基於無線傳感器網絡的配電網用戶側集控集抄系統及優化方法
2023-04-28 16:46:06
專利名稱：基於無線傳感器網絡的配電網用戶側集控集抄系統及優化方法
技術領域：
本發明涉及一種採集和控制系統及方法，特別是涉及一種電能表計、負荷控制、配變監 測的自動化集中採集和控制網絡系統及優化方法。
背景技術：
為了實現計量管理的自動化，供電部門一直在不懈的努力解決目前存在的一系列用電管 理難題，如線損高、人工抄表效率低、電費結算實時性差，中小動力用戶的監控、防竊電、 限^、對關口及配變計量的監測等等。
針對上述，由此產生了自動集抄和配網自動化系統，該系統有智能表計、配網終端、主 站後臺管理和資料庫以及通信信道裝置組成。對於通信信道而言，該系統又可分為上行信道 (主站與配網終端之間)和下行信道(配網終端與數量龐大的表計之間)。由於當前主站後臺 管理系統、資料庫及智能表計已趨於成熟，並且隨著2.5G移動數字網的大量應用，基於GPRS 通信網的上行信道已邁入實用化階段，其中，"last mile"即最後一公裡的下行信道由於用 戶數量大，現場環境複雜(有些甚至相當惡劣)，通信媒介質量低，成本壓力大等一系列難題， 已經達到瓶頸，時下尚無真正可行的解決方案。
目前市場上可獲取的方案可包括有線RS485、電力線載波(PLC)以及無線點對點(亍-持 無線PM或無線抄表車)等。其中，對於有線RS485而言，其作為一種專用有線通信信道， 通信可靠，但是作為一種通用方案，從要求將所有表計用通訊線連接起來，從工程施工的角 度來看，代價和難度都太大；而電力線載波方案由於其本身的傳輸可靠性並不能有效的解決； 無線手持PDA走抄和無線抄表車由於本身結構和技術的特點，其實時性和效率都不能保證， 亦很難對最後-'公裡的下行信道之瓶頸問題進行根本性的解決。
發明內容
鑑於現有技術中配電網用戶側的計量和控制部分還停留在人工方式，自動化程度不高， 並且現有用戶側網絡存在實施難度大、傳輸可靠性不高等問題，本發明目的之一在於提供 種可解決配電網用戶側的計量和控制的自動化、網絡化、智能化問題，並且可使得高可靠、 實時性強、低功耗、環境適應性強的配電網最後一公裡網絡成為現實的基於無線傳感器網絡 的配電網用戶側集控集抄系統。
為了達到上述目的，本發明採用了下述技術方案所述基於無線傳感器網絡的配電網用戶側集控集抄系統包括集控集抄終端和多臺無線抄 控器。其中，所述集控集抄終端主要是向無線抄控器發送控制命令，且自無線抄控器處接收
抄收數據，同時完成對整個無線傳感器網絡的管理；該集控集抄終端包括嵌入式CPU、外部 存儲器、第一無線射頻單元、第一天線、第一電源管理單元和外部接口單元，其中所述嵌入 式CPU分別與第一無線射頻單元、第一電源管理單元、外部存儲器以及外部接口單元相連接， 所述第一無線射頻單元亦分別相連於所述第一天線和第一電源管理單元。所述無線抄控器主 要是完成對配電網用戶側各種電力設備的抄收和控制，且將抄收數據發送給集控集抄終端， 該無線抄控器的控制命令從集控集抄終端獲取；該無線抄控器包括單片機、輸入接口、輸出 接口、第二無線射頻單元、第二天線和第二電源管理單元，其中所述單片機分別與所述輸入 接口、輸出接口、第二無線射頻單元以及第二電源管理單元相連，所述第二無線射頻單元分 別相連接第二天線和第二電源管理單元。
所述無線抄控器與集控集抄終端之間進行無線連接，且多個無線抄控器之間亦可無線相 連，從而在無線抄控器與集控集抄終端之間沒有阻擋時，無線抄控器與集控集抄終端之間可 直接發送和接收信息，以及在無線抄控器與集控集抄終端之間有阻擋時，所述各無線抄控器 與集控集抄終端組成一個多跳多路由的無線傳感網絡。
此外，針對該所述基於無線傳感器網絡配電網用戶側集控集抄系統，本發明的另一目的 在於提供一種實現該所述系統高可靠、實時性強、低功耗、環境適應性強的跨層優化方法， 該方法包括以下步驟
A、 對多個無線抄控器和集控集抄終端組成的無線傳感器網絡進行拓撲劃分，確定在最大 發射功率和最低速率下的信號有效傳輸距離；
B、 根據信號有效傳輸距離對所有無線抄控器按照相同區域、相鄰區域以及不同區域進行 劃分，並利用著色原理去對區域內所有無線抄控器進行分組，確定無線傳感器網絡的多址方 式；
C、 以集控集抄終端為中心以及信號傳輸距離為作用範圍逐級確定多跳路由；
D、 確定各條傳輸路徑的傳輸速率；
E、 依據每條傳輸路徑上的吞吐量需求和傳輸速率分配傳輸時間。
相比現有技術，本發明所述基於無線傳感器網絡配電網用戶側集控集抄系統具有以下有 益效果
1) 快速的系統響應採用跨層優化的無線網絡設計，數據傳輸延遲小。
2) 良好的可靠性採用多跳多路由技術，具有冗餘的數據傳遞路徑，使得網絡本身具有 高可靠性。
53) 環境適應性強組網過程自動完成，現場無需人工設置參數；採用多跳無線網絡，實 現非視距傳輸。
4) 低功耗採用跨層優化的無線網絡設計，在滿足網絡傳輸吞吐量要求的基礎上，提高 了能量效率；採用空分多址+時分多址的混合多址技術，減少相互幹擾，有效降低傳輸功率。
圖1為本發明所述基於無線傳感器網絡配電網用戶側集控集抄系統結構框圖； 圖2為本發明中所述集控集抄終端的結構組成圖； 圖3為本發明中所述無線抄控器的結構組成圖4為本發明對所述基於無線傳感器網絡配電網用戶側集控集抄系統進行優化的方法步 驟示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖以及具體實施來對本發明所述基於無線傳感器網絡配電網用戶側集控集抄 系統以及針對該基於無線傳感器網絡配電網用戶側集控集抄系統進行優化的方法作進一步的
詳細說明。
參照圖1中所示，本發明中所述基於無線傳感器網絡配電網用戶側集控集抄系統包括集 控集抄終端1和多臺無線抄控器2;其中，各無線抄控器2為完成對配電網用戶側各種電力
設備的抄收和控制，並將所抄收的數據發送給集控集抄終端1;所述集控集抄終端1下達控 制命令給無線抄控器2，且接收自無線抄控器2發送的數據信息；該所述各個無線抄控器2 與集控集抄終端1之間的距離在實際應用中會有所不同，並且之間可能存在著阻擋，因此勢 必有部分無線抄控器2不能直接向集控集抄終端1發送和接收信息，所述各個無線抄控器2 和集控集抄終端1組成一個多跳多路由的無線傳感器網絡。
再參照圖2中所示，所述集控集抄終端1包括嵌入式CPU10、外部存儲器ll、第一無線 射頻單元12、第一天線13、第一電源管理單元14和外部接口 15。其中，所述第一天線13 與第一無線射頻單元12的天線接口連接，所述第一無線射頻單元12的數據埠與嵌入式 CPU10的一個數據埠連接，而所述嵌入式CPUIO的另一個數據埠與外部接口單元15的端 口連接，所述外部存儲器11與嵌入式CPU10相連接，以及所述第一電源管理單元14與各個 需要供電的單元的電源輸入埠連接；另，見圖2中所示，所述第一電源管理單元14分別與 嵌入式CPU10和第一無線射頻單元12相連，實際應用時，該所述第一電源管理單元14既可 以通過外部電源3輸電供電，又可以在外部輸電異常的時候釆用內置電池供電。所述外部接口單元15於實際應用中可具有GPRS4接口和乙太網口 5 。 參照圖3中所示，所述無線抄控器2作為無線傳感器網絡中的一個節點，既要通過其它 的無線抄控器2傳輸自己需要的信息，又要為其它的無線抄控器2中繼信息，其包括輸入接 口 21、輸出接口 22、單片機20、第二無線射頻單元23、第二天線24和第二電源管理單元 25。其中，所述輸入接口21—端連接電力設備(圖中未示)的抄收埠，另一端則連接於所 述單片機的10 口；所述輸出接口 22 —端連接單片機的10 口，另一端則連接電力設備的控制 埠。所述單片機20的數據埠與第二無線射頻單元23的數據埠連接，所述第二無線射 頻單元23的天線接口連接至第二天線24，以實現數據的接收和發送；所述第二電源管理單 元23與各個需要供電的單元的電源輸入埠連接，見圖3中所示，該第二電源管理單元25 既可以通過外部輸電供電，譬如圖3中所示之電池6，又可以在外部輸電異常的時候採用內 置電池供電。
另外，對於所述集控集抄終端1與所述無線抄控器2以及各個無線抄控器2之間的無線 傳輸為採用MQAM調製方式，其中的調製係數M為可調；所述第一天線13和第二天線24為採 用全向天線；以及由所述集控集抄終端1與多臺所述無線抄控器2組成的無線傳感器網絡為 工作在ISM頻段，該頻段規定的發射功率《100mw。
此外，參照圖4中所示，其為針對前述基於無線傳感器網絡配電網用戶側集控集抄系統 進行優化的方法步驟圖。
首先，對多個無線抄控器2和集控集抄終端1組成的無線傳感器網絡進行拓撲劃分，即 根據最大發射功率確定在最低速率K ，下的信號有效傳輸距離《m (歩驟40);其中，所 述無線傳感器網絡為工作在ISM頻段的433MHz，最大發射功率《■ = 。
其次，對無線傳感器網絡確定多址方式，即根據信號有效傳輸距離《m將所有的無線抄 控器2按照相同區域、相鄰區域、不相鄰區域進行劃分(屬於相同區域或相鄰區域的無線抄 控器傳輸間可產生幹擾)；以及利用著色原理作為分組算法將已作劃分的無線抄控器2分成K 組(K與無線抄控器數量和分布拓撲有關)，使得同一組的無線抄控器2可以同時傳輸，採用 空分多址方式。不同組的無線抄控器2不能同時傳輸，採用時分多址方式(步驟41)。
然後，確定無線傳感器網絡的路由和傳輸路徑，由於在無線集控集抄網絡中主要完成的 任務是集控集抄終端1將控制命令發送給無線抄控器2，以及無線抄控器2將抄收數據發送 給集控集抄終端1，數據傳輸的方向只存在上行和下行兩個方向，因此可以集控集抄終端1 為中心，以信號傳輸距離為作用範圍逐級確定多跳路由(步驟42)。
此外，為了提高網絡傳輸的可靠性，在該優化方法中可以允許冗餘傳輸路徑的存在。
另外，根據各條傳輸路徑的路徑長度，確定各條傳輸路徑的傳輸速率，山此根據不同的
7傳輸速率確定MQAM調製的調製係數，其中，傳輸路徑越短，傳輸速率越高，調製係數也就越 大(步驟43)。
最後，根據無線抄控器2產生數據的速率和需要中繼數據的速率確定每一條傳輸路徑上 的吞吐量需求，且根據該傳輸吞吐量需求和傳輸速率來分配傳輸時間(步驟44)。
權利要求
1. 一種基於無線傳感器網絡的配電網用戶側集控集抄系統，其特徵在於，包括集控集抄終端和多臺無線抄控器，各無線抄控器抄收和控制配電網用戶側各種電力設備，並將所抄收的數據發送給集控集抄終端，而集控集抄終端為下達控制命令給無線抄控器，且接收自無線抄控器發送的數據信息，該所述多臺無線抄控器和所述集控集抄終端構成一個多跳多路由的無線傳感器網絡；其中，所述無線抄控器包括單片機、輸入接口、輸出接口、第二無線射頻單元、第二天線和第二電源管理單元，所述單片機分別與所述輸入接口、輸出接口、第二無線射頻單元以及第二電源管理單元相連，所述第二無線射頻單元分別相連接第二天線和第二電源管理單元；所述集控集抄終端包括嵌入式CPU、外部存儲器、第一無線射頻單元、第一天線、第一電源管理單元和外部接口單元，其中所述嵌入式CPU分別與第一無線射頻單元、第一電源管理單元、外部存儲器以及外部接口單元相連接，所述第一無線射頻單元亦分別相連於所述第一天線和第一電源管理單元。
2. 根據權利要求1所述基於無線傳感器網絡的配電網用戶側集控集抄系統，其特徵在於，所述第一天線和第二天線為全向天線。
3. 根據權利要求1所述基於無線傳感器網絡的配電網用戶側集控集抄系統，其特徵在於，所述第一電源管理單元外接一外部電源。
4. 根據權利要求1所述基於無線傳感器網絡的配電網用戶側集控集抄系統，其特徵在於，所述第二電源管理單元外接一外部電池。
5. 根據權利要求1所述基於無線傳感器網絡的配電網用戶側集控集抄系統，其特徵在於，所述集控集抄終端和無線抄控器內包括內置電池。
6. 根據權利要求1所述基於無線傳感器網絡的配電網用戶側集控集抄系統，其特徵在於，所述電力設備包括抄送埠和控制埠 ，所述無線抄控器的輸入接口連接與該所述抄送埠 ，而輸出接口連接於該所述控制埠。
7. 根據權利要求1所述基於無線傳感器網絡的配電網用戶側集控集抄系統，其特徵在於，所述無線傳感器網絡工作在ISM頻段。
8. —種基於無線傳感器網絡的配電網用戶側集控集抄優化方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟A、 對多個無線抄控器和集控集抄終端組成的無線傳感器網絡進行拓撲劃分，確定在最大發射功率和最低速率下的信號有效傳輸距離；B、 根據信號有效傳輸距離對所有無線抄控器按照相同區域、相鄰區域以及不同區域進行劃分，並利用著色原理去對區域內所有無線抄控器進行分組，確定無線傳感器網絡的多址方式；C、 以集控集抄終端為中心以及信號傳輸距離為作用範圍逐級確定多跳路由；D、 確定各條傳輸路徑的傳輸速率；E、 依據每條傳輸路徑上的吞吐量需求和傳輸速率分配傳輸時間。
9. 根據權利要求8所述基於無線傳感器網絡的配電網用戶側集控集抄優化方法，其特徵在於，步驟B中包括，同一組的無線抄控器為同時傳輸，即採用空分多址方式；不同組的無線抄控器不能同時傳輸，即採用時分多址方式。
10. 根據權利要求8所述基於無線傳感器網絡的配電網用戶側集控集抄優化方法，其特徵在於，步驟D中包括，傳輸路徑越短，傳輸速率越高，調製係數也就越大。
全文摘要
本發明公開了一種基於無線傳感器網絡的配電網用戶側集控集抄系統，其包括集控集抄終端和多臺無線抄控器，其中，所述無線抄控器為對配電網用戶側電力設備進行抄收和控制，並將抄收數據發送給集控集抄終端，而集控集抄終端則是向無線抄控器發送控制命令，並接收無線抄控器發送的抄收數據，所述多臺無線抄控器與集控集抄終端組成一個無線傳感器網絡。集控集抄終端包括外部存儲器、第一無線射頻單元、第一天線、第一電源管理單元、外部接口單元及嵌入式CPU；無線抄控器包括輸入接口、輸出接口、第二無線射頻單元、第二天線、第二電源管理單元及分別單片機。本發明所述系統的優點在於系統響應快，可靠性高，環境適應性強以及低功耗。
文檔編號G08C17/00GK101504792SQ20091007845
公開日2009年8月12日 申請日期2009年2月23日 優先權日2009年2月23日
發明者曾德華, 溫禮仕, 胡曉林, 錢向紅, 智 陳 申請人:四川賽康電氣有限責任公司