基于ZigBee技术的馈线自动化系统的研发(高校电自年会).doc

基于ZigBee无线传感器网络的新型馈线自动化系统的研发
焦邵华1，陈冲2，王瑞闯3，周立东1，丁福利
（1. 四方电气（集团）有限公司，北京市，10084；2．东北电力大学， 吉林省吉林市, 132012；3.华北电力大学，北京市，102206）
New-style Feeder Automation System Based On ZigBee Wireless Sensor Network
JIAO Shaohua1；CHEN Chong2；WANG Ruichuang3
（1. Sifang Electric（Group）Co. Ltd., Beijing; 2.North East Dian Li University, Jilin, 432012;3. North China Electric Power University, Beijing, 102206）

ABSTRACT:many communication technologies have been used in FAS,but no one of them can reach the requirements of reliablity and rationality. Hereby, this paper researched a FAS which applied with ZigBee WSN.Designed the FTU based on ZigBee technology;analysised several key technologies and its resolvent;realized the FA logic based on IEC 61131-3 stardust; finally a simulation experiment was done to test the whole system.the results show that this new-style FAS can reach the requirements of reliablity、stability and real time. it deserve to research deeply and generalize.
KEY WORD:ZigBee Wireless Sensor Network (WSN); IEEE802.15.4; Feeder Automation system (FAS); IEC61131-3 stardust
摘要：目前馈线自动化系统通信方式有很多，但尚未有一种方式能够达到组建可靠合理的通信系统要求。据此，本文提出将新兴的ZigBee无线传感器网络技术应用于馈线自动化系统。设计了基于ZigBee技术的FTU；分析了应用ZigBee无线传感器网络的几个关键技术及其解决方案；实现了基于IEC61131-3标准的馈线自动化逻辑；最后对整个馈线自动化系统的进行模拟测试实验，实验表明此新型馈线自动化系统在可靠性、稳定性和实时性方面都满足要求，值得深入研究并推广应用。
关键词：ZigBee；无线传感器网络；IEEE 802.15.4；馈线自动化系统(FAS) ；IEC61131-3标准
0 引言
馈线自动化系统主要功能包括监视设备状态、优化运行方式、自动故障隔离和网络自愈。实施馈线自动对于提高供电可靠性、减少停电面积、缩短停电时间具有重要的意义。而馈线自动化功能的实现必须建立在可靠的通信系统之上，通信系统是整个馈线自动化系统成败的关键。[1-2]
随着通信技术的发展，出现了基于各种通信方式的馈线自动化系统。基于光纤、电力线载波、CAN总线等通信方式的馈线自动化系统属于有线方式[3-5]，由于配电网中设备繁多、地域分布面广，有线方式普遍存在着施工布线困难、投资成本高、扩展性差的缺点。无线通信方式以其布置灵活、维护成本低、易于扩展的诸多优势正受到广泛关注，其中以GPRS/CDMA技术研究应用颇多[6-8],但是GPRS/CDMA公用网络以传输语音信号为优先，在通信繁忙时期如节假日，通信系统会受到较大的影响。此外供电企业租用公用网络，没有主动控制权且通信点数越多，长期运行费用高。
新兴的ZigBee无线传感器网络具有自组织自适应的优点，传感器节点数据通过建立在IEEE802.15.4标准上的ZigBee协议，以多跳的方式传送到监测设备。ZigBee工作在免费频段，无需申请和运行费用，此外还具有低功耗低成本的优点。因此，ZigBee无线传感器网络无疑更加符合了配电网通信系统的要求和特点，具有很强的可行性和实用性。[9]
本文研究的馈线自动化系统，正是基于这种ZigBee无线传感器网络。分布于馈线上的FTU采集馈线以及开关设备的状态信息，通过ZigBee网络不断的跳跃传送到配电子站。同时在子站实现了基于IEC61131-3标准的馈线自动化逻辑，对采集到的信息进行综合分析判断，从而最终实现了馈线自动化的功能。
1 系统结构
配网自动化系统采用分层分布式结构，典型的配网自动化系统有三层结构：配电设备智能终端、配电子站和配电主站。馈线自动化实现10kV城市供电线路的自动化，是配网自动化的基础之一。手拉手环馈线自动化系统网结构简单，供电恢复措施不存在优化问题，馈线自动化的功能实现可以不需要主站参与，其结构如图1所示。该类型系统可以称之为子站监控式馈线自动化系统[10]，可以作为配网自动化系统实施的第一步。 图1 馈线自动化系统结构上图中增加对TTU的描述，说明Zigbee组网应用基于馈线下FTU+TTU的集合。

Fig.1 structure of feeder automation system
1.1基于ZigBee技术的配电智能终端要写FTU，也要写TTU

具体的硬件构成参考299来写，虚拟增加后备电源和充电器部分（FTU）。
TTU要增加储能电容（只要TTU在线路停电后维持工作3min，即可以保证Zigbee网络能够实现故障隔离和恢复供电）

FTU和TTU的简要功能要说几句。

FTU
配电终端设备完成所监测设备如柱上开关、环网开关、配变等的遥测遥信信息采集以及执行控制命令。它们是子站实现监控功能的信息源头。因此，高度可靠的FTU设计是馈线自动化系统建设的又一关键。

图2 FTU硬件结构设计
图参考299硬件改一下。

Fig.2 FTU hardware design
图2为具备ZigBee通信功能的FTU硬件设计图。FTU采用AT91SAM7S64+ JN5139
略掉型号，写成CA109模块
对于FTU和CA109的接口和通信软件设计要简单说一下。

例如板内的通信方式，速率，通信的缓冲区等。

的双CPU结构设计，两者之间处理不同的任务，通过UART0相互传递数据。其中核心控制器专门用于信息量的采集和判断，采用AT91SAM7S64微处理器，AT91SAM7S64是ATMEL公司开发的32位高性能微处理器，内含有64KB的高速Flash 和16KB的SRAM，具有丰富的开关量和模拟量接口。ZigBee通信模块选用Jennic公司的JN5139系列模块。JN5139系列模块集成了32位RISC MCU内核、高性能的2.4GHz IEEE802.15.4收发器。集成192kB ROM和96kB RAM满足记录故障数据的需要，不再需要扩展外围存储器件。
电压传感器和电流传感器采用两组不同PT、CT，
按FTU的要求，
电流测量还需要分别考虑测量CT和保护CT，虚拟增加测量CT，3相。
分别用于测量和保护，以满足故障检测的需要。开关量的输入输出信号分别主要反映为开关状态和开关分合闸命令。由于配网干扰严重，为提高FTU的抗干扰能力，必须在模拟量输入通道中加入磁耦隔离，在开关量输入输出通道都设置光电隔离。
1.2 基于ZigBee的通信系统

这里要先介绍一下zigbee标准，说明它的先进性。

要对它的功耗、节点容量、速率和智能化做基本的介绍。引用一些参考文献。

ZigBee网络位于配电终端层和配电子站层的通信层。一个ZigBee网络一般由协调器(Co-ordinator)、路由器(Router)和终端节点(End-Device)三种不同角色的传感器节点组成。其中Co-ordinator和Router为全功能设备(full function device，FFD),终端节点为简化功能设备(reduce function device，RFD)。一个网络有且只有一个Co-ordinator，它负责启动建立和维护网络，是网络中不可或缺的角色。Router可以单独起通信中继器的作用也可以同时采集数据。End-Device没有中继功能，只可作为采集节点使用。不同角色的网络节点能够组成星形、树形和MESH型三种不同的网络拓扑结构。

要结合zigbee的图来说明。要有个复杂的zigbee的图，结合配网应用。

本文研究的馈线自动化系统中每一个配电终端单元都是ZigBee网络的传感器节点。节点的配置如下：Co-ordinator放置在子站，馈线上开关包括断路器、分段开关和联络开关配置成Router，它们既要采集所对应开关设备的信息又要路由传递其它节点采集的信息。配电变压器所对应的节点若需要路由功能则配置为Router，不需要则可配置为End-Device。整个网络采用树形的拓扑结构，Co-ordinator为根节点，是系统中所有其它的树枝节点传递信息的目的节点。
1.3配电子站
配电子站一般位于变电站或者开闭所内。在配电子站监控式馈线自动化系统中，在线路正常运行时负责处理FTU上传的信息，监视所辖范围内配电设备的状态。当检测到故障信息时，立刻进入故障处理状态，此时故障的定位、隔离以及供电恢复都在子站中完成。在有配电主站的系统中，配电子站则不但要担当上述“当地监控”任务，还得完成“数据接收和转发”。
配电子站要说明其关键功能是故障处理及配网馈线层的节点维护。

配电子站的故障处理逻辑的通用性、可维护性也是成败的关键。

本系统中，配电子站是馈线zigbee网络的组织者，通信管理的功能很重要，如何实现要在下面的章节中说明。

2 系统实现的关键技术
2.1 传感器节点连续供能
这部分不是吸引人的内容，

可以考虑删除，增加其它部分的篇幅。

馈线自动化系统中，每个FTU装置都是无线传感器网络的一个节点。由于节点是分散分布的，如何就地获取能量是节点赖以生存的前提。馈线自动化系统中传感器网络节点能量获取具有得天独厚的优势。可以在馈线上安装PT的方法来获得电能，然后经过一系列电压调理电路之后，获得一个稳定输出电压供给FTU不同模块。这种功能的方式有一个大的缺点就是跟馈线运行状况直接相关，当线路故障时候线路电压消失。此外，在某些阶段，如故障隔离并恢复供电后故障线路上的FTU只有一侧有电。针对以上问题，可采取一下解决方案：FTU装置携带蓄电池和充电电路，在线路正常时由PT供电，且时刻检测蓄电池容量，容量不足时通过充电电路给其充电，充满后自动断开；在线路故障时，切换到蓄电池供电方式，期间FTU自动检测PT是否有压，当电压恢复后自动切回PT供电方式。
针对FTU一侧带电情况，为保持在任一侧有电时用PT供电方式，可在传感器节点即FTU两侧都装上PT并且设置供电切换装置[10]，如图3所示。当左侧有电时继电器J的两触点J-1和J-2吸合在常闭位置，有左侧供电。当左侧失电时，两触点失电断开，此时则有右侧PT供电。
图3 两侧PT供电切换电路
Fig.3 Two side PT supply shift circuit

2.2 路由机制

首先应该介绍你的子站和馈线FTU、TTU的zigbee节点组成、节点的类型、关系。

画出图来。让人一目了然。然后再说下面的功能。

2.2 路由机制
配电终端设备地域分布面广，传感器节点采集的信息只能通过路由节点转发，以跳跃的方式最终传递到配电子站。可靠的路由机制是每个传感器节点信息能准确及时的传递到子站的保证。ZigBee协议栈建立了一套完善的路由成本计算、路由表形成和维护、路由发现以及路由修复的机制。也就是说网络节点能够在协议栈的帮助下，自动的寻找合适路径把信息传递到目的节点。在馈线自动化系统中，所有的配电终端设备的信息都必须集中在配电子站。这样其中的每一个节点的最终目的地都是主节点即协调器节点 。因此我们可以设置所有的网络节点数据发送的目标都是协调器节点，即在数据发送接口afdeDataRequest() 函数中，u16AddrDst参数设置成协调器节点的短地址0x0000.JN5139模块中集成了ZigBee协议，因此节点在向目标地址发送数据时能够按照ZigBee协议栈中的路由机制选择最佳传输路径。当某一路由节点出现故障或者失去路由功能时，节点能够自动寻找其它的替代路由节点完成数据传输。这种方式能使路由保持在一种较高的可靠性，且网络节点越多可靠性越高。
上面文字说明太多，能否变换为文字结合图形来说明？ 图文并茂效果最好。

2.3 主节点的冗余

这是个创新点。

配电子站的冗余很关键，目前可能国内还没有真正的冗余。

你结合zigbee协调节点的冗余，子站CM和逻辑的冗余都可以写进来。

可以重点说一下。

在一个无线传感器网络中有且只有一个主节点，主节点负责发起建立网络、管理维护网络，是整个网络建立和运行的大脑。当主节点发生故障或者“死机”时，网络将陷入瘫痪。电力系统是一个可靠性和安全性至上的系统，讲究一种互为备用冗余的思想以确保供电的可靠性。怎么样实现两个主节点的相互备用，是提高基于ZigBee无线传感器网络的馈线自动化系统可靠性的重要措施，而且这也是无线传感器网络应用于馈线自动化系统的一个必要前提。主节点的可靠性关系到整个系统的可靠性，增强主节点工作的可靠性，可以同时采取以下两个措施：一、设置“看门狗”电路，可以防止程序偶尔锁死，自动恢复工作，这是针对软件故障恢复措施。二、备用一个主节点，由于一个ZigBee网络中有且只有一个主节点，所以在网络正常运行时，只有其中一个节点在工作。当工作的主节点发生硬件上的故障时，再开启另一个备用的主节点。
2.4 网络自检
这很重要。要说透。

另外这里的流程图和下面的流程图，是否可精简，我感觉有些大，最好说透技术要点，怎么实现的关键。

馈线自动化系统对通信的可靠性要求很高，为保证通信在任何时刻都是畅通的，有必要建立一套网络自检机制，从而检查出故障的网络节点及时进行修复或网络重启。ZigBee通信数据有KVP和MSG两种格式，其中远程节点接收到KVP数据后协议栈会自动生成响应数据回传。这样在主节点中轮流的对其它网络节点发送KVP格式数据，然后以是否接收到回应数据来判断通信是否畅通，若未收到则重发一次，当未收到的次数达到规定值时判断为通信中断，自检流程如图4所示：
图4 通信自检流程
Fig.4 Flow chart of communication self check
3 基于IEC61131-3标准的馈线故障处理保护逻辑
3.1 IEC61131-3标准[13]
IEC61131-3编程语言标准是第一个面向工业控制系统的国际标准。该标准定义了3种图形化语言和2种文本语言，包括梯形图( ladder diagram )、方块图(function b lock
diagram )、顺序功能图( sequence function chart)、指令表( instruct ion list) 和结构化语言( structured text)，极大的改进了工业控制系统的编程质量，提高了软件开发效率。IEC 61131-3 的软件模型由配置、资源、程序和任务组成。基于IEC61131-3标准的软件系统具有结构完美、可重复使用、可维护的优点，适应于过程控制领域，分散控制系统、基于控制系统的软逻辑和SCADA等。
馈线保护逻辑由馈线故障检测逻辑、定位逻辑、隔离和非故障区段的供电恢复控制逻辑组成，其中故障定位逻辑又分为馈线网络拓扑描述逻辑、故障矩阵形成逻辑和故障定位规则。传统的馈线保护逻辑通过C语言或者VC语言编程实现，开放性和适应性差，程序开发繁琐，可读性不强。基于IEC 61131-3标准的馈线保护逻辑，将这些逻辑提炼封装成通用的功能块，通过对这些功能块的组织形成馈线保护逻辑。该程序图直观明了，而且不同拓扑结构的馈线逻辑编写都可以调用这些通用功能块，程序的灵活性和适应性强，能够简化并加快程序的开发。
3.2 通用功能块
以具体的功能块为例，说明功能，

最终要说明一条馈线的故障处理，其实就是一个大的功能块的实例化

综合分析馈线保护逻辑，将其逻辑功能分解为如下几块来编写相应的功能块：故障标识生成功能块、开关信息功能块、馈线分段信息功能块、馈线拓扑结构描述功能块、故障矩阵描述功能块、故障区段判定功能块。各功能块的简述如下:
故障标识矩阵生成功能块中，有三个输入型变量，分别为FTU装置所检测开关的三相电流，一个输出型变量，即故障标志。故障标志的生成逻辑为：当FTU检测到过电流且故障电流方向与供电方向一致时置1；当FTU未检测到过电流或者故障电流方向与供电方向相反时置0.
开关信息功能块能够读取配置文件，生成包含开关信息的结构体，开关信息包括：名称、编号、开关类型和状态。其中开关编号很关键，涉及到馈线拓扑描述矩阵的生成。各开关可以任意编号，为方便逻辑编写，约定如下编号规则：先对馈线干线上分段开关顺序编号然后对分支线上分段开关编号最后对联络开关编号。
馈线分段信息功能块，能够提供每一条馈线分段包含的信息：名称、编号、正方向上的左端开关信息、右端开关信息、是否为分支线等。通过调用此功能块描述，可以知道馈线分支线路的先后顺序以及干线和支线情况，提供生成网络拓扑结构矩阵信息。
由各开关信息和馈线分段的信息，可以生成馈线拓扑结构描述矩阵D。对于一条含有N个开关的馈线D为NXN阶的矩阵。该矩阵能够反应一条馈线上开关之间的相互连接关系。矩阵的生成规则为：以线路正常运行时的功率方向作为开关连接的正方向，若开关i和开关j之间存在一条馈线即都属于同一馈线分段，且按规定的正方向馈线分段的左端为开关i右端为开关j，则描述矩阵第i行和第j列元素Dij置1，同时Dji置0；若不存在馈线分段，则都置0.
故障区段描述功能块，判断完所有开关的故障标志后，在拓扑结构描述矩阵的基础上按如下规则生成故障描述矩阵P：若开关i的故障标志为1则置拓扑结构描述矩阵的Dii为1；若开关i故障标志为0，则置Dii为0.变化后的拓扑描述矩阵D即为故障描述矩阵P。
故障区段判定功能块实现的功能是根据故障描述矩阵P，判断出故障区段。判断故障点在开关i和开关j所在的馈线分段上必须同时满足以下两个条件：一个是故障描述矩阵P中Pii=1,二是对于所有的Pij=1(ji)的元素，都有Pjj=0.当这两个条件都成立时，即可断定开关i和开关j之间的馈线分段为故障区段。
3.3 馈线保护逻辑的实现
针对不同的拓扑结构的馈线，生成相应的配置文件，再调用以上通用功能块，便实现馈线的保护逻辑。以五开关六分段的手拉手馈线环网为例如图1中所示，对CB1所在馈线编写保护逻辑，其实现流程如图5所示：

我觉得这个流程没有意义。
因为你的功能应该通过功能块来实现，
功能块是不需要流程的，只有用C编程才会涉及到流程说明。

另外，子站功能的冗余要介绍。

4 模拟测试实验
为测试ZigBee无线传感器网络的可靠性和验证基于IEC61131-3标准的馈线保护逻辑，在实验室搭建了一个五开关六分段馈线自动化系统的模拟测试平台。测试平台由配电子站、

试验，要写沿线路的户外测试试验，给出图、数据和结论。

图5 馈线保护逻辑的实现流程
Fig.5 realization flow chart of feeder protection logic
5结语

致谢

参 考 文 献
简化文献，写重要的，有重要观点的，
另外，zigbee要介绍、61131要介绍。

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