專利名稱：一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于繼電保護(hù)領(lǐng)域，特別涉及一種新型、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和多 功能繼電保護(hù)控制系統(tǒng)及其工作方法。
背景技術(shù)：
"西電東送、南北互送、全國聯(lián)網(wǎng)"將給我國電力行業(yè)帶來良好發(fā)展
機(jī)遇，到2020年，全國裝機(jī)容量、發(fā)電量均將為世界第一。隨著電網(wǎng)的迅 速發(fā)展，大量機(jī)組、超高壓輸變電的投運(yùn)，對(duì)繼電保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)提出更高 的發(fā)展目標(biāo)，例如計(jì)算機(jī)化，網(wǎng)絡(luò)化，保護(hù)、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體 化和人工智能化等。
到目前為止，除了差動(dòng)保護(hù)和縱聯(lián)保護(hù)外，所有繼電保護(hù)裝置都只能 反映保護(hù)安裝處的電氣量。繼電保護(hù)的作用也只限于切除故障元件，縮小 事故影響范圍。這主要是由于繼電保護(hù)裝置之間沒有形成網(wǎng)絡(luò)，缺乏強(qiáng)有 力的數(shù)據(jù)通信手段。繼電保護(hù)的作用主要是切除故障元件和限制事故影響 范圍，同時(shí)還要保證全系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。這就要求每個(gè)保護(hù)單元都能 共享全系統(tǒng)的運(yùn)行和故障信息的數(shù)據(jù)，各個(gè)保護(hù)單元與重合閘裝置在分析 這些信息和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行協(xié)作，并協(xié)同完成動(dòng)作，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn) 定運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)控制系統(tǒng)，將 由傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的多個(gè)繼電保護(hù)節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，每個(gè) 保護(hù)節(jié)點(diǎn)都能共享全系統(tǒng)的運(yùn)行和故障信息數(shù)據(jù)，在分析這些信息和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行協(xié)作，并協(xié)同完成動(dòng)作，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
本發(fā)明還提供一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)控制方法，由傳感器節(jié) 點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的多個(gè)繼電保護(hù)節(jié)點(diǎn)相互通信，共享全系統(tǒng)的運(yùn)行和 故障信息數(shù)據(jù)，在分析這些信息和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上協(xié)同完成動(dòng)作，確保系統(tǒng) 的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)，包括傳感器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行器 節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和集控中心， 一個(gè)監(jiān)控對(duì)象對(duì)應(yīng)有至少一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和 至少一個(gè)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，
監(jiān)控對(duì)象的傳感器節(jié)點(diǎn)采集電氣量數(shù)據(jù)，通過無線通信將其傳送給該 監(jiān)控對(duì)象的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)；
收到電氣量數(shù)據(jù)的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行故障判斷，若判定發(fā)生故障，報(bào)警 或者執(zhí)行故障對(duì)應(yīng)電氣元件切斷操作，并將故障信息通過無線通信傳送給 其它監(jiān)控對(duì)象的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，其它監(jiān)控對(duì)象的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)根據(jù)故障信息判
斷是否需要連鎖切斷各自控制的電氣元件，若需要，執(zhí)行操作；收到電氣
量數(shù)據(jù)的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)還通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將電氣量數(shù)據(jù)、故障信息以及報(bào)警或
電氣元件切斷信息傳送給集控中心；
網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)用于集控中心與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)； 集控中心用于存儲(chǔ)來自執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的電氣量數(shù)據(jù)、故障信息以及報(bào)警
或電氣元件切斷操作信息。
所述傳感器節(jié)點(diǎn)包括數(shù)據(jù)采集模塊l丄l、傳感器節(jié)點(diǎn)處理模塊l丄2、 傳感器節(jié)點(diǎn)無線通信模塊l丄3和傳感器節(jié)點(diǎn)電源模塊l丄4，數(shù)據(jù)采集模塊 l丄l用于采集電氣量數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)處理模塊l丄2用于模數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ) 模數(shù)轉(zhuǎn)換后的電氣量數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)無線通信模塊l丄3用于傳感器節(jié)點(diǎn) 之間以及傳感器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)間的電氣量數(shù)據(jù)傳送，傳感器節(jié)點(diǎn)電源 模塊U.4用于為其它三個(gè)模塊提供電源。
所述執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)包括執(zhí)行模塊2丄1、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)處理模塊2丄2、執(zhí)行 器節(jié)點(diǎn)無線通信模塊2丄3和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)電源模塊2丄4，執(zhí)行模塊2丄1用于根據(jù)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)處理模塊2丄2的指令執(zhí)行操作，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)處理模塊
2丄2用于存儲(chǔ)來自執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)無線通信模塊2丄3的電氣量數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障 分析生成指令，并傳遞給執(zhí)行模塊2丄1;執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)無線通信模塊2丄3用 于執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)間、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)間以及執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn) 間的電氣量數(shù)據(jù)傳送，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)電源模塊2丄4用于為其它三個(gè)模塊提供 電源。
一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)監(jiān)控方法， 一個(gè)監(jiān)控對(duì)象對(duì)應(yīng)至少一 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和至少一個(gè)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，該方法按照以下步驟進(jìn)行
(1) 監(jiān)控對(duì)象的傳感器節(jié)點(diǎn)采集電氣量數(shù)據(jù)，將其傳送給該監(jiān)控對(duì)象
的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)；
(2) 收到電氣量數(shù)據(jù)的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)對(duì)電氣量數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析，若判 定發(fā)生故障，則報(bào)警或執(zhí)行故障對(duì)應(yīng)電氣元件切斷操作，并通過無線通信 將故障信息傳送給其它監(jiān)控對(duì)象的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)；
(3) 其它監(jiān)控對(duì)象的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)根據(jù)故障信息判斷是否需要連鎖切斷 其它電氣元件，若需要，則執(zhí)行操作。
(4) 收到電氣量數(shù)據(jù)的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)將故障信息無線傳送給其它監(jiān)控對(duì) 象的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，其它監(jiān)控對(duì)象的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)根據(jù)故障信息判斷是否需要 連鎖切斷各自控制的電氣元件，若需要，執(zhí)行操作。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面
(1) 無線方式?；趥鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)控制系統(tǒng)采用無線方式， 相對(duì)于傳統(tǒng)的有線方式，組建方便簡單，不需要布設(shè)通信電纜。而且，無 線方式配置靈活、維護(hù)方便、易于擴(kuò)展。本發(fā)明采用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使 得網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有自組織、自適應(yīng)的功能，可靠性更好。
(2) 網(wǎng)絡(luò)化。相對(duì)于傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置各自孤立的狀態(tài)，本發(fā)明中的 各個(gè)繼電保護(hù)節(jié)點(diǎn)形成了網(wǎng)絡(luò)，并且為節(jié)點(diǎn)之間提供了高效的數(shù)據(jù)通信手段。
(3) 智能化。在本發(fā)明中，每個(gè)繼電保護(hù)節(jié)點(diǎn)都能共享全系統(tǒng)的運(yùn)行 和故障信息的數(shù)據(jù)，各個(gè)保護(hù)單元與重合閘裝置在分析這些信息和數(shù)據(jù)的 基礎(chǔ)上進(jìn)行協(xié)作，并協(xié)同完成動(dòng)作，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。繼電保護(hù) 節(jié)點(diǎn)能夠得到的系統(tǒng)故障信息越多，則對(duì)故障性質(zhì)、故障位置的判斷和故 障距離的檢測愈準(zhǔn)確，使整個(gè)系統(tǒng)更智能。
(4) 多功能一體化。在本發(fā)明中，繼電保護(hù)節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)上獲取電力系 統(tǒng)運(yùn)行和故障的任何信息和數(shù)據(jù)，也可將它所獲得的被保護(hù)元件的任何信 息和數(shù)據(jù)傳送給集控中心或任一個(gè)繼電保護(hù)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)繼電保護(hù)節(jié)點(diǎn)不但 可以完成繼電保護(hù)功能，而且在無故障正常運(yùn)行情況下還可完成測量、控 制、數(shù)據(jù)通信功能，即實(shí)現(xiàn)測量、數(shù)據(jù)通信、保護(hù)、控制一體化。
本發(fā)明具有高可靠性，實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。另外，集控中心會(huì)日復(fù)一日 記錄電氣量數(shù)據(jù)及故障信息，并對(duì)這些數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析，分析結(jié)果既 可以成為以后電力故障防范提供依據(jù)，又可以給電力系統(tǒng)擴(kuò)容提供重要的 數(shù)據(jù)。


圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)圖2為繼電保護(hù)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖-，
圖3為繼電保護(hù)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖4為本發(fā)明的繼電保護(hù)控制系統(tǒng)運(yùn)行步驟圖5為本發(fā)明的繼電保護(hù)節(jié)點(diǎn)通信數(shù)據(jù)包格式；
圖6為本發(fā)明實(shí)例的繼電保護(hù)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖7為本發(fā)明實(shí)例的繼電保護(hù)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖8為本發(fā)明實(shí)例的繼電保護(hù)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)開關(guān)量輸入回路；
圖9為本發(fā)明實(shí)例的繼電保護(hù)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)模擬量輸入回路；
圖10為本發(fā)明實(shí)例的繼電保護(hù)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)開關(guān)量輸出回路。
具體實(shí)施方式
如圖l所示，本發(fā)明由若干個(gè)繼電保護(hù)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)i iW(/,力(表示為第/個(gè) 監(jiān)控對(duì)象安置的第)個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，/JeiV,iV為自然數(shù))、繼電保護(hù)執(zhí)行節(jié)點(diǎn) i iM—,")(表示為第m個(gè)監(jiān)控對(duì)象安置的第"個(gè)繼電保護(hù)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)，
m,"eAO、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及集控中心組成。 一個(gè)監(jiān)控對(duì)象的所有傳感器節(jié)點(diǎn)和 執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)繼電保護(hù)節(jié)點(diǎn)，多個(gè)繼電保護(hù)節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)。 傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在發(fā)電機(jī)、變壓器、母線、輸配電線路等電氣設(shè)備上， 用于收集電氣數(shù)據(jù)。除此之外，還具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。傳感器節(jié)點(diǎn)通過特 定的算法形成分簇網(wǎng)絡(luò)，簇首收集監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將電氣數(shù)據(jù)傳 送到相應(yīng)的繼電保護(hù)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)。執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)將電氣數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的整定 值進(jìn)行比較，判斷是否發(fā)生了故障。若發(fā)生了電力故障，并需要切斷相應(yīng) 電氣元件，則立即動(dòng)作。接著，該執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)與其它執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信， 相互協(xié)商，判斷是否需要連鎖切斷其它的電氣元件。若需要，則立即動(dòng)作。 例如，傳感器節(jié)點(diǎn)i iW(/。,力用于收集輸電線路/。的電流。傳感器節(jié)點(diǎn) WW(/"')形成分簇網(wǎng)絡(luò)。簇首i ，(/。,J。;M^iV統(tǒng)一收集輸電線路的電流 量，并將其傳送給為輸電線路保護(hù)的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)i iM(/。，^)。執(zhí)行器節(jié)點(diǎn) i /M(/。,W將收到的電流量與預(yù)先設(shè)定的整定值進(jìn)行比較，判斷輸電線路是 否發(fā)生故障。
傳感器節(jié)點(diǎn)包括數(shù)據(jù)采集模塊l丄l、傳感器處理模塊1丄2、傳感器 無線通信模塊1丄3、傳感器電源模塊1丄4組成，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集模 塊l丄l包括開關(guān)量輸入回路和模擬量輸入回路，負(fù)責(zé)對(duì)發(fā)電機(jī)、變壓器、 母線、輸配電線路等電氣設(shè)備的電氣量進(jìn)行采集并做一定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；傳 感器處理模塊l丄2控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù) 據(jù)，以及其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)；傳感器無線通信模塊1丄3指定傳感器節(jié)點(diǎn) 之間或者傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)按照一定的通信協(xié)議相互通信，交換采 集數(shù)據(jù)和控制信息；傳感器電源模塊l丄4為傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行提供所需的所 有電源。
繼電保護(hù)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)包括執(zhí)行模塊2丄1、執(zhí)行器處理模塊2丄2、執(zhí)行 器無線通信模塊2丄3、執(zhí)行器電源模塊2丄4組成，如圖3所示。執(zhí)行模塊 2丄1根據(jù)執(zhí)行器處理模塊2丄2發(fā)出的命令進(jìn)行執(zhí)行任務(wù)，如斷路器跳閘，切除相應(yīng)的電氣元件等;執(zhí)行器處理模塊2丄2控制整個(gè)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的操作， 存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定的整定值進(jìn)行比較，判斷是否發(fā)生 故障；執(zhí)行器無線通信模塊2丄3指定執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間或者執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)和傳 感器節(jié)點(diǎn)按照一定的通信協(xié)議相互通信，交換采集數(shù)據(jù)和控制信息；執(zhí)行 器電源模塊2丄4為執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行提供所需的所有電源。
網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)具有很強(qiáng)的處理器能力、存儲(chǔ)能力和通信能力，它連接著繼 電保護(hù)網(wǎng)絡(luò)和集控中心的局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn) 換，同時(shí)發(fā)布用戶的監(jiān)測和控制任務(wù)。作為繼電保護(hù)控制系統(tǒng)與用戶交流 的平臺(tái)，上述所說的集控中心將電力系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及故障信息都存儲(chǔ)在 數(shù)據(jù)庫中，供用戶查看。
傳感器節(jié)點(diǎn)采用分簇的方式形成網(wǎng)絡(luò)，分簇網(wǎng)絡(luò)的形成過程如下首 先，簇首廣播信標(biāo)幀。鄰近節(jié)點(diǎn)收到信標(biāo)幀后，就可以申請(qǐng)加入該簇。簇 首決定該節(jié)點(diǎn)是否能夠成為簇成員。如果請(qǐng)求被允許，則該節(jié)點(diǎn)將作為簇 的成員加入到簇首的鄰居列表。新加入的節(jié)點(diǎn)會(huì)將簇首作為它的父節(jié)點(diǎn)加 入到自己的鄰居列表中。通過這種方式，形成一個(gè)樹簇網(wǎng)絡(luò)。簇首可以指 定另一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為鄰接的新簇首，以此形成更多的簇。新簇首同樣可以選 擇其它節(jié)點(diǎn)成為簇頭，進(jìn)一步擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。但是，過多的簇首會(huì) 增加簇間消息傳遞的延遲和通信幵銷。為了減少簇間消息傳遞的延遲和通 信開銷，簇首可以選擇最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)作為相鄰簇的簇頭。
執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的通信路由協(xié)議采用泛洪協(xié)議。執(zhí)行器節(jié) 點(diǎn)i /M(m,^)希望發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)S，使用泛洪算法，首先通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù) 據(jù)副本傳送給它的每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)又將其傳輸給各自的 每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，除了剛剛給它們發(fā)送數(shù)據(jù)副本的節(jié)點(diǎn)i A4—,")外。如此 繼續(xù)，直到數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)S為止。
本發(fā)明中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧采用Zigbee協(xié)議棧，對(duì)于發(fā)電機(jī)、配電房、變 壓器等電力設(shè)備的干擾有著很好的防范技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工作在2.4GHz ISM 頻段，與電力設(shè)置產(chǎn)生的電磁波不在同一頻段，因此沒有干擾。由于Zigbee 協(xié)議免專利費(fèi)，加之節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜程度低，這些可以有效地降低繼電保護(hù)控 制節(jié)點(diǎn)成本。傳感器節(jié)點(diǎn)形成分簇網(wǎng)絡(luò)的簇首選舉過程如下傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè) 0 1之間的隨機(jī)數(shù)i "M(O，如果i^m/(!:Kr(0，則自己為簇首，并發(fā)出廣播
消息。在每輪循環(huán)中，如果節(jié)點(diǎn)已經(jīng)當(dāng)選過簇首，則設(shè)置r(o-o，這樣該 節(jié)點(diǎn)不會(huì)再次當(dāng)選為簇首。對(duì)于未當(dāng)選過簇首的節(jié)點(diǎn)，則將以r(o的概率當(dāng) 選。隨著當(dāng)選過簇首的節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加，剩余節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首的閾值r(/)隨之增 大，節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生小于r(/)的隨機(jī)數(shù)的概率也越大，隨意節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首的概率增 大。當(dāng)只剩下一個(gè)節(jié)點(diǎn)未當(dāng)選時(shí)，r(o = i，表示這個(gè)節(jié)點(diǎn)一定當(dāng)選。r(/)可 以表示為
<formula>formula see original document page 11</formula> 其他
其中，戶是簇首在所有節(jié)點(diǎn)中所占的百分比，r為選舉輪數(shù)，rmod(l/尸) 代表這一輪循環(huán)中當(dāng)選過簇首的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，G是這一輪循環(huán)中未當(dāng)選過簇 首的節(jié)點(diǎn)集合。
圖5所示為繼電保護(hù)控制系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)之間通信數(shù)據(jù)包的一種結(jié)構(gòu)形 式，由數(shù)據(jù)序列號(hào)5.1、幀控制字段5.2、地址5.3、故障數(shù)據(jù)5.4、整定值 5.5、時(shí)間戳5.6組成。其中地址包括源節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)5.3.1、源地址5.3.2、 目的節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)5.3.3、目的地址5.3.4。
圖6為傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例圖。該節(jié)點(diǎn)包括輸入回路6.1 (開關(guān)量輸入回路和模擬量輸入回路)、處理模塊6.2 (Atmegal28處理器 和Flash存儲(chǔ)器)、無線收發(fā)器6. 3(CC2420)、電源6. 4。 Atmegal28為Atmel 公司的AVR系列單片機(jī)，選擇其作為微控制器單元，主要出于兩個(gè)原因 一方面Atmegal28采用的RISC技術(shù)使其具有較高的計(jì)算性能，另一方面 Atmegal28的可用開源開發(fā)軟件工具成熟且TinyOS操作系統(tǒng)對(duì)其支持較好。 Atmegal28具有32個(gè)通用寄存器，64個(gè)1/0控制寄存器，片內(nèi)128KB程序 存儲(chǔ)器，可編程UART、 I2C、 SP工接口，可編程RTC、看門狗、時(shí)鐘源及計(jì) 數(shù)器，8通道10位ADC、六種低功耗模式等特點(diǎn)。CC2420是Chipcon公司 推出的首款符合2. 4GHz IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器，并且TinyOS操 作系統(tǒng)已經(jīng)包含CC2420驅(qū)動(dòng)程序。使用CC2420，只需極少外部元器件，可確保短距離通信的有效性和可靠性，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps，可以實(shí)
現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)，具有超低電流消耗，抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)
(39dB)，輸出功率編程可控等特點(diǎn)。
圖7為執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例圖。該節(jié)點(diǎn)包括開關(guān)量輸出回 路7. 1、處理模塊7. 2 (Atmegal28處理器和Flash存儲(chǔ)器)、無線收發(fā)器 7.3 (CC2420)、電源7. 4。
圖8為傳感器節(jié)點(diǎn)的開關(guān)量輸入回路實(shí)例圖。開關(guān)量輸入回路包括斷 路器和隔離開關(guān)的輔助觸點(diǎn)或跳合閘位置繼電器接點(diǎn)輸入、外部裝置閉鎖 重合閘觸點(diǎn)輸入、輕重瓦斯繼電器接點(diǎn)輸入，還包括脈沖量輸入、有功無 功電度輸入等。當(dāng)輸入端子KR為高電平時(shí)，通過限流電阻Rl，濾波電路 (Cl， C2， R2， R3)，則光電隔離TP121導(dǎo)通，輸出PA就為低電平。反之，當(dāng) KR為低電平時(shí)，輸出PA就為高電平。R4為上拉電阻。
圖9為傳感器節(jié)點(diǎn)的模擬量輸入回路實(shí)例圖。由電力系統(tǒng)輸入到繼電 保護(hù)控制節(jié)點(diǎn)的模擬信號(hào)主要有兩類 一類是來自電壓互感器PT (或電流 互感器CT)的交流電壓(或電流)信號(hào)，另一類是來自分壓器(或分流器) 的直流電壓(或電流)信號(hào)。這些信號(hào)首先通過電壓形成回路被轉(zhuǎn)換到與 節(jié)點(diǎn)相匹配的電平，通過模擬濾波器濾(ALF)去其中的高頻部分，然后由 采樣保持環(huán)節(jié)(S/H)將連續(xù)信號(hào)離散化。由于輸入的信號(hào)通常不止一個(gè)， 所以用多路轉(zhuǎn)換開關(guān)逐個(gè)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)變?yōu)閿?shù)字量。
圖IO為執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的開關(guān)量輸出回路實(shí)例圖。開關(guān)量輸出回路是對(duì)斷 路器等控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)控制操作的出口通道。主要任務(wù)是將小信號(hào)轉(zhuǎn)換為大 功率輸出，滿足驅(qū)動(dòng)輸出的功率要求。采用并列輸出端口(PA)來控制有節(jié) 點(diǎn)的繼電器。在輸出通道里還要防止控制對(duì)象對(duì)繼電保護(hù)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)的反饋 干擾，因此輸出通道也需要光電隔離。當(dāng)PA為高電平時(shí)，經(jīng)過非門電路， 則光電隔離TP127導(dǎo)通，繼電器KC工作。R為限流電阻。
一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)控制方法，如圖4所示，包括以下步
驟
第一步在電力系統(tǒng)中，待檢測的電氣量輸入到傳感器節(jié)點(diǎn)的處理器。 若電氣量為開關(guān)量，則進(jìn)入開關(guān)量輸入回路，包括斷路器和隔離開關(guān)的輔助觸點(diǎn)或跳合閘位置繼電器接點(diǎn)輸入、外部裝置閉鎖重合閘觸點(diǎn)輸入、輕 重瓦斯繼電器接點(diǎn)輸入，還包括脈沖量輸入、有功無功電度輸入等；若為 模擬量，則進(jìn)入模擬量輸入回路，通過模擬低通濾波器規(guī)范輸入量，使用 A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。
第二步傳感器節(jié)點(diǎn)將電氣量發(fā)送到同屬于一個(gè)監(jiān)控對(duì)象的執(zhí)行器節(jié) 點(diǎn)。執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的處理器通過調(diào)用程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序?qū)﹄姎饬窟M(jìn)行計(jì)算， 其計(jì)算結(jié)果與存放在存儲(chǔ)器中的整定值或超限值進(jìn)行比較，并做出相應(yīng)判 斷。電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)電流增加、電壓升高或降低、頻率 降低，或者出現(xiàn)瓦斯、溫度升高等現(xiàn)象。
第三步若發(fā)生故障，并需要切斷相應(yīng)的電氣元件，立即動(dòng)作。通過 輸入輸出端口將執(zhí)行信號(hào)送到相應(yīng)外設(shè)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，或者執(zhí)行跳閘。執(zhí) 行任務(wù)是對(duì)控制對(duì)象(例如斷路器)實(shí)施控制操作，主要任務(wù)是將小信號(hào) 轉(zhuǎn)換為大功率輸出，滿足驅(qū)動(dòng)輸出的功率要求。為了防止控制對(duì)象對(duì)系統(tǒng) 的反饋干擾，因此也需要經(jīng)一級(jí)光電隔離處理。
第四步執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)與其它監(jiān)控對(duì)象的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)傳 輸故障信息。并進(jìn)行協(xié)商，確定完成哪些執(zhí)行任務(wù)。若需要連鎖切斷其它 任務(wù)，則立即動(dòng)作。
權(quán)利要求
1、一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，包括傳感器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和集控中心，一個(gè)監(jiān)控對(duì)象對(duì)應(yīng)有至少一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和至少一個(gè)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，監(jiān)控對(duì)象的傳感器節(jié)點(diǎn)采集電氣量數(shù)據(jù)，通過無線通信將其傳送給該監(jiān)控對(duì)象的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)；收到電氣量數(shù)據(jù)的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行故障判斷，若判定發(fā)生故障，報(bào)警或者執(zhí)行故障對(duì)應(yīng)電氣元件切斷操作，并將故障信息通過無線通信傳送給其它監(jiān)控對(duì)象的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，其它監(jiān)控對(duì)象的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)根據(jù)故障信息判斷是否需要連鎖切斷各自控制的電氣元件，若需要，執(zhí)行操作；收到電氣量數(shù)據(jù)的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)還通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將電氣量數(shù)據(jù)、故障信息以及報(bào)警或電氣元件切斷信息傳送給集控中心；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)用于集控中心與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)；集控中心用于存儲(chǔ)來自執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的電氣量數(shù)據(jù)、故障信息以及報(bào)警或電氣元件切斷操作信息。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)， 其特征在于，所述傳感器節(jié)點(diǎn)包括數(shù)據(jù)采集模塊(l丄l)、傳感器節(jié)點(diǎn)處理 模塊(l丄2)、傳感器節(jié)點(diǎn)無線通信模塊(l丄3)和傳感器節(jié)點(diǎn)電源模塊 (l丄4)，數(shù)據(jù)采集模塊(l丄l)用于采集電氣量數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)處理模 塊(l丄2)用于模數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的電氣量數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)無 線通信模塊(l丄3)用于傳感器節(jié)點(diǎn)之間以及傳感器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)間 的電氣量數(shù)據(jù)傳送，傳感器節(jié)點(diǎn)電源模塊(l丄4)用于為其它三個(gè)模塊提 供電源。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)， 其特征在于，所述執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)包括執(zhí)行模塊(2丄1)、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)處理模塊(2丄2)、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)無線通信模塊(2丄3)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)電源模塊(2丄4)， 執(zhí)行模塊(2丄1)用于根據(jù)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)處理模塊(2丄2)的指令執(zhí)行操作， 執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)處理模塊(2丄2)用于存儲(chǔ)來自執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)無線通信模塊(2丄3 ) 的電氣量數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障分析生成指令，并傳遞給執(zhí)行模塊(2丄1);執(zhí)行 器節(jié)點(diǎn)無線通信模塊(2丄3)用于執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)間、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié) 點(diǎn)間以及執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)間的電氣量數(shù)據(jù)傳送，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)電源模 塊(2丄4)用于為其它三個(gè)模塊提供電源。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)， 其特征在于，所述單個(gè)監(jiān)控對(duì)象的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無線分簇網(wǎng)絡(luò)，其中作 為簇首的傳感器節(jié)點(diǎn)匯集該監(jiān)控對(duì)象的所有傳感器節(jié)點(diǎn)采集的電氣量數(shù) 據(jù)，并將其傳送給該監(jiān)控對(duì)象的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)， 其特征在于，所述執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)還根據(jù)來自集控中心的監(jiān)控任務(wù)進(jìn)行電器元 件切斷操作。
6、 一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)監(jiān)控方法， 一個(gè)監(jiān)控對(duì)象對(duì)應(yīng)至少 一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和至少一個(gè)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，該方法按照以下步驟進(jìn)行(1) 監(jiān)控對(duì)象的傳感器節(jié)點(diǎn)采集電氣量數(shù)據(jù)，將其傳送給該監(jiān)控對(duì)象 的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)；(2) 收到電氣量數(shù)據(jù)的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)對(duì)電氣量數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析，若判 定發(fā)生故障，報(bào)警或執(zhí)行故障對(duì)應(yīng)電氣元件切斷操作，并通過無線通信將 故障信息傳送給其它監(jiān)控對(duì)象的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)；(3) 其它監(jiān)控對(duì)象的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)根據(jù)故障信息判斷是否需要連鎖切斷 其它電氣元件，若需要，則執(zhí)行操作。(4)收到電氣量數(shù)據(jù)的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)將故障信息無線傳送給其它監(jiān)控對(duì) 象的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，其它監(jiān)控對(duì)象的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)根據(jù)故障信息判斷是否需要 連鎖切斷各自控制的電氣元件，若需要，執(zhí)行操作。
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)監(jiān)控方法， 其特征在于，所述步驟(1)具體為單個(gè)監(jiān)控對(duì)象的傳感器節(jié)點(diǎn)形成無線 分簇網(wǎng)絡(luò)，其中作為簇首的傳感器節(jié)點(diǎn)匯集該監(jiān)控對(duì)象的所有傳感器節(jié)點(diǎn) 采集的電氣量數(shù)據(jù)，將其傳送給該監(jiān)控對(duì)象的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)。
全文摘要
一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)，包括傳感器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和集控中心，傳感器節(jié)點(diǎn)采集電氣量數(shù)據(jù)，將其無線傳送給對(duì)應(yīng)監(jiān)控對(duì)象的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)；收到電氣量數(shù)據(jù)的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)若判定發(fā)生故障，則報(bào)警或切斷電氣元件，并將故障信息無線傳送給其它監(jiān)控對(duì)象的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，其它監(jiān)控對(duì)象的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)判斷是否需要連鎖切斷電氣元件，若需要，執(zhí)行操作；收到電氣量數(shù)據(jù)的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)還通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將電氣量數(shù)據(jù)、故障信息以及報(bào)警或電氣元件切斷信息傳送給集控中心；本發(fā)明還提供基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)監(jiān)控方法。本發(fā)明的多個(gè)繼電保護(hù)節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)均能共享全系統(tǒng)的運(yùn)行和故障信息，并協(xié)同完成動(dòng)作，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
文檔編號(hào)H02H7/26GK101436777SQ20081023673
公開日2009年5月20日 申請(qǐng)日期2008年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月9日
發(fā)明者戴志誠, 汪秉文 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)