基于Zigbee无线网络的配网防误管理系统的研究与应用

王勇

（贵州师范大学 机械与电气工程学院，贵州 贵阳 550014）

基于Zigbee无线网络的配网防误管理系统的研究与应用

王勇

（贵州师范大学 机械与电气工程学院，贵州 贵阳 550014）

针对电力系统配电网结构复杂、设备种类多、检测单位分布广、调度工作量大等特点。提出基于Zigbee无线网络的配网防误管理系统，该系统应用Zigbee无线通讯技术，保证信息传递突破地域限制，实现远距离传输。并通过建立配电网调控领域知识库，拓展配电网操作各层面的应用，其中包括配电网调控层、运维层、现场作业层各项电网操作和控制业务应用。该系统可以实时获取配电网模型和运行参数等信息，并与配电调度系统相结合，达到配电防误效果。

配电网；防误系统；Zigbee技术；远程监控

随着社会的不断发展，用电客户对电网的规模和容量的要求越来越高，对其可靠性的要求也越来越高，稳定、可靠的配电系统是保障用电客户利益的必要条件[1]。但当前配电网受众面广、结构复杂、设备老化，因此为用户提供优质、可靠的供电服务成为配网面临着艰巨任务。如今的配网调度工作人员要正确完成调度工作通常要参考模拟系统，通过参照模拟系统的相关参数（如网络环网、线路互带和单线图等）实现生产调度[3]。但在实际中，模拟系统的的相关参数得不到及时更新或者其他的原因导致相关参数与实际不一致，使得调度工作出现错误的几率较大。此外，配网设备中的有一大部分的柱上开关、刀闸等设备都处于未锁闭状态，这使得工作人员会容易造成操作错误。因此，在配电网中推行防误操作系同样具有重大意义。

1 系统结构及工作原理

1.1 系统硬件结构

基于Zigbee无线网络的配网防误管理系统硬件组成部分包括Zigbee无线通讯网络、数据库服务器、调度员/运行人员/线路人员工作站、打印机、传票设备、电脑钥匙和现场闭锁锁具[2]。

1.2 系统软件结构

系统软件结构的设计包括服务层、数据层、接口适配器、维护工具以及通信管理和各层面客户端，其结构如图1所示。

图1 配网防误系统软件结构

服务层是系统的核心，它包括智能指令票服务、智能操作票服务、业务管控服务、离线信息服务、防误分析服务、通信管理服务、数据服务。其中防误分析服务是应用电力调控防误分析推理知识库对调度指令票、倒闸操作票、遥控操作、现场操作进行在线的全网实时防误分析，实时在线的防误分析贯穿于电力生产业务的各个环节，提高了电力生产的安全性[4]。

数据层是系统服务分析应用的基础数据，包括电网模型、专家知识库以及业务管理库。

1.3 系统工作原理

配网防误操作系统的工作平台是监控中心计算机，也称着防误主机，供电局的全部配网线路信息（如保险、分支箱、刀闸和电缆等接线图）都会在计算机上显示出来。其显示的形式具有多样化，可根据不同要求和角度进行设定[5]。

配网防误软件中内置了相关的防误样本，当调度人员在配网防误软件进行相关操作时，系统会对相关操作进行综合逻辑判断，如果其相关的操作与防误样本的本符，那么系统会自动判断操作有效，反之，系统会以声音和文字进行警告提示，调度人员可以依据系统的提示进行相关检查。

2 配网防误管理系统Zigbee无线通讯网络设计

Zigbee无线通讯模块是Zigbee无线通讯的基础硬件，本系统使用Zigbee无线通讯模块总体设计图如图 2所示，控制器采用了“核心板+接口板”的设计方式，外观使用机笼式结构，其扩展性较好[15]。

图2 远程监控系统总体结构

2.1 Zigbee传感器节点的设计

在监测区域内安置传感器采集节点，通过采集节点对检测单元的现场参数进行采集与传输，这一结构即为无线传感器节点硬件的整体结构。根据相应要求，传感器节点选择Chipcon公司生产的高度集成片上系统 （SOC，System On Chip）射频芯片CC2530。传感器节点包括3个组成部分：1）电源管理模块；2）传感器模块；3）微处理器。电源模块的电压为 3.3 V，通过稳压器实现电压稳定；传感器模块与处理器的 GPIO链接，实现传输参数数据的功能。硬件整体结构框图如图3所示。

图3 传感器节点硬件整体结构框图

电源管理模块的具体设计步骤：采用普通的AA电池对传感器节点进行供电，电源模块的电路原理图如图4所示。依据SW1拨动开关的接通或者是断开，对电池输出进行相应的控制，通过升压转换器AS1337，对电池电压进行升压处理，使电压稳定值为3.3 V，固定不变。电源的工作指示灯为D1，滤波电容分别是C2与C3，输出电压值依靠R2与R3进行适当调节，输出端电压采用V0表示，V0计算过程如下：

公式中，R2取值560 kΩ；R3取值330 kΩ。

图4 传感器节点电源模块电路原理图

外围接口电路设计：外围接口电路包括了4个组成部分：1）JTAG仿真调试接口；2）CC2530芯片复位电路；3）LED灯指示电路；4）预留外接传感器扩展电路，图5表示了具体组成及原理。

图5 传感器节点外围接口电路原理

2.2 Zigbee节点的软件设计与实现

成功创建 Sink节点之后，传感器节点作为终端节点的设备类型加入至网络。Zigbee传感器节点上电后，要做相应的工作，具体Zigbee节点的工作流程如图6所示。

图6 Zigbee节点的工作流程图

2.3 网关的软件设计

网关的功能有两点：1）两个网络间的数据交换；2）控制转发。构成网关的组成分别是：1）以太网控制进程（E-Process，Ethernet Process）；2）Zigbee网络控制进程（Z-Process，Zigbee Process）；3）初始进程（IProcess，Initial Process）。太网控制进程和Zigbee网络控制进程连接需要确定合适的通信机制，该通信机制可确定为先入先出队列 （FIFO，First Input First Output）。并且，以太网控制进程和Zigbee网络控制进程的设备信息表需进行共享，依靠共享内存实现。在以太网控制进程和Zigbee网络控制进程运行前，初始进程应建立好设备信息表以及通信FIFO。图7表示了网关进程图。

图7 网关进程图

3 配电网防误一体化管理系统研究

本系统是在传统DMS电网模型和实时数据基础之上，建立配电网调控领域知识库，并拓展配电网电网操作各层面的应用，其中包括配电网调控层、运维层、现场作业层各项电网操作和控制业务应用。

3.1 配网防误分析推演规则知识库

配网防误分析推演规则知识库包括如下几个方面：

1）本体状态防误推演知识库：根据设备本身的状态特征的防误特性形成本体状态防误知识单元[9]。例如：设备挂“停役”牌或设备处于不可控状态。

2）关系状态防误推演知识库：依据元件与相关元件的防误关系构建关系状态防误知识单元[10]。

3）综合分析防误推演知识库：依据全网分析提到的防误类型构建综合分析防误知识单元。

4）操作过程防误推演知识库：根据操作设备的操作顺序和操作流程构建的操作过程防误知识单元[12]。

3.2 配网调度操作指令票的防误校核

1）拟票过程中的防误分析：在拟票过程中的每个步骤均经过拟票时的电网数据断面进行防误校验，以保证指令票各步骤的正确，对校核信息用列表或提示框进行展现，并将校核后有误操作的指令用红色进行标识，起到警示的作用。

2）审核中的防误分析：传统的审核过程是通过审核人员阅读指令票内容，检查指令票中的错误。系统在审核过程中，可通过在拟票数据断面的基础之上自动模拟校验，形成各操作步骤的校核信息，帮助审核人员进行准确的审核[6]。

3）进入“执行”前的自动防误分析：当命令进入执行状态的时候，系统会运行仿真模拟校验一次，检查指令中各操作步骤在当前的实时电网状态下是否会引起误操作或造成不期望的影响。当有问题时，可退回修改。

4）执行过程中防误分析：在执行过程中，每执行一步均会用当前全网实时数据进行防误分析，其最主要原因是防止执行过程中，由于电网状态的变化而造成操作步骤由非误操作转化为误操作或造成不期望的影响。

3.3 配网调控中心紧急操作的防误校核

在紧急情况下，调度不写调度指令，直接在DMS上进行遥控操作，此时需要进行实时在线的全网校核分析后，在进行遥控操作，其具体的过程如下：

DMS的选择命令中有一个按钮，其作用是对命令进行校验，判断命令的正确性。这个按钮主要的工作过程是把命令传送到防误软件中，防误软件进行一系列地分析，然后把分析的结果反送回去。DMS端依据防误软件分析的结果，判断判断此命令能否执行，如果可以执行，那么其他按钮就可以使用，DMS遥控就可以执行，其交互过程如图8所示。

图8 DMS遥控监护流程图

3.4 配网现场操作的防误监控系统

现场操作进行防误监控系统，其主要功能如下：

1）倒闸操作票的执行状态监控：调控中心可实时查看现场倒闸操作票的执行状态，如开始执行、正在执行、执行完成；

2）倒闸操作票步骤的执行状态监控：调控中心可实时查看现场倒闸操作票各步骤的执行状态，如正在执行，执行完成等。可及时比对操作完的步骤在DMS中的设备状态，便于跟踪现场的操作过程[14]；

3）操作间隔提醒功能：倒闸操作票开始执行前，现场操作人员需要扫描RFID，确定是否误入了操作间隔，扫描的RFID编码将实时传送到调控中心，在本系统上通过设备闪动等方式明显告知监控人员目前操作的设备，如果误入了操作间隔，系统也将进行告警；

4）现场操作校核信息实时展现：现场操作人员进行每步操作时，都需要进行全网的校核分析，其分析结果在智能手持终端上展现的同时，在调控中心也将进行展现。并按校验结果等级进行分类告警。

4 结束语

文中介绍配网防误一体化管理系统的主要功能以及Zigbee无线通信网络的硬件结构、软件结构，保证系统可以实时获取配电网模型和运行参数等信息。并通过建立配电网调控领域知识库，拓展配电网操作各层面的应用，其中包括配电网调控层、运维层、现场作业层各项电网操作和控制业务应用。该系统可以实时获取配电网模型和运行参数等信息，并与配电调度系统相结合，达到配电防误效果。

[1]蒲泓全，贾军营，张小娇，等.ZigBee网络技术研究综述[J].计算机系统应用，2013（9）:86-90.

[2]杨顺，章毅，陶康.基于ZigBee和以太网的无线网关设计[J].计算机系统应用，2010（1）:56-60.

[3]彭宇，罗清华，潘大为.一种无线传感器网络低功耗节点的设计[J].计算机测量与控制，2009（12）: 112-115.

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

[5]解东光，张峰，张晓宇.基于3G技术的配电变压器远程监测系统[J].电测与仪表，2009（11）:96-110.

[6]吴佳伟．智能配电网中通信传输技术的应用研究[D]．上海：上海交通大学，2010．

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[8]王猛，张晓蕾，刘宇丽.地调调控一体化远程操作防误功能的研究及应用技术方案[J].内蒙古科技与经济，2013（5）:126-128.

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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稿件编号：201601036

王 勇（1972—），男，苗族，贵州赤水人，实验师，讲师。研究方向：电力系统网络与通信工程。