王勇

（貴州師范大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550014）

基于Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的配網(wǎng)防誤管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

王勇

（貴州師范大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550014）

針對(duì)電力系統(tǒng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備種類(lèi)多、檢測(cè)單位分布廣、調(diào)度工作量大等特點(diǎn)。提出基于Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的配網(wǎng)防誤管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用Zigbee無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，保證信息傳遞突破地域限制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。并通過(guò)建立配電網(wǎng)調(diào)控領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)，拓展配電網(wǎng)操作各層面的應(yīng)用，其中包括配電網(wǎng)調(diào)控層、運(yùn)維層、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)層各項(xiàng)電網(wǎng)操作和控制業(yè)務(wù)應(yīng)用。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取配電網(wǎng)模型和運(yùn)行參數(shù)等信息，并與配電調(diào)度系統(tǒng)相結(jié)合，達(dá)到配電防誤效果。

配電網(wǎng)；防誤系統(tǒng)；Zigbee技術(shù)；遠(yuǎn)程監(jiān)控

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，用電客戶(hù)對(duì)電網(wǎng)的規(guī)模和容量的要求越來(lái)越高，對(duì)其可靠性的要求也越來(lái)越高，穩(wěn)定、可靠的配電系統(tǒng)是保障用電客戶(hù)利益的必要條件[1]。但當(dāng)前配電網(wǎng)受眾面廣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備老化，因此為用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)、可靠的供電服務(wù)成為配網(wǎng)面臨著艱巨任務(wù)。如今的配網(wǎng)調(diào)度工作人員要正確完成調(diào)度工作通常要參考模擬系統(tǒng)，通過(guò)參照模擬系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)（如網(wǎng)絡(luò)環(huán)網(wǎng)、線(xiàn)路互帶和單線(xiàn)圖等）實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度[3]。但在實(shí)際中，模擬系統(tǒng)的的相關(guān)參數(shù)得不到及時(shí)更新或者其他的原因?qū)е孪嚓P(guān)參數(shù)與實(shí)際不一致，使得調(diào)度工作出現(xiàn)錯(cuò)誤的幾率較大。此外，配網(wǎng)設(shè)備中的有一大部分的柱上開(kāi)關(guān)、刀閘等設(shè)備都處于未鎖閉狀態(tài)，這使得工作人員會(huì)容易造成操作錯(cuò)誤。因此，在配電網(wǎng)中推行防誤操作系同樣具有重大意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

基于Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的配網(wǎng)防誤管理系統(tǒng)硬件組成部分包括Zigbee無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、調(diào)度員/運(yùn)行人員/線(xiàn)路人員工作站、打印機(jī)、傳票設(shè)備、電腦鑰匙和現(xiàn)場(chǎng)閉鎖鎖具[2]。

1.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括服務(wù)層、數(shù)據(jù)層、接口適配器、維護(hù)工具以及通信管理和各層面客戶(hù)端，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 配網(wǎng)防誤系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

服務(wù)層是系統(tǒng)的核心，它包括智能指令票服務(wù)、智能操作票服務(wù)、業(yè)務(wù)管控服務(wù)、離線(xiàn)信息服務(wù)、防誤分析服務(wù)、通信管理服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)。其中防誤分析服務(wù)是應(yīng)用電力調(diào)控防誤分析推理知識(shí)庫(kù)對(duì)調(diào)度指令票、倒閘操作票、遙控操作、現(xiàn)場(chǎng)操作進(jìn)行在線(xiàn)的全網(wǎng)實(shí)時(shí)防誤分析，實(shí)時(shí)在線(xiàn)的防誤分析貫穿于電力生產(chǎn)業(yè)務(wù)的各個(gè)環(huán)節(jié)，提高了電力生產(chǎn)的安全性[4]。

數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)服務(wù)分析應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括電網(wǎng)模型、專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)以及業(yè)務(wù)管理庫(kù)。

1.3 系統(tǒng)工作原理

配網(wǎng)防誤操作系統(tǒng)的工作平臺(tái)是監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)，也稱(chēng)著防誤主機(jī)，供電局的全部配網(wǎng)線(xiàn)路信息（如保險(xiǎn)、分支箱、刀閘和電纜等接線(xiàn)圖）都會(huì)在計(jì)算機(jī)上顯示出來(lái)。其顯示的形式具有多樣化，可根據(jù)不同要求和角度進(jìn)行設(shè)定[5]。

配網(wǎng)防誤軟件中內(nèi)置了相關(guān)的防誤樣本，當(dāng)調(diào)度人員在配網(wǎng)防誤軟件進(jìn)行相關(guān)操作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)相關(guān)操作進(jìn)行綜合邏輯判斷，如果其相關(guān)的操作與防誤樣本的本符，那么系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷操作有效，反之，系統(tǒng)會(huì)以聲音和文字進(jìn)行警告提示，調(diào)度人員可以依據(jù)系統(tǒng)的提示進(jìn)行相關(guān)檢查。

2 配網(wǎng)防誤管理系統(tǒng)Zigbee無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

Zigbee無(wú)線(xiàn)通訊模塊是Zigbee無(wú)線(xiàn)通訊的基礎(chǔ)硬件，本系統(tǒng)使用Zigbee無(wú)線(xiàn)通訊模塊總體設(shè)計(jì)圖如圖 2所示，控制器采用了“核心板+接口板”的設(shè)計(jì)方式，外觀使用機(jī)籠式結(jié)構(gòu)，其擴(kuò)展性較好[15]。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1 Zigbee傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)安置傳感器采集節(jié)點(diǎn)，通過(guò)采集節(jié)點(diǎn)對(duì)檢測(cè)單元的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行采集與傳輸，這一結(jié)構(gòu)即為無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)硬件的整體結(jié)構(gòu)。根據(jù)相應(yīng)要求，傳感器節(jié)點(diǎn)選擇Chipcon公司生產(chǎn)的高度集成片上系統(tǒng) （SOC，System On Chip）射頻芯片CC2530。傳感器節(jié)點(diǎn)包括3個(gè)組成部分：1）電源管理模塊；2）傳感器模塊；3）微處理器。電源模塊的電壓為 3.3 V，通過(guò)穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定；傳感器模塊與處理器的 GPIO鏈接，實(shí)現(xiàn)傳輸參數(shù)數(shù)據(jù)的功能。硬件整體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件整體結(jié)構(gòu)框圖

電源管理模塊的具體設(shè)計(jì)步驟：采用普通的AA電池對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，電源模塊的電路原理圖如圖4所示。依據(jù)SW1撥動(dòng)開(kāi)關(guān)的接通或者是斷開(kāi)，對(duì)電池輸出進(jìn)行相應(yīng)的控制，通過(guò)升壓轉(zhuǎn)換器AS1337，對(duì)電池電壓進(jìn)行升壓處理，使電壓穩(wěn)定值為3.3 V，固定不變。電源的工作指示燈為D1，濾波電容分別是C2與C3，輸出電壓值依靠R2與R3進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，輸出端電壓采用V0表示，V0計(jì)算過(guò)程如下：

公式中，R2取值560 kΩ；R3取值330 kΩ。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)電源模塊電路原理圖

外圍接口電路設(shè)計(jì)：外圍接口電路包括了4個(gè)組成部分：1）JTAG仿真調(diào)試接口；2）CC2530芯片復(fù)位電路；3）LED燈指示電路；4）預(yù)留外接傳感器擴(kuò)展電路，圖5表示了具體組成及原理。

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)外圍接口電路原理

2.2 Zigbee節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

成功創(chuàng)建 Sink節(jié)點(diǎn)之后，傳感器節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)備類(lèi)型加入至網(wǎng)絡(luò)。Zigbee傳感器節(jié)點(diǎn)上電后，要做相應(yīng)的工作，具體Zigbee節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖6所示。

圖6 Zigbee節(jié)點(diǎn)的工作流程圖

2.3 網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)的功能有兩點(diǎn)：1）兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)交換；2）控制轉(zhuǎn)發(fā)。構(gòu)成網(wǎng)關(guān)的組成分別是：1）以太網(wǎng)控制進(jìn)程（E-Process，Ethernet Process）；2）Zigbee網(wǎng)絡(luò)控制進(jìn)程（Z-Process，Zigbee Process）；3）初始進(jìn)程（IProcess，Initial Process）。太網(wǎng)控制進(jìn)程和Zigbee網(wǎng)絡(luò)控制進(jìn)程連接需要確定合適的通信機(jī)制，該通信機(jī)制可確定為先入先出隊(duì)列 （FIFO，F(xiàn)irst Input First Output）。并且，以太網(wǎng)控制進(jìn)程和Zigbee網(wǎng)絡(luò)控制進(jìn)程的設(shè)備信息表需進(jìn)行共享，依靠共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)。在以太網(wǎng)控制進(jìn)程和Zigbee網(wǎng)絡(luò)控制進(jìn)程運(yùn)行前，初始進(jìn)程應(yīng)建立好設(shè)備信息表以及通信FIFO。圖7表示了網(wǎng)關(guān)進(jìn)程圖。

圖7 網(wǎng)關(guān)進(jìn)程圖

3 配電網(wǎng)防誤一體化管理系統(tǒng)研究

本系統(tǒng)是在傳統(tǒng)DMS電網(wǎng)模型和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，建立配電網(wǎng)調(diào)控領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)，并拓展配電網(wǎng)電網(wǎng)操作各層面的應(yīng)用，其中包括配電網(wǎng)調(diào)控層、運(yùn)維層、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)層各項(xiàng)電網(wǎng)操作和控制業(yè)務(wù)應(yīng)用。

3.1 配網(wǎng)防誤分析推演規(guī)則知識(shí)庫(kù)

配網(wǎng)防誤分析推演規(guī)則知識(shí)庫(kù)包括如下幾個(gè)方面：

1）本體狀態(tài)防誤推演知識(shí)庫(kù)：根據(jù)設(shè)備本身的狀態(tài)特征的防誤特性形成本體狀態(tài)防誤知識(shí)單元[9]。例如：設(shè)備掛“停役”牌或設(shè)備處于不可控狀態(tài)。

2）關(guān)系狀態(tài)防誤推演知識(shí)庫(kù)：依據(jù)元件與相關(guān)元件的防誤關(guān)系構(gòu)建關(guān)系狀態(tài)防誤知識(shí)單元[10]。

3）綜合分析防誤推演知識(shí)庫(kù)：依據(jù)全網(wǎng)分析提到的防誤類(lèi)型構(gòu)建綜合分析防誤知識(shí)單元。

4）操作過(guò)程防誤推演知識(shí)庫(kù)：根據(jù)操作設(shè)備的操作順序和操作流程構(gòu)建的操作過(guò)程防誤知識(shí)單元[12]。

3.2 配網(wǎng)調(diào)度操作指令票的防誤校核

1）擬票過(guò)程中的防誤分析：在擬票過(guò)程中的每個(gè)步驟均經(jīng)過(guò)擬票時(shí)的電網(wǎng)數(shù)據(jù)斷面進(jìn)行防誤校驗(yàn)，以保證指令票各步驟的正確，對(duì)校核信息用列表或提示框進(jìn)行展現(xiàn)，并將校核后有誤操作的指令用紅色進(jìn)行標(biāo)識(shí)，起到警示的作用。

2）審核中的防誤分析：傳統(tǒng)的審核過(guò)程是通過(guò)審核人員閱讀指令票內(nèi)容，檢查指令票中的錯(cuò)誤。系統(tǒng)在審核過(guò)程中，可通過(guò)在擬票數(shù)據(jù)斷面的基礎(chǔ)之上自動(dòng)模擬校驗(yàn)，形成各操作步驟的校核信息，幫助審核人員進(jìn)行準(zhǔn)確的審核[6]。

3）進(jìn)入“執(zhí)行”前的自動(dòng)防誤分析：當(dāng)命令進(jìn)入執(zhí)行狀態(tài)的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)運(yùn)行仿真模擬校驗(yàn)一次，檢查指令中各操作步驟在當(dāng)前的實(shí)時(shí)電網(wǎng)狀態(tài)下是否會(huì)引起誤操作或造成不期望的影響。當(dāng)有問(wèn)題時(shí)，可退回修改。

4）執(zhí)行過(guò)程中防誤分析：在執(zhí)行過(guò)程中，每執(zhí)行一步均會(huì)用當(dāng)前全網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行防誤分析，其最主要原因是防止執(zhí)行過(guò)程中，由于電網(wǎng)狀態(tài)的變化而造成操作步驟由非誤操作轉(zhuǎn)化為誤操作或造成不期望的影響。

3.3 配網(wǎng)調(diào)控中心緊急操作的防誤校核

在緊急情況下，調(diào)度不寫(xiě)調(diào)度指令，直接在DMS上進(jìn)行遙控操作，此時(shí)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)的全網(wǎng)校核分析后，在進(jìn)行遙控操作，其具體的過(guò)程如下：

DMS的選擇命令中有一個(gè)按鈕，其作用是對(duì)命令進(jìn)行校驗(yàn)，判斷命令的正確性。這個(gè)按鈕主要的工作過(guò)程是把命令傳送到防誤軟件中，防誤軟件進(jìn)行一系列地分析，然后把分析的結(jié)果反送回去。DMS端依據(jù)防誤軟件分析的結(jié)果，判斷判斷此命令能否執(zhí)行，如果可以執(zhí)行，那么其他按鈕就可以使用，DMS遙控就可以執(zhí)行，其交互過(guò)程如圖8所示。

圖8 DMS遙控監(jiān)護(hù)流程圖

3.4 配網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)操作的防誤監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)操作進(jìn)行防誤監(jiān)控系統(tǒng)，其主要功能如下：

1）倒閘操作票的執(zhí)行狀態(tài)監(jiān)控：調(diào)控中心可實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)倒閘操作票的執(zhí)行狀態(tài)，如開(kāi)始執(zhí)行、正在執(zhí)行、執(zhí)行完成；

2）倒閘操作票步驟的執(zhí)行狀態(tài)監(jiān)控：調(diào)控中心可實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)倒閘操作票各步驟的執(zhí)行狀態(tài)，如正在執(zhí)行，執(zhí)行完成等?？杉皶r(shí)比對(duì)操作完的步驟在DMS中的設(shè)備狀態(tài)，便于跟蹤現(xiàn)場(chǎng)的操作過(guò)程[14]；

3）操作間隔提醒功能：倒閘操作票開(kāi)始執(zhí)行前，現(xiàn)場(chǎng)操作人員需要掃描RFID，確定是否誤入了操作間隔，掃描的RFID編碼將實(shí)時(shí)傳送到調(diào)控中心，在本系統(tǒng)上通過(guò)設(shè)備閃動(dòng)等方式明顯告知監(jiān)控人員目前操作的設(shè)備，如果誤入了操作間隔，系統(tǒng)也將進(jìn)行告警；

4）現(xiàn)場(chǎng)操作校核信息實(shí)時(shí)展現(xiàn)：現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行每步操作時(shí)，都需要進(jìn)行全網(wǎng)的校核分析，其分析結(jié)果在智能手持終端上展現(xiàn)的同時(shí)，在調(diào)控中心也將進(jìn)行展現(xiàn)。并按校驗(yàn)結(jié)果等級(jí)進(jìn)行分類(lèi)告警。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹配網(wǎng)防誤一體化管理系統(tǒng)的主要功能以及Zigbee無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的硬件結(jié)構(gòu)、軟件結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取配電網(wǎng)模型和運(yùn)行參數(shù)等信息。并通過(guò)建立配電網(wǎng)調(diào)控領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)，拓展配電網(wǎng)操作各層面的應(yīng)用，其中包括配電網(wǎng)調(diào)控層、運(yùn)維層、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)層各項(xiàng)電網(wǎng)操作和控制業(yè)務(wù)應(yīng)用。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取配電網(wǎng)模型和運(yùn)行參數(shù)等信息，并與配電調(diào)度系統(tǒng)相結(jié)合，達(dá)到配電防誤效果。

[1]蒲泓全，賈軍營(yíng)，張小嬌，等.ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究綜述[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2013（9）:86-90.

[2]楊順，章毅，陶康.基于ZigBee和以太網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2010（1）:56-60.

[3]彭宇，羅清華，潘大為.一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009（12）: 112-115.

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

[5]解東光，張峰，張曉宇.基于3G技術(shù)的配電變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電測(cè)與儀表，2009（11）:96-110.

[6]吳佳偉．智能配電網(wǎng)中通信傳輸技術(shù)的應(yīng)用研究[D]．上海：上海交通大學(xué)，2010．

[7]Javier Lopez，Cristina Alcaraz，Rodrigo Roman. Smart control of operational threats in control substations.Computers& Security， In Press，Corrected Proof，2013，5（11）:1475-1482.

[8]王猛，張曉蕾，劉宇麗.地調(diào)調(diào)控一體化遠(yuǎn)程操作防誤功能的研究及應(yīng)用技術(shù)方案[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2013（5）:126-128.

[9]黃華東，蘇涵.對(duì)集控中心遙控操作安全約束系統(tǒng)的研究[J].廣東科技，2011（12）:45-46.

[10]邢智.電網(wǎng)調(diào)度智能操作票及防誤系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].南昌：南昌大學(xué)，2013.

[11]郝祎.全網(wǎng)防誤調(diào)度操作票系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

[12]趙麗萍，劉偉.智能調(diào)度操作票及防誤閉鎖技術(shù)的研究與實(shí)踐[J].華北電力技術(shù)，2010（9）:51-54.

[13]郝克剛.基于智能電網(wǎng)下的變電站自動(dòng)化應(yīng)用方案 [J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2013（9）:75-79.

[14]Pardeshi S，Mahajan R，Pasumarthi U M，et al. Multiprocessor based architecture for on-line condition monitoring of transformers[C]//Condition Monitoring and Diagnosis（CMD），2012 International Conference on.IEEE，Bali，Indonesia 2012: 761-765.

[15]鄧?yán)倮?基于ZigBee的漏電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].北華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012（1）：117-120.

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稿件編號(hào)：201601036

王 勇（1972—），男，苗族，貴州赤水人，實(shí)驗(yàn)師，講師。研究方向：電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與通信工程。