一種具有時鐘同步和位置定位功能的電力信息網的製作方法
2023-10-19 13:27:07 1
本發明涉及電力信息網，尤其是一種具有時鐘同步和位置定位功能的電力信息網。
背景技術：
電能是現代社會的主要能源供給形式，電力系統實際上已成為保持現代社會活力的生命線。
現代電力信息網必須採用先進的監測、控制和調度機制來維持其平穩而優化的運行，電網規模的擴大和對發電供電質量不斷提高的需求導致對電力信息網的管理和運行的自動化水平的不斷提高，以適應當前社會的需求。
而電力信息網的自動化必須要有快速的反應以及精準的故障定位，而目前的電力信息網的各個終端之間的時間無法同步，從而無法在時間上給出快速的故障反應，並且目前的電力信息網缺少對電力線的實時定位監控。
技術實現要素：
本發明為了克服現有技術方案的不足，提供了一種具有時鐘同步和位置定位功能的電力信息網。
為了實現上述目的，本發明的技術方案為：一種具有時鐘同步和位置定位功能的電力信息網，包括主站系統、一級通信層、子站系統、二級通信層以及終端系統，
主站系統包括scada設備、故障診斷恢復設備、高級應用工作站、配電自動化工作站，主站系統的功能是對所轄配電區域各變電站集中監控以及對配電網終端設備實時監控。
一級通信層為sdh同步光網絡或者千兆光纖冗餘環網，其用於主站系統與子站系統之間的通信，其能夠提供傳輸頻帶寬大、通信速度高、傳輸可靠性好和實時性好的高性能網絡，滿足電力信息網系統的高性能通信要求。
子站系統為多個中間伺服器，用於實現主站系統與終端系統間的信息集結，承擔配電監控數據集中、轉發和子區域內饋線自動化功能；
二級通信層為包括光纖、移動公網gprs、電話專線和電力線載波多種通信方式的通信接口，其用於將終端系統不同的通信信號轉化為統一的數據信號以提供給子站系統；
終端系統包括分散於配電區域內配電終端設備，配電終端設備用於對配電設備的狀態與工況的數據採集與計算，位於配電自動化系統底層，是系統數據信息的提供和監控命令的執行單元，具有四遙和電流檢測、通信轉發、繼電保護等功能，
配電終端設備主要包括饋線配電終端、配電變壓器監測終端和開閉所遠方監控終端，其中，饋線配電終端是裝設在饋線開關旁的開關監控裝置，配電變壓器監測終端用於監測並記錄配電變壓器運行工況，開閉所遠方監控終端安裝於常規開閉所和環網櫃；
在子站系統的每個中間伺服器、終端系統的每個配電終端上安裝具有無線收發功能的數據採集裝置，在輸電線間隔一定距離的上分別安裝數據採集裝置，
通過子站系統以及數據採集裝置實現主站系統對終端系統的狀態、性能的監視以及對終端系統的遠程操作控制，並且，數據採集裝置構成無線通信網絡，通過定位算法快速準確的給出輸電線的排布情況，通過時鐘同步算法實現各個配電終端設備的同步。
有益效果：
1、合理利用配電通信資源，增設子站系統作為主站系統的補充，實現信息集結；
2、將不同的通信信號轉化為統一的數據信號以提供統一的數據交換；
3、應用定位算法從而在輸電線出現故障時，能夠準確的發現其具體位置；
4、應用時鐘同步算法從而能夠及時發現故障輸電線或者故障配電終端；
5、使用雙電池供電方式，從而實現全天候的供電；
6、使用自動電量監測，防止電池過衝。
附圖說明
圖1為本發明的系統構成框圖；
圖2為本發明的電源模塊的電路構成圖。
具體實施方式
下面結合附圖與實施例對本發明作進一步的說明。
如圖1-2所示，一種具有時鐘同步和位置定位功能的電力信息網，包括主站系統、一級通信層、子站系統、二級通信層以及終端系統，
主站系統包括scada設備、故障診斷恢復設備、高級應用工作站、配電自動化工作站，主站系統的功能是對所轄配電區域各變電站集中監控以及對配電網終端設備實時監控。
一級通信層為sdh同步光網絡或者千兆光纖冗餘環網，其用於主站系統與子站系統之間的通信，其能夠提供傳輸頻帶寬大、通信速度高、傳輸可靠性好和實時性好的高性能網絡，滿足電力信息網系統的高性能通信要求。
子站系統為多個中間伺服器，用於實現主站系統與終端系統間的信息集結，承擔配電監控數據集中、轉發和子區域內饋線自動化功能。
配電終端設備數量眾多，地理位置分散，為減少主站系統的處理負擔，合理利用配電通信資源，在主站系統與終端系統之間增設子站系統作為主站系統的補充，實現主站系統與終端系統間的信息集結。
二級通信層為包括光纖、移動公網gprs、電話專線和電力線載波多種通信方式的通信接口，其用於將終端系統不同的通信信號轉化為統一的數據信號以提供給子站系統；
終端系統包括分散於配電區域內配電終端設備，配電終端設備用於對配電設備的狀態與工況的數據採集與計算，位於配電自動化系統底層，是系統數據信息的提供和監控命令的執行單元，具有四遙和電流檢測、通信轉發、繼電保護等功能，
配電終端設備主要包括饋線配電終端、配電變壓器監測終端和開閉所遠方監控終端，其中，饋線配電終端是裝設在饋線開關旁的開關監控裝置，配電變壓器監測終端用於監測並記錄配電變壓器運行工況，開閉所遠方監控終端安裝於常規開閉所和環網櫃；
在子站系統的每個中間伺服器、終端系統的每個配電終端上安裝具有無線收發功能的數據採集裝置，在輸電線間隔一定距離的上分別安裝數據採集裝置，
通過子站系統以及數據採集裝置實現主站系統對終端系統的狀態、性能的監視以及對終端系統的遠程操作控制，並且，數據採集裝置構成無線通信網絡，通過定位算法快速準確的給出輸電線的排布情況，通過時鐘同步算法實現各個配電終端設備的同步。
其中，數據採集裝置包括傳感器模塊、無線通信模塊以及電源模塊，
傳感器模塊用於配電終端以及輸電線的通信質量信息、故障信號、異常信號、電壓數據、電流數據、電源電量數據、功率數據、溫溼度數據的採集；
無線通信模塊將傳感器模塊採集到的數據信息傳輸給子站系統的中間伺服器，並將包括開關信號以及設定信號在內的控制信息發送給配電終端以執行相應的操作，
無線通信模塊包括cpu模塊、內存模塊、射頻收發器、功放模塊、時鐘模塊和電源管理模塊，
功放電路用於對射頻收發器的發射功率進行放大，從而提高信號的傳輸範圍，
時鐘模塊包括高頻晶振電路和低頻振蕩電路，根據對時鐘精度的要求不同，採用相應的晶振電路，從而在保證高精度的晶振同時，還能有效降低無線通信模塊的功耗；
電源模塊採用乾電池與太陽能電池兩種供電方式相結合,供電成本非常低廉,不需要經常的進行維護,在晴天的情況下,可以對太陽能電池進行充電。
如圖所示，其包括光耦合器、p溝道場效應管、太陽能電池板、蓄電池組、電阻r1、電阻r2、電容c1以及電容c2，無線通信模塊通過開關控制端向光耦合器發出一個低電平信號,光耦合器的發射極接地,集電極又與p溝道場效應管的柵極相連，柵極電壓為低電平,p溝道場效應管導通從而允許太陽能電池板對蓄電池組進行充電；
在蓄電池組的極板處還設置電壓檢測電路,在蓄電池組充電達到飽和之後就自動斷開充電電路。
在電池充電過程中,如果充電控制模塊在電池充滿的情況下不能自動斷開電路,就會發生電池過衝的現象,從而減少了電池板的使用壽命,增加維護成本。
其中定位算法如下步驟：
步驟1，無線通信網絡的初始化；
無線通信網絡中，共有n個數據採集裝置成節點，其中，m個安裝在每個中間伺服器以及每個配電終端上的位置固定的數據採集裝置構成固定節點，其他n-m個安裝在輸電線上的位置不固定的數據採集裝置構成未知節點，由於配電終端的位置是固定的，因此固定節點的位置為已知；
以其中一個固定節點為源節點向臨近節點發送一個消息請求，臨近節點再向其臨近節點發送消息請求，如此循環，直至覆蓋全網,實現網絡的初始化；
步驟2，測量臨近節點間點與點之間的距離，並通過固定節點周期性地廣播包含固定節點的身份、位置及路徑長度變量的消息，將路徑長度變量的初始值設為零，接收到該消息的每個節點會將測量到的距離添加至路徑長度中；
步驟3，如果節點通過不同路徑收到來自之前固定節點的信息，那麼只有在當前路徑長度小於之前時，才更新路徑長度並將其轉發出去，未知節點就根據獲得的累積距離來估算自身的位置；
步驟4，重複步驟3，直至無線通信網絡中所有未知節點都獲得其到最近的固定節點的跳數，以及到最近的固定節點的每跳距離之和以及固定節點的位置坐標；
步驟5，各個固定節點向未知節點廣播自身到其他各固定節點的距離誤差修正值，具體為：
步驟5.1，為保證絕大多數未知節點接收到的修正值來自距離最近的固定節點，未知節點僅對第一個修正值進行接收，丟棄所有後續數據；
步驟5.2，固定節點接收到其他固定節點的信息後，通過自身的坐標與接收到的固定節點的坐標計算出兩者之間的真實距離，表達式為：
，
兩者之間的估算距離為固定節點到固定節點經過的節點距離的累積之和，誤差修正值為：
，
步驟5.3，各固定節點將自身到其他各固定節點的距離誤差修正值在網絡中廣播；
步驟5.4，未知節點接收與自身距離最近的固定節點的誤差修正值後，再根據獲得的估計距離計算出至最近的固定節點的有效距離。如：i是距離未知節點k最近的固定節點，而計算未知節點k至固定節點j的有效距離可表示為：
，
其中，為未知節點k至固定節點j的有效距離，是未知節點k至固定節點j的每跳距離的累積之和，是固定節點i與固定節點j之間的距離誤差修正值；
步驟6，未知節點利用接收到的距離誤差修正值計算其至各個固定節點的有效距離，當未知節點獲得3個或更多固定節點的有效距離後，可出自身位置，具體為：
令、、、…、分別對應於n個固定節點的坐標，為未知節點的坐標，未知節點與這些固定節點之間的距離分別為、、、…、，則有：
，
變形得到：
，
進一步簡化為線性方程組：
，
其中，，
，
，
使用標準的最小均方差估計方法得到未知節點的坐標：
，
步驟6，所有節點的位置信息發送給主站系統，形成各個配電終端的分布以及輸電線的分布圖，從而在輸電線出現故障時，能夠準確的發現其具體位置。
為了及時發現故障輸電線或者故障配電終端，需要實現無線通信網絡中各個數據採集裝置的時鐘同步，因此本發明引入了帶有路徑延遲補償的時鐘同步算法，具體步驟為：
步驟1，收集無線通信網絡中各個無線通信模塊的時間信息，將時間信息通過通知報文發布；
步驟2，最優時間源選擇，根據收集的時間信息，選擇具有最優時間信息的無線通信模塊，將其作為同步的時間源；
步驟3，根據時間源的選擇結果，決定無線通信模塊的埠同步工作狀態，埠的同步工作狀態將無線通信模塊的時鐘劃分為主時鐘、從時鐘和不可用時鐘三種，主時鐘向相鄰的從時鐘發送同步消息，通過時間戳機制來進行時鐘同步和補償；
步驟4，時間戳服務由網絡物理層提供，時間戳以報頭的身份存在於時間敏感的音視頻數據流數據包中，當含有時間戳的消息進出需要時鐘同步無線通信模塊的埠時，會與本地時鐘進行對比，利用相應的路徑延遲補償算法與本地時鐘進行匹配，從而實現整個無線通信網絡的時間同步。
其中，路徑延遲補償算法具體為：
步驟4.1，主時鐘在時刻發送同步信息，隨後在發送跟隨消息，將同步消息的實際發送時間發送給從時鐘，從時鐘記錄同步信息到達的時間；
步驟4.2，隨後在時刻發送延時請求報文，主時鐘收到消息後，再發送響應報文，將其到達時間返回給從時鐘，這樣從時鐘已知的值，利用下式得到路徑延遲，
，
步驟4.3，按照一定的周期重新檢查傳輸時延，即重複步驟4.1-4.2，以確保同步時鐘信號。
以上所述實施方式僅表達了本發明的一種實施方式，但並不能因此而理解為對本發明範圍的限制。應當指出，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。