执行器节点。
全文摘要
一种基于传感器网络的继电保护监控系统，包括传感器节点、执行器节点、网关节点和集控中心，传感器节点采集电气量数据，将其无线传送给对应监控对象的执行器节点；收到电气量数据的执行器节点若判定发生故障，则报警或切断电气元件，并将故障信息无线传送给其它监控对象的执行器节点，其它监控对象的执行器节点判断是否需要连锁切断电气元件，若需要，执行操作；收到电气量数据的执行器节点还通过网关节点将电气量数据、故障信息以及报警或电气元件切断信息传送给集控中心；本发明还提供基于传感器网络的继电保护监控方法。本发明的多个继电保护节点连接构成网络，节点均能共享全系统的运行和故障信息，并协同完成动作，确保系统的安全稳定运行。
文档编号H02H7/26GK101436777SQ20081023673
公开日2009年5月20日 申请日期2008年12月9日 优先权日2008年12月9日
发明者戴志诚, 汪秉文 申请人:华中科技大学