本發(fā)明屬于智能變電站技術領域，特別涉及一種基于多層混合網絡的智能變電站狀態(tài)監(jiān)測數據匯集系統(tǒng)。

背景技術：

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)致力于提高電力設備運行的可靠性和可控性，保障電力設備的安全運行，是電網安全穩(wěn)定運行的第一道防線，可以改善整體的供電可靠性，提升變電站的智能化水平。狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的智能化功能可為智能電網的整體決策提供堅實的基礎。

傳統(tǒng)電力設備狀態(tài)監(jiān)測的方法采用定期預防性檢修、試驗以及人工巡視等方法。為了避免事故發(fā)生，在設備運行過程中，值班人員需要經常巡視，憑借外觀現象、指示儀表、人工經驗等進行判斷以便及時發(fā)現異常。除此之外，還會定期停止運行來對電力設備例行檢查，做機械動作試驗或者預防性絕緣試驗，及時做出結構缺陷方面的處理等。近年來，國內外電力設備狀態(tài)監(jiān)測在理論研究方面取得了較大的進展，并研發(fā)了針對輸電線路、變壓器和斷路器等設備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置，但在狀態(tài)監(jiān)測信息集成共享方面仍面臨很多缺陷，如：狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)還處于分散監(jiān)測階段，與計算機監(jiān)控系統(tǒng)相互獨立；電力控制中心與各個變電站之間，以及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間，在進行通信時的數據信息模型和通信接口高度異構；信息共享性差，難以充分利用不同的信息進行設備的狀態(tài)評估、故障診斷和狀態(tài)檢修。因此，迫切需要建立一套面向大數據的、統(tǒng)一的、開放的、符合智能電網設備發(fā)展需要的變電設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

上述愿景的基礎是一次設備智能化，其主要目的之一是實現狀態(tài)信息的數字化采集和網絡化的傳輸，建立基于IEC61850的統(tǒng)一信息模型和通信平臺，為一次設備的狀態(tài)監(jiān)測提供底層依據。智能化一次設備可以由設備制造廠商直接設計與制造，尚處于研究階段，難度很大。更加可行的方法是增量式設計部署狀態(tài)監(jiān)測智能電子裝置(以下簡稱IED)對傳統(tǒng)電力設備進行智能化改造，基于數字化網絡形成信息一體化的系統(tǒng)。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于多層混合網絡的智能變電站狀態(tài)監(jiān)測數據匯集系統(tǒng)，包括基于分布式ZigBee無線傳感器網絡的電力設備狀態(tài)監(jiān)測數據采集IED群組及其上位匯聚IED群組、部署狀態(tài)監(jiān)測服務器；其特征在于，該系統(tǒng)分為站控層和采集匯聚層；所述狀態(tài)監(jiān)測服務器部署于智能變電站的站控層；所述采集匯聚層包括匯聚和采集兩個子系統(tǒng)；其中，

所述匯聚子系統(tǒng)由協調集中器分別連接匯聚IED群組的IED個體構成；協調集中器再連接狀態(tài)監(jiān)測服務器；所述匯聚IED群組中個體包括電源模塊、無線通信模塊和數據處理模塊；用于集中存放和管理來自不同狀態(tài)監(jiān)測點的異構設備狀態(tài)數據；

所述采集子系統(tǒng)包括多種電力設備狀態(tài)監(jiān)測IED群組，每一個電力設備需要多個狀態(tài)監(jiān)測IED構成狀態(tài)監(jiān)測IED群組；這些狀態(tài)監(jiān)測IED群組包含GIS狀態(tài)監(jiān)測IED群組、高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測IED群組；狀態(tài)監(jiān)測主要由采集IED群組實現，采集IED群組由同構IED個體分布式布局，每個IED個體根據宿主電力設備不同而有差異，這些個體IED包括太陽能電源模塊、數據采集模塊、數據處理模塊和無線通信模塊；

所述采集IED群組中的太陽能電源模塊，采用太陽能方式為數量眾多的IED群組個體供電，可以提高靈活性，降低成本；數據采集模塊由附在電力設備上的各類型傳感器采集數據，進行數據轉換后通過數據傳感通道進行傳輸；數據處理模塊，由微處理器及外圍電路組成的工控機實現，負責對數據傳感通道傳輸上來的數據進行處理；無線通信模塊，包括ZigBee網絡以及GPRS網絡的無線收發(fā)器，參與ZigBee網絡的模塊將微處理器處理完的數據傳遞給上位匯聚層IED，參與GPRS網絡的模塊接收匯聚層IED傳遞的同步對時信號，保證采集IED群組與匯聚IED群組的時鐘同步性。

所述匯聚IED中電源模塊采用可充電干電池，穩(wěn)定地為匯聚IED供電；無線通信模塊，包括ZigBee網絡以及GPRS網絡的無線收發(fā)器，參與ZigBee網絡的模塊接收下游采集IED群組傳輸來的數據，并傳輸給匯聚IED的數據處理模塊，參與GPRS網絡的模塊通過天線接入GSM網絡，接收衛(wèi)星傳遞的同步對時信號，并將對時信號傳遞給本地的各個模塊以及遠端下游的采集IED群組，保證三者的同步性；數據處理模塊，包括嵌入式ARM處理器，現場可編程門陣列FPGA，數據由無線通信模塊傳輸至FPGA的接收邏輯模塊，經過同步后發(fā)送給作為緩沖池的雙口RAM，經過緩沖后再發(fā)送到ARM處理器進行處理，經過處理后的數據由有線或者無線的方式傳遞至協調集中器。

所述協調集中器將數據進一步集中后，實現異構多源數據的有序集成，傳遞給位于站控層的狀態(tài)監(jiān)測服務器，該服務器對數據進行存儲、處理和傳輸，具有事務性告警、狀態(tài)可視化實時監(jiān)控功能；其作用是將數據進一步上傳和處理的樞紐節(jié)點，并成為狀態(tài)監(jiān)測大數據生成的基礎，進一步上傳匯集的數據源頭。

本發(fā)明的有益效果是，明顯改善現有變電站狀態(tài)監(jiān)測領域的依賴人工干預，管理分散，效率低下，數據集成融合困難，通信時數據信息與通信接口高度異構，信息共享度低，無法有效應對分布式海量狀態(tài)監(jiān)測數據的統(tǒng)一處理需求等突出問題，通過科學有效的總體設計規(guī)劃，流暢有序地實現狀態(tài)監(jiān)測數據的采集、匯聚、融合、集成、處理、集中展示、永久存儲等多種操作，更大限度提高狀態(tài)監(jiān)測數據的一致性、有效性和完整性，可以作為面向電力系統(tǒng)更大跨度更宏觀范疇的狀態(tài)監(jiān)測與評估系統(tǒng)的數據采集與處理子系統(tǒng)，進而為電力設備狀態(tài)檢修決策與安全風險評估提供前端支持。

附圖說明

圖1是用于智能變電站狀態(tài)監(jiān)測數據匯集系統(tǒng)的整體結構設計圖；

圖2是用于智能變電站狀態(tài)監(jiān)測的數據采集IED硬件結構設計圖；

圖3是用于智能變電站狀態(tài)監(jiān)測的數據采集IED軟件結構設計圖；

圖4是用于智能變電站狀態(tài)監(jiān)測的數據匯聚IED硬件結構設計圖；

圖5是用于智能變電站狀態(tài)監(jiān)測的數據匯聚IED軟件結構設計圖；

圖6是用于智能變電站狀態(tài)監(jiān)測的狀態(tài)監(jiān)測服務器軟件結構設計圖；

具體實施方式

本發(fā)明提供一種基于多層混合網絡的智能變電站狀態(tài)監(jiān)測數據匯集系統(tǒng)，包括基于分布式ZigBee無線傳感器網絡的電力設備狀態(tài)監(jiān)測數據采集IED群組及其上位匯聚IED群組、部署狀態(tài)監(jiān)測服務器；該系統(tǒng)分為站控層和采集匯聚層；所述狀態(tài)監(jiān)測服務器部署于智能變電站的站控層；所述采集匯聚層包括匯聚和采集兩個子系統(tǒng)；所述匯聚子系統(tǒng)由協調集中器分別連接匯聚IED群組的IED個體構成；協調集中器再連接狀態(tài)監(jiān)測服務器。

下面結合附圖，對本發(fā)明的范圍及其應用予以說明。

圖1所示為一種用于智能變電站狀態(tài)監(jiān)測數據匯集系統(tǒng)的整體結構設計圖。圖1中，狀態(tài)監(jiān)測數據匯集系統(tǒng)整體結構包括采集匯聚層和站控層，采集匯聚層又分為匯聚子系統(tǒng)和采集子系統(tǒng)，站控層主要包括狀態(tài)監(jiān)測服務器。

所述采集子系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)最底層，包括多種電力設備狀態(tài)監(jiān)測IED群組，如：GIS狀態(tài)監(jiān)測IED群組、高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測IED群組等。每一個電力設備需要多個狀態(tài)監(jiān)測IED構成狀態(tài)監(jiān)測IED群組。狀態(tài)監(jiān)測IED直接附著在GIS、高壓斷路器等電力設備上。狀態(tài)監(jiān)測IED中各類傳感器分別采集一次設備相關信息，數據處理模塊匯總并進行簡單計算，ZigBee模塊通過廣播方式將信息發(fā)送給匯聚IED，這里把廣播半徑設置為1跳即可滿足系統(tǒng)需要。

所述匯聚子系統(tǒng)包括匯聚IED組、協調集中器。各類電力設備的匯聚IED組成匯聚IED群組。匯聚IED接收所述采集子系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測IED發(fā)送的廣播消息，首先進行身份識別，只處理相應狀態(tài)監(jiān)測IED發(fā)送的消息。例如GIS匯聚IED只處理GIS狀態(tài)監(jiān)測IED群組發(fā)送的消息。ZigBee模塊將匯聚IED處理后的信息通過單播發(fā)送給協調集中器。

為了確保整個ZigBee網絡的正常通信，把狀態(tài)監(jiān)測數據采集IED設置為終端節(jié)點，匯聚IED設置為路由器節(jié)點，協調集中器設置為協調器節(jié)點。終端節(jié)點主要負責數據的采集，只能發(fā)送數據，不能轉發(fā)其他節(jié)點的消息。路由器節(jié)點負責數據包的路由選擇。協調器節(jié)點負責整個網絡的組建、維護和上位管理。

所述站控層狀態(tài)監(jiān)測服務器對數據進行處理，存儲協調集中器上傳的數據，并通過光纖網絡與上游系統(tǒng)相連，實現數據進一步的傳輸和利用，同時具有告警管理和可視化集中展示等功能。

圖2是一種用于智能變電站狀態(tài)監(jiān)測的數據采集IED硬件結構設計圖。圖2中，狀態(tài)監(jiān)測數據采集IED群組個體包括太陽能電源模塊、數據采集模塊、數據處理模塊和無線通信模塊。

所述太陽能電源模塊包括12V20W單晶硅太陽能電池板、12V10A太陽能控制器、2V7A·h的LC‐R127R2松下蓄電池、5‐3.3V電壓轉換器。所述數據采集模塊，由附在電力設備上的各類型傳感器采集數據，進行數據轉換后通過數據傳感通道進行傳輸。所述數據處理模塊，由CC2530作為微處理器，與太陽能電源模塊、數據采集模塊、無線通信模塊相連接，外圍電路包括外部存儲器、joystick、LED。其中外部數據存儲模塊主要來存儲終端傳感器節(jié)點采集的信息，joystick主要用在ZigBee節(jié)點組網、請求加入網絡、允許加入網絡及發(fā)送數據時進行配置及控制，LED指示燈表示節(jié)點是否加入或退出網絡。

所述無線通信模塊，由作為功率放大器的2.4GHz射頻前端芯片CC2591芯片與作為GPRS無線收發(fā)器的SIM900A芯片組成。其中CC2591芯片作為功放部分，增加傳輸距離，并連接SMA天線以及倒F天線來發(fā)射電磁波。SIM900A芯片接收由匯聚IED傳輸過來的對時信號。

圖3是一種用于智能變電站狀態(tài)監(jiān)測的數據采集IED軟件結構設計圖。圖3中，用于狀態(tài)監(jiān)測的數據采集系統(tǒng)包含硬件層、硬件關聯層、驅動層、操作系統(tǒng)，以及包含數據處理、數據采集控制等模塊的應用層。

圖4是一種用于智能變電站狀態(tài)監(jiān)測的數據匯聚IED硬件結構設計圖。圖4中，狀態(tài)監(jiān)測匯聚IED包括電源模塊、無線通信模塊和數據處理模塊。

所述電源模塊采用可充電干電池，穩(wěn)定地為匯聚IED各模塊供電。所述無線通信模塊，包括ZigBee網絡以及GPRS網絡的無線收發(fā)器。參與ZigBee網絡的模塊為2.4GHz射頻前端芯片CC2591，可將功率放大，增加數據傳輸的距離，外部連接SMA天線和倒F天線來接收下游IED群組傳輸的數據，并傳輸給數據處理模塊。參與GPRS網絡的模塊為通信芯片SIM900A，通過天線接入GSM網絡，接收衛(wèi)星傳遞的同步對時信號，并將對時信號傳遞給本地的各個模塊以及遠端下游的IED群組，保證三者的同步性。

所述數據處理模塊，包括現場可編程門陣列Virtex‐4FX FPGA XC4UFX12以及三星ARM S3C2440A處理器。其中FPGA XC4UFX12連接LED，用來顯示網絡的連接情況。ARM S3C2440A外部通過光纖或者無線方式與協調集中器連接，內部與FPGA XC4UFX12通過雙口RAM連接，外圍電路包括外部FLASH、JTAG接口、LCD顯示器和USB接口。LCD主要是用來顯示節(jié)點的狀態(tài)。數據由無線通信模塊傳輸至FPGA XC4UFX12的接收邏輯模塊，經過同步后發(fā)送給作為緩沖池的雙口RAM，經過緩沖后再發(fā)送到ARM S3C2440A處理器通過DSP算法進行處理，處理后的數據由光纖或者無線的方式傳遞至協調集中器。

圖5是一種用于智能變電站狀態(tài)監(jiān)測的數據匯聚IED軟件結構設計圖。圖5中，狀態(tài)監(jiān)測匯聚IED包含硬件層、硬件關聯層、驅動層、操作系統(tǒng)層、中間件層以及應用層。

所述硬件層為ARM板硬件環(huán)境。所述硬件關聯層包括硬件自啟動系統(tǒng)BootLoader、驅動程序加載管理模塊、JTAG監(jiān)聽模塊和硬件初始化模塊。其中Bootloader完成必要硬件設備的初始化工作，建立內核需要的態(tài)，初始化內核啟動需要的條件，以便正常調用操作系統(tǒng)內核。所述驅動層包括數據I/O接口、Flash驅動、顯示驅動等驅動程序。

所述操作系統(tǒng)層中，操作系統(tǒng)底層模塊包括嵌入式實時操作系統(tǒng)內核、實時數據庫RTDB、TCP/IP協議棧、GUI等。其中RTDB為實時數據庫管理系統(tǒng)所管理，能將數據實時的存儲。操作系統(tǒng)上層模塊為操作系統(tǒng)擴展層(虛擬機)。虛擬機對底層進行封裝，便于操作系統(tǒng)的移植。

所述中間件層為監(jiān)測專用業(yè)務邏輯中間件(框架函數庫LIB)。所述應用層包含數據集成、數據預處理、異構數據融合、上位機通信等模塊。其中上位機為協調集中器。

圖6是一種用于智能變電站狀態(tài)監(jiān)測的狀態(tài)監(jiān)測服務器軟件結構設計圖。圖6中，狀態(tài)監(jiān)測服務器包含服務器硬件、操作系統(tǒng)內核層、系統(tǒng)調用、外殼層、程序庫、Oracle數據庫，以及包含數據處理、數據傳輸、數據存儲、告警管理等模塊的應用層。