基于多层混合网络的智能变电站状态监测数据汇集系统的制作方法

本发明属于智能变电站技术领域，特别涉及一种基于多层混合网络的智能变电站状态监测数据汇集系统。

背景技术：

状态监测系统致力于提高电力设备运行的可靠性和可控性，保障电力设备的安全运行，是电网安全稳定运行的第一道防线，可以改善整体的供电可靠性，提升变电站的智能化水平。状态监测系统的智能化功能可为智能电网的整体决策提供坚实的基础。

传统电力设备状态监测的方法采用定期预防性检修、试验以及人工巡视等方法。为了避免事故发生，在设备运行过程中，值班人员需要经常巡视，凭借外观现象、指示仪表、人工经验等进行判断以便及时发现异常。除此之外，还会定期停止运行来对电力设备例行检查，做机械动作试验或者预防性绝缘试验，及时做出结构缺陷方面的处理等。近年来，国内外电力设备状态监测在理论研究方面取得了较大的进展，并研发了针对输电线路、变压器和断路器等设备的状态监测与故障诊断装置，但在状态监测信息集成共享方面仍面临很多缺陷，如：状态监测系统还处于分散监测阶段，与计算机监控系统相互独立；电力控制中心与各个变电站之间，以及状态监测系统与其他系统之间，在进行通信时的数据信息模型和通信接口高度异构；信息共享性差，难以充分利用不同的信息进行设备的状态评估、故障诊断和状态检修。因此，迫切需要建立一套面向大数据的、统一的、开放的、符合智能电网设备发展需要的变电设备状态监测系统。

上述愿景的基础是一次设备智能化，其主要目的之一是实现状态信息的数字化采集和网络化的传输，建立基于IEC61850的统一信息模型和通信平台，为一次设备的状态监测提供底层依据。智能化一次设备可以由设备制造厂商直接设计与制造，尚处于研究阶段，难度很大。更加可行的方法是增量式设计部署状态监测智能电子装置(以下简称IED)对传统电力设备进行智能化改造，基于数字化网络形成信息一体化的系统。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于多层混合网络的智能变电站状态监测数据汇集系统，包括基于分布式ZigBee无线传感器网络的电力设备状态监测数据采集IED群组及其上位汇聚IED群组、部署状态监测服务器；其特征在于，该系统分为站控层和采集汇聚层；所述状态监测服务器部署于智能变电站的站控层；所述采集汇聚层包括汇聚和采集两个子系统；其中，

所述汇聚子系统由协调集中器分别连接汇聚IED群组的IED个体构成；协调集中器再连接状态监测服务器；所述汇聚IED群组中个体包括电源模块、无线通信模块和数据处理模块；用于集中存放和管理来自不同状态监测点的异构设备状态数据；

所述采集子系统包括多种电力设备状态监测IED群组，每一个电力设备需要多个状态监测IED构成状态监测IED群组；这些状态监测IED群组包含GIS状态监测IED群组、高压断路器状态监测IED群组；状态监测主要由采集IED群组实现，采集IED群组由同构IED个体分布式布局，每个IED个体根据宿主电力设备不同而有差异，这些个体IED包括太阳能电源模块、数据采集模块、数据处理模块和无线通信模块；

所述采集IED群组中的太阳能电源模块，采用太阳能方式为数量众多的IED群组个体供电，可以提高灵活性，降低成本；数据采集模块由附在电力设备上的各类型传感器采集数据，进行数据转换后通过数据传感通道进行传输；数据处理模块，由微处理器及外围电路组成的工控机实现，负责对数据传感通道传输上来的数据进行处理；无线通信模块，包括ZigBee网络以及GPRS网络的无线收发器，参与ZigBee网络的模块将微处理器处理完的数据传递给上位汇聚层IED，参与GPRS网络的模块接收汇聚层IED传递的同步对时信号，保证采集IED群组与汇聚IED群组的时钟同步性。

所述汇聚IED中电源模块采用可充电干电池，稳定地为汇聚IED供电；无线通信模块，包括ZigBee网络以及GPRS网络的无线收发器，参与ZigBee网络的模块接收下游采集IED群组传输来的数据，并传输给汇聚IED的数据处理模块，参与GPRS网络的模块通过天线接入GSM网络，接收卫星传递的同步对时信号，并将对时信号传递给本地的各个模块以及远端下游的采集IED群组，保证三者的同步性；数据处理模块，包括嵌入式ARM处理器，现场可编程门阵列FPGA，数据由无线通信模块传输至FPGA的接收逻辑模块，经过同步后发送给作为缓冲池的双口RAM，经过缓冲后再发送到ARM处理器进行处理，经过处理后的数据由有线或者无线的方式传递至协调集中器。

所述协调集中器将数据进一步集中后，实现异构多源数据的有序集成，传递给位于站控层的状态监测服务器，该服务器对数据进行存储、处理和传输，具有事务性告警、状态可视化实时监控功能；其作用是将数据进一步上传和处理的枢纽节点，并成为状态监测大数据生成的基础，进一步上传汇集的数据源头。

本发明的有益效果是，明显改善现有变电站状态监测领域的依赖人工干预，管理分散，效率低下，数据集成融合困难，通信时数据信息与通信接口高度异构，信息共享度低，无法有效应对分布式海量状态监测数据的统一处理需求等突出问题，通过科学有效的总体设计规划，流畅有序地实现状态监测数据的采集、汇聚、融合、集成、处理、集中展示、永久存储等多种操作，更大限度提高状态监测数据的一致性、有效性和完整性，可以作为面向电力系统更大跨度更宏观范畴的状态监测与评估系统的数据采集与处理子系统，进而为电力设备状态检修决策与安全风险评估提供前端支持。

附图说明

图1是用于智能变电站状态监测数据汇集系统的整体结构设计图；

图2是用于智能变电站状态监测的数据采集IED硬件结构设计图；

图3是用于智能变电站状态监测的数据采集IED软件结构设计图；

图4是用于智能变电站状态监测的数据汇聚IED硬件结构设计图；

图5是用于智能变电站状态监测的数据汇聚IED软件结构设计图；

图6是用于智能变电站状态监测的状态监测服务器软件结构设计图；

具体实施方式

本发明提供一种基于多层混合网络的智能变电站状态监测数据汇集系统，包括基于分布式ZigBee无线传感器网络的电力设备状态监测数据采集IED群组及其上位汇聚IED群组、部署状态监测服务器；该系统分为站控层和采集汇聚层；所述状态监测服务器部署于智能变电站的站控层；所述采集汇聚层包括汇聚和采集两个子系统；所述汇聚子系统由协调集中器分别连接汇聚IED群组的IED个体构成；协调集中器再连接状态监测服务器。

下面结合附图，对本发明的范围及其应用予以说明。

图1所示为一种用于智能变电站状态监测数据汇集系统的整体结构设计图。图1中，状态监测数据汇集系统整体结构包括采集汇聚层和站控层，采集汇聚层又分为汇聚子系统和采集子系统，站控层主要包括状态监测服务器。

所述采集子系统作为整个系统最底层，包括多种电力设备状态监测IED群组，如：GIS状态监测IED群组、高压断路器状态监测IED群组等。每一个电力设备需要多个状态监测IED构成状态监测IED群组。状态监测IED直接附着在GIS、高压断路器等电力设备上。状态监测IED中各类传感器分别采集一次设备相关信息，数据处理模块汇总并进行简单计算，ZigBee模块通过广播方式将信息发送给汇聚IED，这里把广播半径设置为1跳即可满足系统需要。

所述汇聚子系统包括汇聚IED组、协调集中器。各类电力设备的汇聚IED组成汇聚IED群组。汇聚IED接收所述采集子系统状态监测IED发送的广播消息，首先进行身份识别，只处理相应状态监测IED发送的消息。例如GIS汇聚IED只处理GIS状态监测IED群组发送的消息。ZigBee模块将汇聚IED处理后的信息通过单播发送给协调集中器。

为了确保整个ZigBee网络的正常通信，把状态监测数据采集IED设置为终端节点，汇聚IED设置为路由器节点，协调集中器设置为协调器节点。终端节点主要负责数据的采集，只能发送数据，不能转发其他节点的消息。路由器节点负责数据包的路由选择。协调器节点负责整个网络的组建、维护和上位管理。

所述站控层状态监测服务器对数据进行处理，存储协调集中器上传的数据，并通过光纤网络与上游系统相连，实现数据进一步的传输和利用，同时具有告警管理和可视化集中展示等功能。

图2是一种用于智能变电站状态监测的数据采集IED硬件结构设计图。图2中，状态监测数据采集IED群组个体包括太阳能电源模块、数据采集模块、数据处理模块和无线通信模块。

所述太阳能电源模块包括12V20W单晶硅太阳能电池板、12V10A太阳能控制器、2V7A·h的LC‐R127R2松下蓄电池、5‐3.3V电压转换器。所述数据采集模块，由附在电力设备上的各类型传感器采集数据，进行数据转换后通过数据传感通道进行传输。所述数据处理模块，由CC2530作为微处理器，与太阳能电源模块、数据采集模块、无线通信模块相连接，外围电路包括外部存储器、joystick、LED。其中外部数据存储模块主要来存储终端传感器节点采集的信息，joystick主要用在ZigBee节点组网、请求加入网络、允许加入网络及发送数据时进行配置及控制，LED指示灯表示节点是否加入或退出网络。

所述无线通信模块，由作为功率放大器的2.4GHz射频前端芯片CC2591芯片与作为GPRS无线收发器的SIM900A芯片组成。其中CC2591芯片作为功放部分，增加传输距离，并连接SMA天线以及倒F天线来发射电磁波。SIM900A芯片接收由汇聚IED传输过来的对时信号。

图3是一种用于智能变电站状态监测的数据采集IED软件结构设计图。图3中，用于状态监测的数据采集系统包含硬件层、硬件关联层、驱动层、操作系统，以及包含数据处理、数据采集控制等模块的应用层。

图4是一种用于智能变电站状态监测的数据汇聚IED硬件结构设计图。图4中，状态监测汇聚IED包括电源模块、无线通信模块和数据处理模块。

所述电源模块采用可充电干电池，稳定地为汇聚IED各模块供电。所述无线通信模块，包括ZigBee网络以及GPRS网络的无线收发器。参与ZigBee网络的模块为2.4GHz射频前端芯片CC2591，可将功率放大，增加数据传输的距离，外部连接SMA天线和倒F天线来接收下游IED群组传输的数据，并传输给数据处理模块。参与GPRS网络的模块为通信芯片SIM900A，通过天线接入GSM网络，接收卫星传递的同步对时信号，并将对时信号传递给本地的各个模块以及远端下游的IED群组，保证三者的同步性。

所述数据处理模块，包括现场可编程门阵列Virtex‐4FX FPGA XC4UFX12以及三星ARM S3C2440A处理器。其中FPGA XC4UFX12连接LED，用来显示网络的连接情况。ARM S3C2440A外部通过光纤或者无线方式与协调集中器连接，内部与FPGA XC4UFX12通过双口RAM连接，外围电路包括外部FLASH、JTAG接口、LCD显示器和USB接口。LCD主要是用来显示节点的状态。数据由无线通信模块传输至FPGA XC4UFX12的接收逻辑模块，经过同步后发送给作为缓冲池的双口RAM，经过缓冲后再发送到ARM S3C2440A处理器通过DSP算法进行处理，处理后的数据由光纤或者无线的方式传递至协调集中器。

图5是一种用于智能变电站状态监测的数据汇聚IED软件结构设计图。图5中，状态监测汇聚IED包含硬件层、硬件关联层、驱动层、操作系统层、中间件层以及应用层。

所述硬件层为ARM板硬件环境。所述硬件关联层包括硬件自启动系统BootLoader、驱动程序加载管理模块、JTAG监听模块和硬件初始化模块。其中Bootloader完成必要硬件设备的初始化工作，建立内核需要的态，初始化内核启动需要的条件，以便正常调用操作系统内核。所述驱动层包括数据I/O接口、Flash驱动、显示驱动等驱动程序。

所述操作系统层中，操作系统底层模块包括嵌入式实时操作系统内核、实时数据库RTDB、TCP/IP协议栈、GUI等。其中RTDB为实时数据库管理系统所管理，能将数据实时的存储。操作系统上层模块为操作系统扩展层(虚拟机)。虚拟机对底层进行封装，便于操作系统的移植。

所述中间件层为监测专用业务逻辑中间件(框架函数库LIB)。所述应用层包含数据集成、数据预处理、异构数据融合、上位机通信等模块。其中上位机为协调集中器。

图6是一种用于智能变电站状态监测的状态监测服务器软件结构设计图。图6中，状态监测服务器包含服务器硬件、操作系统内核层、系统调用、外壳层、程序库、Oracle数据库，以及包含数据处理、数据传输、数据存储、告警管理等模块的应用层。