基于雙層服務的WSN配電網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)

田曉民

(華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206)

隨著國家智能電網(wǎng)建設的不斷擴大，城區(qū)和農(nóng)網(wǎng)的10 kV配電線路條數(shù)在逐步增多，對配電網(wǎng)絡自動化和智能化的要求也在逐步提高?，F(xiàn)有的保護、自動化設備無法滿足智能配電網(wǎng)快速查找故障并進行自愈的功能，為適應配電網(wǎng)智能化、高可靠運行的需求［1］，各種在線監(jiān)測系統(tǒng)也在迅速推出。

目前配電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的組網(wǎng)方式以有線、或無線公共網(wǎng)居多，成本高、實現(xiàn)復雜。無線傳感網(wǎng)絡綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和自組織無線網(wǎng)絡技術(shù)，能夠相互協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種對象信息，并對其數(shù)據(jù)進行處理。它無需電源電纜和通信電纜，而實現(xiàn)多點監(jiān)測，為電力設備遠程在線監(jiān)測和診斷提供一個新的視角［2］。

本文所提出的基于雙層服務［3］的WSN(Wireless Sensor Networks)在線監(jiān)測系統(tǒng)，遵循面向服務的思想，從網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡協(xié)議上更能適應在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性和可靠性，減少了傳統(tǒng)分層網(wǎng)絡中比較棘手的跨層和層次間信息冗余的問題，并在該系統(tǒng)實際運行中收到了良好的效果。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡在線監(jiān)測節(jié)點

分布在配電線路上的監(jiān)測終端由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊組成。節(jié)點由采用感應線圈和電池雙電源供電方式。其硬件框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測終端硬件框圖

1.2 基于雙層服務的DTU

DTU(Data Transfer unit)負責將各監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)搜集并對外轉(zhuǎn)發(fā)。對于傳感器網(wǎng)絡而言，人們關(guān)注的是網(wǎng)絡本身提供的傳感器信息，而并非能夠直接訪問每一個節(jié)點，所以，DTU對外提供的是整個網(wǎng)絡的應用服務，而對于傳感器網(wǎng)絡接口則可以訪問到每個已建立聯(lián)系的節(jié)點。DTU的作用，就是將外界用戶所請求的服務轉(zhuǎn)換成對節(jié)點的基本操作，而用戶只需關(guān)注DTU對外服務的發(fā)布，而無需關(guān)注每個節(jié)點是否已經(jīng)聯(lián)入網(wǎng)絡，能量期限和路由等信息。

DTU服務構(gòu)架［3］主要分為兩層，如圖2所示，可實現(xiàn)功能:(1)建立起應用服務與節(jié)點數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)服務元之間的操作映射。(2)節(jié)點數(shù)據(jù)管理與網(wǎng)絡管理。(3)傳感器網(wǎng)絡的應用服務的發(fā)布與響應。

圖2 DTU硬件框圖

1.3 系統(tǒng)構(gòu)架

配電網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)，如圖3所示，主要由監(jiān)測終端、DTU、應用服務器、數(shù)據(jù)服務器4部分組成。監(jiān)測終端具有數(shù)據(jù)采集、信號處理和無線通信功能，它既是信息幀的發(fā)起者，也是信息幀的轉(zhuǎn)發(fā)者，通過網(wǎng)絡自組織和多跳路由，將數(shù)據(jù)向DTU發(fā)送，DTU通過多種通信網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)服務器相連，用戶通過應用服務器監(jiān)測區(qū)域內(nèi)配電網(wǎng)。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡聯(lián)接示意圖

監(jiān)測終端通過無線通信模塊將測量值和報警情況發(fā)送給附近的DTU，其發(fā)送間隔可在3～30 min間調(diào)整，該間隔調(diào)整是通過設定DTU參數(shù)來實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)服務器作為整個系統(tǒng)的服務器端，實現(xiàn)接收所有DTU發(fā)來數(shù)據(jù)的功能，并實現(xiàn)對接收數(shù)據(jù)的判斷和存儲，同時對系統(tǒng)DTU進行設置，接收故障短信和轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)故障信息。

監(jiān)測終端的分布在配電線路的桿塔上根據(jù)通信距離的遠近選擇不同發(fā)射功率的天線，例如當監(jiān)測區(qū)域較大時，可以選擇大發(fā)射功率的天線，這樣勢必會增加節(jié)點的能量消耗，在電源供應方便時易于選用，這樣可以減少通信節(jié)點的布置密度，降低系統(tǒng)成本［4］。

2 雙層服務結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)訪問接口實現(xiàn)

監(jiān)測WSN網(wǎng)絡采用雙層服務體系結(jié)構(gòu):應用服務管理層、服務元管理層。

2.1 DTU雙層服務管理

2.1.1 應用服務管理層

通過DTU向應用服務器發(fā)布下層傳感器網(wǎng)絡的服務清單，響應用戶的服務請求。包括上行通信模塊、應用服務發(fā)布模塊、應用服務響應模塊。(1)上行通信模塊:為外部提供訪問接口，并可實現(xiàn)多個網(wǎng)關(guān)節(jié)點級聯(lián)，增大無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋范圍。DTU選用32位處理器自帶以太網(wǎng)控制器，配備CAN、RS485等現(xiàn)場總線接口，同時可根據(jù)用戶需要配備 GPRS(General Packet Radio Service)模塊［6］。(2)應用服務發(fā)布模塊:DTU根據(jù)當前無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點接入的最新狀態(tài)，更新服務服務信息表，發(fā)布給用戶或級聯(lián)的DTU節(jié)點。(3)應用服務響應模塊:將用戶或其他DTU節(jié)點對無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡的服務訪問請求，轉(zhuǎn)換成對無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的問答和控制操作。

2.1.2 服務元管理層

服務元管理層根據(jù)目前節(jié)點的服務元，形成服務清單;更新服務數(shù)據(jù)庫，做到能夠?qū)崟r響應用戶數(shù)據(jù)請求;同時管理傳感器節(jié)點，保證傳感器網(wǎng)絡工作正常。包括ZigBee節(jié)點接口模塊、無線傳感器網(wǎng)絡管理模塊、應用服務數(shù)據(jù)庫模塊，服務元注冊模塊。(1)服務元注冊模塊:搜集所接入的監(jiān)測節(jié)點，形成服務清單。(2)應用服務數(shù)據(jù)庫模塊:存儲轉(zhuǎn)發(fā)傳感器數(shù)據(jù)。(3)無線傳感器網(wǎng)絡管理模塊:對接入的無線傳感器節(jié)點提供網(wǎng)絡管理服務，進行路由管理、節(jié)點接入安全認證、節(jié)點有選擇休眠與激活等功能。(4)節(jié)點無線接口模塊:提供底層的通信服務，訪問所接入的節(jié)點。

2.2 服務的發(fā)布與建立

(1)服務信息表的建立與更新，如圖4所示。

圖4 服務信息表的建立

(2)數(shù)據(jù)服務提供流程，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)服務提供流程

采用雙層服務結(jié)構(gòu)，使用戶的關(guān)注焦點為整個傳感器網(wǎng)絡所能提供的服務。接受數(shù)據(jù)服務時無需確認每一個傳感器節(jié)點的工作狀態(tài)，從而能夠節(jié)省獲取大量傳感器工作狀態(tài)、確認單個傳感器訪問路由和每個傳感器的身份認證等大量開銷。

3 應用服務

3.1 用戶側(cè)監(jiān)控軟件

監(jiān)控軟件部分采用B－S構(gòu)架，包括監(jiān)聽軟件和網(wǎng)頁服務軟件。監(jiān)聽軟件用于控制DTU聯(lián)網(wǎng)、接收DTU發(fā)來數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的判斷和存儲;對DTU進行控制，并接收DTU發(fā)來的短信數(shù)據(jù)，以及實現(xiàn)故障短信的發(fā)送功能［5］。

網(wǎng)頁服務軟件用于監(jiān)控網(wǎng)頁，實現(xiàn)通過瀏覽器查看監(jiān)控數(shù)據(jù)的功能，通過局域網(wǎng)中的任何一臺聯(lián)網(wǎng)計算機都可以查看監(jiān)控信息［6］。

3.2 故障診斷

在配電網(wǎng)發(fā)生短路或接地故障時，各監(jiān)測點將所測得的短路電流和零序電流送到監(jiān)控主機數(shù)據(jù)庫，并進行計算，為故障定位提供位置參考。

本系統(tǒng)在陜西某縣電力局進行了試運行，表1為現(xiàn)場運行記錄。

表1 現(xiàn)場監(jiān)控記錄

通過使用配電線路監(jiān)測系統(tǒng)以來，對10 kV配網(wǎng)線路運行維護帶來了便利，一是線路由于在線系統(tǒng)安裝后能夠及時反應出故障相對準確位置，大幅縮短了故障處理時間。二是通過配電監(jiān)測系統(tǒng)電流監(jiān)測曲線走勢圖，能夠及時反應現(xiàn)有負荷電流的大小，為準確掌握負荷，科學調(diào)度提供依據(jù)。三是能夠及時排除設備隱患。

4 結(jié)束語

文中提出的基于雙層服務的WSN智能配電在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)，通過因特網(wǎng)實現(xiàn)遠程設備在線監(jiān)測與故障診斷。該系統(tǒng)監(jiān)測最遠傳輸距離可達200 m以上，集成度好、系統(tǒng)化程度高、集在線監(jiān)測和故障診斷為一體，提供了一個高效的設備運行管理平臺［7］。解決了目前現(xiàn)有的在現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)電源電纜和通信電纜鋪設困難的問題，使得監(jiān)測傳感器分布自由、成本降低、維護方便［8］。同時基于面向服務的思想，構(gòu)建了雙層服務結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)訪問接口，使得監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡通信體系結(jié)構(gòu)簡單，服務效率高。為降低節(jié)點能耗，提高通信服務質(zhì)量打下了良好的基礎(chǔ)，體現(xiàn)了配電網(wǎng)在線監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的發(fā)展方向。

［1］劉振亞.智能電網(wǎng)技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2010.

［2］李麗芬，朱永利，于永華.基于長鏈樹狀無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)輸電線路在線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(6):199－203.

［3］易發(fā)勝，陳貴海，劉明，等.基于服務的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的設計和實現(xiàn)［J］.軟件學報，2008，19(12):3179－3195.

［4］蘇鵬聲，王歡.電力系統(tǒng)設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2003，27(1):61 －65.

［5］孫紀敏，沈玉龍，孫玉，等.傳感器網(wǎng)絡接入Internet體系結(jié)構(gòu)和服務提供方法［J］.通信學報，2008，29(4):84－89.

［6］姚雷.配電網(wǎng)負荷監(jiān)測系統(tǒng)的設計及在低壓電網(wǎng)中的應用［J］.工業(yè)控制計算機，2009，22(8):21 －22.

［7］胡文平，尹項根，張哲.電力設備在線監(jiān)測技術(shù)的研究與發(fā)展［J］.華北電力技術(shù)，2003(2):23－26.

［8］顏秋容，劉欣，水運龍，等.基于虛擬技術(shù)的變壓器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)［J］.高電壓技術(shù)，2005，31(8):39 －41.