專利名稱：基于Zigbee無線通信的開入開出系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用系統(tǒng)，尤其是一種基于 Zigbee技術(shù)在電力系統(tǒng)中的開入開出系統(tǒng)，屬于電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
物聯(lián)網(wǎng)是人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。由于物沒有能夠標(biāo)識(shí)的“身份證”，因此物與信息是分離的，難以進(jìn)行管理和跟蹤。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代就是要使所有物都有自己的“身份證”，通過感知和識(shí)讀對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動(dòng)采集，并通過無線傳輸實(shí)現(xiàn)信息化的智能管理。物聯(lián)網(wǎng)都擁有自身獨(dú)特的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)特征，具有創(chuàng)新性強(qiáng)、產(chǎn)業(yè)鏈條長、輻射面廣、 帶動(dòng)力強(qiáng)的基本特點(diǎn)，是不同于其他新一代信息技術(shù)的新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)通常由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，包括數(shù)據(jù)采集、傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和協(xié)同信息處理、網(wǎng)絡(luò)通信傳輸、中間件、應(yīng)用集成、信息安全等技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知層技術(shù)，在其發(fā)展起著至關(guān)重要的作用， 因Zigbee技術(shù)特有的低功耗、低復(fù)雜度和低成本的優(yōu)勢，其無疑成為無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信的首先技術(shù)，成功地應(yīng)用到工業(yè)自動(dòng)控制、智能電網(wǎng)等多個(gè)領(lǐng)域之中。Zigbee網(wǎng)絡(luò)由三種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器包含所有的網(wǎng)絡(luò)消息，存儲(chǔ)容量大、計(jì)算能力最強(qiáng)，發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、尋找一對節(jié)點(diǎn)間的路由消息、不間斷地接收消息；路由節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中的中繼，連接網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)，延伸和擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。終端節(jié)點(diǎn)是只能直接發(fā)消息給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點(diǎn)，所有采集的數(shù)據(jù)信息都經(jīng)過該節(jié)點(diǎn)而進(jìn)入Zigbee 通信網(wǎng)絡(luò)，對處理能力和內(nèi)存的需求低，可進(jìn)入省電模式。電力系統(tǒng)是由發(fā)電、變電、輸電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成的電能生產(chǎn)與消費(fèi)系統(tǒng)。它的功能是將自然界的一次能源通過發(fā)電動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)化成電能，再經(jīng)輸、變電系統(tǒng)及配電系統(tǒng)將電能供應(yīng)到各負(fù)荷中心，通過各種設(shè)備再轉(zhuǎn)換成動(dòng)力、熱、光等不同形式的能量， 為地區(qū)經(jīng)濟(jì)和人民生活服務(wù)。由于電源點(diǎn)與負(fù)荷中心多數(shù)處于不同地區(qū)，也無法大量儲(chǔ)存， 故其生產(chǎn)、輸送、分配和消費(fèi)都在同一時(shí)間內(nèi)完成，并在同一地域內(nèi)有機(jī)地組成一個(gè)整體， 電能生產(chǎn)必須時(shí)刻保持與消費(fèi)平衡。為了使電力系統(tǒng)正常、有序、可靠、高效的運(yùn)行需要大量的電氣設(shè)備，包括直接參與電能交換的一次設(shè)備和對其運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)督、保護(hù)和控制的二次設(shè)備，其中部分設(shè)備的開關(guān)量也是監(jiān)視和控制的重點(diǎn)組成部分。所謂開關(guān)量是指非連續(xù)性信號(hào)的采集和輸出，包括遙信采集和遙控輸出，它有1和0兩種狀態(tài)，這是數(shù)字電路中的開關(guān)性質(zhì)，在電力上是指電路的開和關(guān)或者說是觸點(diǎn)的接通和斷開。開關(guān)量也即是開入量和開出量，可指一個(gè)裝置所帶的輔助點(diǎn)，譬如變壓器的溫控器所帶的繼電器的輔助點(diǎn)(變壓器超溫后變位)、閥門凸輪開關(guān)所帶的輔助點(diǎn)(閥門開關(guān)后變位)、接觸器所帶的輔助點(diǎn)(接觸器動(dòng)作后變位)、 熱繼電器(熱繼電器動(dòng)作后變位)，也可指設(shè)備的運(yùn)行開停狀態(tài)以及設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，如斷路器、隔離開關(guān)的合與分。
開入用于對設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測，開出用于對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)自動(dòng)控制。目前的保護(hù)裝置基本上都安裝于室內(nèi)的柜子內(nèi)，外場的大量設(shè)備的開關(guān)量需要通過電纜接入到裝置，并且同時(shí)需要提供直流電源(常用的為12VJ4V、110V、220V、380V)，該方法存在諸多的缺點(diǎn) 首先，存在很多的開關(guān)量設(shè)備監(jiān)控，必然導(dǎo)致需要更多的電纜鋪設(shè)，需要更多空間來容納， 增加監(jiān)控室的布置與施工的復(fù)雜程度，同時(shí)也會(huì)增加維護(hù)和管理的復(fù)雜程度；其次，電纜上傳輸?shù)氖请妷耗M信號(hào)，使用低電壓開入開出(12V、24V)，因?yàn)榫€纜的長度以及環(huán)境周邊強(qiáng)電的干擾，導(dǎo)致存在開入到裝置的電壓過低而導(dǎo)致開入量監(jiān)測到錯(cuò)誤的狀態(tài)值，從而引起未知的結(jié)果行為，使用高電壓(110V、220V、380V)開入開出，又存在直流電源供電、線纜絕緣及其鋪設(shè)等問題；再者，線纜的鋪設(shè)成本上也相對較高；最后，電纜無法對開關(guān)量設(shè)備進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)，同時(shí)除開關(guān)量外，也無法傳遞設(shè)備的其他數(shù)據(jù)信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決通過電纜將開關(guān)量設(shè)備接入到保護(hù)設(shè)備或監(jiān)控系統(tǒng)中所帶來的成本相對較高、鋪設(shè)復(fù)雜、管理難度高、電纜上電壓信號(hào)易受損耗干擾而變化、無法標(biāo)識(shí)等問題。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于Zigbee無線通信的開入開出系統(tǒng)，其特征在于，包括
采集裝置設(shè)置于靠近開關(guān)量設(shè)備處，與中心裝置通過Zigbee無線通信方式進(jìn)行通信，用于開關(guān)量信號(hào)的采集與控制、以及開關(guān)量數(shù)字信號(hào)的傳輸，同時(shí)負(fù)責(zé)對開關(guān)量設(shè)備進(jìn)行設(shè)備標(biāo)識(shí)；
中心裝置與電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)處理中心或保護(hù)裝置相連，用于轉(zhuǎn)發(fā)來自多個(gè)采集裝置的開關(guān)量數(shù)據(jù)給電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)處理中心或保護(hù)裝置，以及轉(zhuǎn)發(fā)來自電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)處理中心或保護(hù)裝置的自動(dòng)控制開出命令給采集裝置，所有的監(jiān)視與自動(dòng)控制在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中心或保護(hù)裝置中進(jìn)行。前述的基于Zigbee無線通信的開入開出系統(tǒng)，其特征在于開關(guān)量設(shè)備采用低壓電源供電或采用采集裝置的電源來直流供電。本發(fā)明開關(guān)量的采集不在室內(nèi)完成，而是直接靠近開關(guān)量設(shè)備端，在該設(shè)備要采集的開關(guān)量出口地方直接接入采集裝置，然后由該裝置將采集的開關(guān)量電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)，并由該裝置將數(shù)字信息通過無線通信發(fā)送給電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中心， 同時(shí)，該采集裝置接收中心裝置發(fā)送來的開出命令后再開出。前述的基于Zigbee無線通信的開入開出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信方法，其特征在于，包括以下步驟
1)將采集裝置靠近開關(guān)量設(shè)備安裝，開關(guān)量設(shè)備與采集裝置之間距離很近，無需長距離電纜布線，因此，開關(guān)量設(shè)備只需要采用低壓電源供電，甚至可以直接采用采集裝置的電源來進(jìn)行直流供電；
2)開關(guān)量輸入到采集裝置后，將直流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字0或1，分別代表設(shè)備的工作狀態(tài)為關(guān)或開狀態(tài)，當(dāng)同時(shí)多個(gè)開入來表達(dá)設(shè)備處于某個(gè)檔位狀態(tài)時(shí)，采集裝置將采集多個(gè)開入值，并將多個(gè)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)檔位狀態(tài)的連續(xù)的二進(jìn)制數(shù)字，類似0010;
3)采集裝置將數(shù)字并附上設(shè)備的身份標(biāo)識(shí)通過Zigbee無線通信發(fā)送空中接口進(jìn)行無線傳輸，而不再通過電纜的有線電壓信號(hào)；
4)中心裝置接收來自采集裝置的無線信號(hào)，解碼得到設(shè)備的標(biāo)識(shí)以及相應(yīng)的狀態(tài)信
息；
5)中心裝置將來自采集裝置的數(shù)據(jù)上傳給保護(hù)裝置或電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行監(jiān)視與控制；
6)保護(hù)裝置或電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)收集到的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種邏輯處理與存儲(chǔ)，并發(fā)出相應(yīng)的自動(dòng)控制命令；
7)自動(dòng)控制命令下發(fā)給中心裝置，中心裝置將自動(dòng)控制命令發(fā)送到空中接口進(jìn)行無線傳輸，采集裝置收到控制命令后，做出相應(yīng)的開出動(dòng)作來控制設(shè)備的工作狀態(tài)。本發(fā)明技術(shù)方案的顯著性進(jìn)步和特點(diǎn)主要體現(xiàn)在開入采集、開出控制就近原則， 靠近開關(guān)量設(shè)備，大大減少電纜的需求與部署的復(fù)雜度；開入的直流供電可直接復(fù)用采集裝置的供電電源，采集裝置同時(shí)還提供對每個(gè)開入設(shè)備的身份標(biāo)識(shí)，方便連入物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃管理；當(dāng)使用多個(gè)開入來表達(dá)設(shè)備工作狀態(tài)時(shí)，采集裝置能夠?qū)⑦@些開入信號(hào)合并成一個(gè)數(shù)字來表達(dá)設(shè)備的工作狀態(tài)，大大減少了電纜鋪設(shè)及其復(fù)雜度，同時(shí)也降低了成本。該開入開出系統(tǒng)特別適合用于電力系統(tǒng)中開關(guān)量設(shè)備的監(jiān)視與控制，如斷路器、隔離開關(guān)、油檔位等，當(dāng)然該發(fā)明并不局限于電力系統(tǒng)，所有設(shè)備的狀態(tài)能用開關(guān)量來表達(dá)和控制的設(shè)備都可采用該發(fā)明所述的技術(shù)方案。


附圖1為常用的保護(hù)裝置的開入開出系統(tǒng)示意圖； 附圖2為本發(fā)明的基于Zigbee技術(shù)的開入開出系統(tǒng)示意附圖3為本發(fā)明的基于Zigbee技術(shù)的電力系統(tǒng)中的開入開出系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施例方式一種基于Zigbee技術(shù)的電力系統(tǒng)中的開入開出系統(tǒng)，涉及到采集裝置和中心裝置。采集裝置提供設(shè)備的標(biāo)識(shí)，并負(fù)責(zé)開關(guān)量信號(hào)的采集與控制、以及開關(guān)量數(shù)字信號(hào)的傳輸；中心裝置負(fù)責(zé)開關(guān)量數(shù)據(jù)的上傳與自動(dòng)控制的下達(dá)，同時(shí)負(fù)責(zé)與采集裝置進(jìn)行無線通信。該系統(tǒng)其特別之處主要在于提供了設(shè)備的身份標(biāo)識(shí)，采用Zigbee無線通信來取代電纜來傳遞和控制開關(guān)量，同時(shí)對于多個(gè)開入信號(hào)表達(dá)一個(gè)設(shè)備狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)能將該多個(gè)開入信號(hào)合并成一個(gè)狀態(tài)數(shù)據(jù)來進(jìn)行傳輸與控制。電力系統(tǒng)的開關(guān)量非常多，這里僅以斷路器為例來進(jìn)行實(shí)施，主要包括以下步驟
1)斷路器的分位和合位的開入接入采集裝置，由采集裝置將這兩個(gè)開關(guān)量、斷路器設(shè)備身份標(biāo)識(shí)以及其他的狀態(tài)數(shù)據(jù)一起發(fā)送中心裝置。2)中心裝置將來自空口的無線數(shù)據(jù)解碼出的開關(guān)量數(shù)據(jù)發(fā)送給保護(hù)裝置。3)保護(hù)裝置來判斷兩者狀態(tài)的合法性，如果出現(xiàn)異常并進(jìn)行輸出重合閘或跳閘等操作。同時(shí)保護(hù)裝置將斷路器的身份標(biāo)識(shí)以及其他的狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給后臺(tái)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。4)保護(hù)裝置根據(jù)繼電保護(hù)的算法判斷出一次回路是否出現(xiàn)短路、斷路等故障，如果一次回路出現(xiàn)異常，輸出開出跳閘命令。
5)該開出命令下達(dá)給中心裝置，由中心裝置將開出命令通過Zigbee無線技術(shù)發(fā)送給采集裝置。6)采集裝置收到消息后，開出到斷路器進(jìn)行相應(yīng)的跳閘或合閘的動(dòng)作。7)開出到斷路器后，斷路器操作機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的跳合閘操作，并在分位和合位的開入上進(jìn)行反饋。8)重復(fù)步驟1-7。綜上所述，采用本發(fā)明后，能夠有效利用近距離無線傳輸?shù)膬?yōu)勢靈活布置、可靠傳輸、低成本等，充分結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)與電力系統(tǒng)的核心技術(shù)，將采集前置于設(shè)備端，采用 Zigbee技術(shù)來承載開關(guān)量、自動(dòng)控制以及其他的狀態(tài)和身份標(biāo)識(shí)等信息，減少了對電纜采購、布置與管理的需求，同時(shí)也減少了對強(qiáng)電開入的需求。本發(fā)明特別適用于開關(guān)量設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與自動(dòng)控制，如斷路器、隔離開關(guān)、變壓器檔位、柴油發(fā)電機(jī)組燃油油箱內(nèi)液位開關(guān)量等。由此可見，本發(fā)明具有顯著性進(jìn)步和優(yōu)化提高的特點(diǎn)，其應(yīng)用前景非常廣闊。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例子而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制， 凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與裝飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于Zigbee無線通信的開入開出系統(tǒng)，其特征在于，包括采集裝置設(shè)置于靠近開關(guān)量設(shè)備處，與中心裝置通過Zigbee無線通信方式進(jìn)行通信，用于開關(guān)量信號(hào)的采集與控制、以及開關(guān)量數(shù)字信號(hào)的傳輸，同時(shí)負(fù)責(zé)對開關(guān)量設(shè)備進(jìn)行設(shè)備標(biāo)識(shí)；中心裝置與電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)處理中心或保護(hù)裝置相連，用于轉(zhuǎn)發(fā)來自多個(gè)采集裝置的開關(guān)量數(shù)據(jù)給電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)處理中心或保護(hù)裝置，以及轉(zhuǎn)發(fā)來自電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)處理中心或保護(hù)裝置的自動(dòng)控制開出命令給采集裝置，所有的監(jiān)視與自動(dòng)控制在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中心或保護(hù)裝置中進(jìn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Zigbee無線通信的開入開出系統(tǒng)，其特征在于開關(guān)量設(shè)備采用低壓電源供電或采用采集裝置的電源來直流供電。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Zigbee無線通信的開入開出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信的方法，其特征在于，包括以下步驟1)將采集裝置靠近開關(guān)量設(shè)備安裝，開關(guān)量設(shè)備與采集裝置之間距離很近，無需長距離電纜布線，開關(guān)量設(shè)備采用低壓電源供電，或直接采用采集裝置的電源來進(jìn)行直流供電；2)開關(guān)量輸入到采集裝置后，將直流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字0或1，分別代表設(shè)備的工作狀態(tài)為關(guān)或開狀態(tài)，當(dāng)同時(shí)多個(gè)開入來表達(dá)設(shè)備處于某個(gè)檔位狀態(tài)時(shí)，采集裝置將采集多個(gè)開入值，并將多個(gè)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)檔位狀態(tài)的連續(xù)的二進(jìn)制數(shù)字；3)采集裝置將數(shù)字并附上設(shè)備的身份標(biāo)識(shí)通過Zigbee無線通信發(fā)送空中接口進(jìn)行無線傳輸；4)中心裝置接收來自采集裝置的無線信號(hào)，解碼得到設(shè)備的標(biāo)識(shí)以及相應(yīng)的狀態(tài)信息；5)中心裝置將來自采集裝置的數(shù)據(jù)上傳給保護(hù)裝置或電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行監(jiān)視與控制；6)保護(hù)裝置或電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)收集到的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種邏輯處理與存儲(chǔ)，并發(fā)出相應(yīng)的自動(dòng)控制命令；7)自動(dòng)控制命令下發(fā)給中心裝置，中心裝置將自動(dòng)控制命令發(fā)送到空中接口進(jìn)行無線傳輸，采集裝置收到控制命令后，做出相應(yīng)的開出動(dòng)作來控制設(shè)備的工作狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于Zigbee無線通信的開入開出系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)通信方法，其特征在于，包括采集裝置設(shè)置于靠近開關(guān)量設(shè)備處，與中心裝置通過Zigbee無線通信方式進(jìn)行通信，用于開關(guān)量信號(hào)的采集與控制、以及開關(guān)量數(shù)字信號(hào)的傳輸，同時(shí)負(fù)責(zé)對開關(guān)量設(shè)備進(jìn)行設(shè)備標(biāo)識(shí)；中心裝置與電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)處理中心或保護(hù)裝置相連，用于轉(zhuǎn)發(fā)來自多個(gè)采集裝置的開關(guān)量數(shù)據(jù)給電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)處理中心或保護(hù)裝置，以及轉(zhuǎn)發(fā)來自電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)處理中心或保護(hù)裝置的自動(dòng)控制開出命令給采集裝置，所有的監(jiān)視與自動(dòng)控制在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中心或保護(hù)裝置中進(jìn)行。本發(fā)明的開入采集、開出控制就近原則，靠近開關(guān)量設(shè)備，大大減少電纜的需求與部署的復(fù)雜度。
文檔編號(hào)H04L29/08GK102325165SQ20111020489
公開日2012年1月18日 申請日期2011年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月21日
發(fā)明者劉亮, 張笑天, 張雷, 徐大可, 楊春瑜, 賴曉璐 申請人:國電南京自動(dòng)化股份有限公司