专利名称：基于wsn的低压配电网数据处理方法、装置及系统的制作方法
技术领域：
本发明关于无线传感器网络(WSN)技术，特别是关于WSN在电力系统低压 配电网管理中的应用，具体的讲是一种基于WSN的低压配电网数据处理方法、装 置及系统。
背景技术：
在现有技术中，低压用户端电表数据的采集主要采用电力线载波方式，虽 然利用电力线载波通信可以大大地减少投资和对线路的维护成本，但电力系统 中低压电力线路的通信环境恶劣，使得数据获取成功率较低。
中国实用新型专利200520047929.6公开了一种水表、燃气表、电表自动抄 表无线发讯器，以通过无线通信方式将采集终端的数据传送给集中器。该技术 方案的特点是，采集终端与集中器为点对点的数据传输，每个采集终端只能与 集中器进行无线通信，釆集终端与采集终端之间不发生通信，因此釆集终端与 集中器之间的距离是影响无线通信质量的重要因素。
无线传感器网络(WSN， Wireless Sensor Networks)是由部署在监测区域 内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的 网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信 息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三 个要素。如图1所示，为WSN节点的典型构成。在WSN中，传感器节点具有端节点 和路由的功能， 一方面实现数据的采集和处理，另一方面实现数据的融合和路 由，对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发路由到网 关节点。
中国发明专利申请200610114627.5公开了一种基于无线传感器网络的家用保安、环境监测报警系统，该发明专利申请公开的技术方案可合并于此，以作
为本发明的现有技术。
发明内容
本发明提供一种基于WSN的低压配电网数据处理方法、装置及系统，以将WSN 应用于低压配电网的管理之中，解决低压配电网中的数据釆集、传输和管理的
问题。本发明的技术方案为
一种基于WSN的低压配电网数据处理方法，所述的方法包括以下步骤采集 低压配电网的电能数据；通过无线传感器网络WSN传输采集到的电能数据；从所 述的WSN中接收所述的电能数据，并进行集中处理；将集中处理后的电能数据进
行输出。
一种基于WSN的低压配电网数据处理系统，所述的系统包括WSN电能数据 采集装置，用于采集低压配电网的电能数据，并通过无线传感器网络WSN传输采 集到的电能数据；集中器，用于从所述WSN中的WSN电能数据采集装置接收采集的 电能数据，并进行集中处理，将集中处理后的电能数据进行输出。
一种WSN电能数据采集装置，所述的WSN电能数据采集装置包括电能数据采 集单元，用于采集低压配电网中用户电表示值;无线通信单元，用于通过WSN发 送路由信息、传输采集到的用户电表示值和接收外部的控制命令;WSN路由生成 单元，根据无线接收信号强弱或无线信号质量生成动态WSN路由表，并在已生成 的WSN路由表中获取目的节点地址；微处理器，用于控制所述的电能数据釆集单 元、无线通信单元和WSN路由生成单元工作；电源，用于提供工作电能。
本发明的有益效果在于无线传感器网络(WSN)技术克服了传统的数据点 对点无线传输模式的局限性，具有拓扑结构动态性强、自组织性以及网络分布 式特性。对于分布在很广范围内的大量节点，每个节点都是一个可以进行数据 采集、数据处理和数据通信的智能单元，即使网络中某些节点失效，整个网络 仍然能够正常运行。WSN数据传输技术适应低压配电网实现自动化管理的需求， 具有低成本、低功耗、超强通讯能力、通讯距离远和抗干扰能力强、窃电自动图1是现有技术中WSN节点的结构框图2是本发明WSN电能数据采集装置的结构框图3、 4是本发明WSN电能数据釆集装置实施例的结构框图5是本发明集中器的结构框图6是本发明集中器实施例的结构框图7是本发明WSN电能数据釆集装置与用户电表及入户电开关的连接关系示 意图8、 9是本发明系统的WSN电能数据采集装置与用户电表及入户电开关、集 中器、后台服务器的连接关系示意图10是本发明系统的WSN电能数据采集装置与用户电表及入户电开关、集中 器及变压器、后台服务器的连接关系示意图ll是本发明系统的集中器及变压器、后台服务器、二级WSN子网的连接关 系示意图。
具体实施例方式
以下结合
本发明的具体实施方式
。如图2所示，为本发明具体实施 方式的WSN电能数据采集装置，所述的WSN电能数据采集装置包括电表数据采集 单元，用于采集低压配电网中用户电表示值;RF射频单元，用于通过WSN发送路 由信息、传输采集到的用户电表示值和接收外部的控制命令;WSN路由生成单元， 根据无线接收信号强弱或无线信号质量生成动态WSN路由表，并在已生成的WSN 路由表中获取目的节点地址；微处理器，用于控制所述的电能数据采集单元、 无线通信单元和WSN路由生成单元工作；电源，用于提供工作电能。所述的WSN 电能数据采集装置还包括数据存储单元，用于存储采集的用户电表示值。
如图3所示，在WSN电能数据采集装置的一实施例中，电表数据采集单元包 括RS485总线接口，通过该RS485总线接口连接被采集的用户电表，采集用户
8电表的电能示值；漏电状态检测接口，用于检测低压配电网中用户的漏电状态； 开关状态控制接口，用于控制低压配电网中用户的入户电开关的导通或断开。
如图4所示，在WSN电能数据采集装置的另一实施例中，电表数据采集单元 包括脉冲出入接口，通过该脉冲出入接口连接被采集的用户电表，采集用户 电表的电能示值；漏电状态检测接口，用于检测低压配电网中用户的漏电状态； 开关输出控制接口，用于控制低压配电网中用户的入户电开关的导通或断开。
如图5，本发明系统的集中器包括:WSN基站模块，用于与所述的WSN电能数
据采集装置进行通信，接收采集的电能数据；通信接口，用于通过手持抄表器、 GPRS、电信宽带VPN、电话线Modem拨号或WSN子网传输所述的电能数据，并接收 外部的控制命令；微处理器，用于控制所述的WSN基站模块、通信接口工作；电 源，用于提供工作电能。
如6所示，在本发明系统的一实施例中，所述的集中器包括:WSN基站模块， 用于与所述的WSN电能数据采集装置进行通信，接收采集的电能数据；通信接口， 用于通过手持抄表器、GPRS、电信宽带VPN、电话线Modem拨号或WSN子网传输所 述的电能数据，并接收外部的控制命令；微处理器，用于控制所述的WSN基站模 块、通信接口工作；电源，用于提供工作电能；电能数据采集单元，用于采集 低压配电网中变压器的运行数据；电能数据召测单元，用于周期性的发出命令至 所述的WSN电能数据釆集装置，召测所有WSN电能数据采集装置采集电能数据； 存储器，用于存储电能数据；LCD显示屏以及键盘。
如图7所示，在本发明系统的一实施例中，WSN电能数据采集装置(703、 704) 分别安装在低压用户表箱(709、 710)内。WSN电能数据采集装置703通过入户 开关705与用户电表707连接，并与漏电保护器701连接，实时或周期性的采集用 户电表707的电能示值、漏电保护器701的状态、入户开关705的状态，并可控制 入户开关705的开或闭。
WSN电能数据采集装置704通过入户开关706与用户电表708连接，并与漏电 保护器702连接；实时或周期性的采集用户电表708的电能示值、漏电保护器702的状态、入户开关706的状态，并可控制入户开关706的开或闭。
如图8所示，WSN电能数据采集装置与集中器内嵌基站模块通过WSN技术实现 自组网通信并发送数据到基站模块，基站模块转发数据到集中器。本发明WSN 电能数据采集装置硬件上采用低功耗、嵌入式微处理器MSP430F147/149系列和 RF射频芯片CC1000设计，终端输入交流电220V，经过熔丝、温敏电阻保护、EMI 处理(电磁兼容)送至全桥整流成310V直流电，310V直流电经过器件VIPer22A、 开关变压器和整流二极管DC-DC转换为8v和5V左右两路相互隔离的直流电，最后 分别经过LM7805和LM1117转变成5V、 3V供应用电路使用。
WSN电能数据采集装置RS485总线型用于采集具备RS485通信接口的智能电 表，而WSN电能数据采集装置Plus脉冲型用于釆集只具备脉冲接口的普通脉冲 表。
WSN电能数据采集装置(RS485总线型)定时(间隔时间可远程或者本地设 置， 一般设置为l分钟)通过RS485总线通信接口读取所连接用户电表的当前电 能示值，其通信协议符合《DL/T 645—1997多功能电能表通信规约》及兼容规 约，读取到的电能示值数据存储在WSN电能数据采集装置内部的"铁电EEPROM" 存储器。当WSN电能数据采集装置接收到集中器的召测命令后，则通过WSN网络 传输所采集到的电能示值到集中器，由集中器转发至后台服务器。
WSN电能数据采集装置(Plus脉冲型)通过中断方式采集脉冲电表的脉冲输 出并计数，计数总数存储在内部的"铁电EEPROM"存储器，依据电表的脉冲常 数K，计算得到电能示值。当WSN电能数据采集装置接收到集中器的召测命令后， 则通过WSN网络传输所采集到的电能示值到集中器，由集中器转发至后台服务 器。
如图9所示，多个WSN电能数据采集装置对应的设置在低压配电网的多个用 户端，形成一级WSN子网901， 一级WSN子网901中的每一个点代表一个由WSN电能 数据采集装置构成的WSN网络的一个节点。如图9所示的节点的放大部分，是由 右侧的WSN电能数据釆集装置与左侧的用户电表连接组成。一级WSN子网的无线路由及传输方法为
WSN电能数据采集装置(以下简称采集终端)周期性(间隔时间可设置)通 过广播方式发送路由信息，可接收到该路由信息的WSN网络中的其它采集终端就 会获取到无线接收信号强弱RSSI (Received Signal Strength Indication,接 收信号强度指示器)或者无线信号质量LQI (Link Quality Indication,连接 质量指示器)，接收方的采集终端通过计算、判断后生成动态网络路由表，运 用权值计算方法，在已生成的路由表中自动获取中继采集终端地址(即父地址)。 任何采集终端发送的非广播信息都会发向该采集终端计算获取到的中继地址， 然后由作为中继的釆集终端一级级向上转发，直至送至集中器的基站模块。
对于采集终端发送的信息通过确认Ack及重传机制确保信息的准确、可靠传
输。如果发送采集终端的当前中继采集终端出现故障，则发送采集终端会立刻
通过动态路由表计算获取到备用的中继采集终端地址，此时路由路径会发生改
变，但所发送信息会正确无误的传输到集中器。 采集终端与集中器之间的通信模式为
集中器会在整点(可当地或远程设置， 一般是15分钟的整数倍)主动下发 命令至采集终端，召测所有户表采集信息，并且通过确认机制保证召测数据的 完整可靠性。用户也可在后台服务器随时操作、远程发送命令获取采集终端的 户表数据，可以获取全部户表，也可以只获取指定的户表数据。
如果采集终端检测到告警事件，则会立刻通过采集终端发送至集中器，集 中器也会立刻转发数据至后台服务器，不用等待集中器的召测。
上述的无线网络自组织算法无需人工干预，采集终端能够感知其他采集终 端的存在，并确定连接关系，组成结构化的WSN网络，安装施工方案。该WSN 网络具有自愈功能，增加或者删除一个釆集终端、采集终端位置发生变动或采 集终端发生故障等等，WSN网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地 调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。
如图10所示，集中器位于低压配电网台区变压器附近(配电柜内或者柱上箱体内)，集中器的数据采集单元实时采集配电变压器运行数据，包括三相电 压、三相电流、有功功率、无功功率及功率因素等数据，并对日/月电压、电流
进行统计分析，同时通过一级WSN子网，接收采集终端转发来的用户电表的电能 数据。集中器定时或者接收后台服务器的召测，通过手持抄表器、GPRS、电信 宽带VPN、 Modem及WSN网络等五种方式之一传输电力数据到后台服务器。
本发明集中器在硬件上采用高性能、嵌入式微处理器ARM9和嵌入式操作系 统Linux设计，配置LCD液晶屏，6个按键，内嵌WSN基站模块，同时装置可根据 用户需求灵活配置外部通信接口 GPRS/VPN/MODEM/二级WSN子网。在数据的存 储和检索上，可通过文件系统或者内嵌小型数据库存储台区数据及用户数据， 存储至少两个月的历史数据，并可依据时间段、表具地址快速检索查询到后台 服务器所需数据。对于一级WSN子网的管理可通过内嵌的WSN基站模块设置一 级WSN网络参数，并可记录一级WSN子网中各个采集终端的故障情况。
如图10所示，本发明系统的一实施例是，由一级WSN子网(采集终端、台区 集中器)、后台服务器系统和供电所客户端系统三大部组成。该系统以供电台 区为单位，由位于台区配电室(柜)的集中采集器(内嵌WSN子网基站)和分布在各 计量表箱内的采集终端构成各个一级WSN子网，内嵌子网基站的台区集中器通过 手持抄表器定期抄录、GPRS、电信宽带VPN、电话线Modem拨号或二级WSN子网定 时传输采集数据(台区监测数据、户表电量、漏电保护器状态、负荷状况等数据) 到供电局的后台管理服务器系统，同时一、二级WSN子网可接收WSN后台管理服 务器系统发来的遥控和遥调命令(完成数据召测、送/停电、时间同步、户表监 控等)，供电所、营业所等客户端可通过B/S浏览器远程实时监测所辖台区的低 压电网运行状态以及异常信息。
一级WSN子网主要由采集终端、台区集中器两大部组成。采集终端主要采集 低压用户的电力实时数据，包括户表电能示值、用户侧漏电保护器状态、入户 开关状态，并可控制入户开关的开/闭。台区集中器主要采集台区变压器二次侧 的电压、电流、功率等数据，并作统计分析。采集终端与集中器内嵌基站模块通过WSN技术实现自组网通信网络并发送数据到基站，基站转发数据到集中器。 通信参数通信速度4.8kbps 19.2kbps，无线电频率230 470MHz。
前面提到内嵌子网基站的台区集中器通过手持抄表器定期抄录、GPRS、电 信宽带VPN、电话线Modem拨号或二级WSN子网等五种方式传输采集数据到供电局 的后台管理服务器系统，二级WSN子网的优势是既保证数据的实时传输，又降低 了系统的使用费用。
如图11所示，电力系统数据网络的光纤网络已经延伸至110KV变电站，只需 采用二级WSN子网把变电站管辖的配电台区数据传输至变电站，然后通过变电站 光纤网络传输数据到供电局后台系统。沿10KV供电线路按需分布无线中继模块 这些无线中继模块的电源采用太阳能电池+蓄电池/超级电容器的方式供电，该 中继模块与各配电台区的集中器内嵌无线模块自组网组成二级WSN子网。其通信 参数为通信速度38.4kbps 250kbps，无线电频率230 470MHz。
因此以上具体实施方式
仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。
权利要求
1. 一种基于WSN的低压配电网数据处理方法，其特征是，所述的方法包括以下步骤采集低压配电网的电能数据；通过无线传感器网络WSN传输采集到的电能数据；从所述的WSN中接收所述的电能数据，并进行集中处理；将集中处理后的电能数据进行输出。
2. 根据权利要求l所述的方法，其特征是，所述的采集低压配电网的电能 数据包括在所述的低压配电网中设置多个电能数据采集点，并使每个电能数据采集 点都成为所述WSN的节点；所述的电能数据采集点采集并存储本地的电能数据；所述的本地的电能数据包括低压配电网中本地用户电表的运行数据或低压配电网中本地变压器的运行数据。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的通过无线传感器网络WSN 传输采集到的电能数据包括所述的电能数据采集点周期性的发送路由信息，所述WSN中的能够接收到该 路由信息的其他电能数据釆集点根据无线接收信号强弱或无线信号质量生成动 态网络路由表，并在已生成的路由表中获取作为中继的电能数据采集点地址， 然后由作为中继的电能数据采集点一级级向上转发电能数据。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述的从所述的WSN中接收所述的电能数据，并进行集中处理包括周期性的发出命令至所述的电能数据采集点，召测所有电能数据采集点采 集电能数据。
5. 根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的将集中处理后的电能数 据进行输出包括-通过手持抄表器定期抄录、GPRS、电信宽带VPN、电话线Modem拨号或WSN子网传输采集的电能数据到后台服务器；所述的后台服务器通过手持抄表器、GPRS、电信宽带VPN、电话线Modem拨 号或WSN子网向所述WSN网中的电能数据采集点传输遥控或遥调命令；所述的后台服务器通过B/S浏览器远程实时监测所辖台区的低压配电网运 行状态。
6. —种基于WSN的低压配电网数据处理系统，其特征是，所述的系统包括 WSN电能数据釆集装置，用于采集低压配电网的电能数据，并通过无线传感器网络WSN传输采集到的电能数据；集中器，用于从所述WSN中的WSN电能数据采集装置接收采集的电能数据，并 进行集中处理，将集中处理后的电能数据进行输出。
7. 根据权利要求6所述的系统，其特征是，在所述的低压配电网中设置多 个WSN电能数据采集装置，并使每个WSN电能数据采集装置都成为所述WSN的节 点；所述的WSN电能数据采集装置包括电能数据采集单元，用于采集低压配电网中用户电表的运行数据； 无线通信单元，用于通过WSN发送路由信息、传输采集到的电能数据和接收 外部的控制命令；WSN路由生成单元，根据无线接收信号强弱或无线信号质量生成动态WSN路 由表，并在已生成的WSN路由表中获取作为中继的WSN电能数据采集装置地址， 微处理器，用于控制所述的电能数据采集单元、无线通信单元和WSN路由生成单元工作；电源，用于提供工作电能；数据存储单元，用于存储釆集的用户电表的运行数据； 漏电状态检测单元，用于检测低压配电网中用户的漏电状态； 开关状态控制单元，用于控制低压配电网中用户的入户电开关的导通或断开。
8. 根据权利要求7所述的系统，其特征是，所述的WSN电能数据采集装置周期性的发送路由信息，所述WSN中的能够接收到该路由信息的其他WSN电能数据采集装置根据无线接收信号强弱或无线信号质量生成动态网络路由表，并在已 生成的路由表中获取作为中继的WSN电能数据采集装置地址，然后由作为中继的WSN电能数据采集装置一级级向上转发用户电表的运行数据。
9. 根据权利要求6所述的系统，其特征是，所述的集中器包括 WSN基站模块，用于与所述的WSN电能数据采集装置进行通信，接收采集的电能数据；通信接口，用于通过手持抄表器、GPRS、电信宽带VPN、电话线Modem拨号 或WSN子网传输所述的电能数据，并接收外部的控制命令；微处理器，用于控制所述的WSN基站模块、通信接口工作； 电源，用于提供工作电能；电能数据采集单元，用于采集低压配电网中变压器的运行数据； 电能数据召测单元，用于周期性的发出命令至所述的WSN电能数据采集装 置，召测所有WSN电能数据采集装置采集电能数据。
10. 根据权利要求6所述的系统，其特征是，所述的系统还包括后台服务 器，所述的集中器通过手持抄表器接口、 GPRS、电信宽带VPN、电话线Modem拨 号或WSN子网与所述的后台服务器连接，传输采集的电能数据到后台服务器；所述的后台服务器包括遥控或遥调单元，用于通过手持抄表器、GPRS、 电信宽带VPN、电话线Modem拨号或WSN子网向所述的集中器传输遥控或遥调命 令；监控单元，用于通过B/S浏览器远程实时监测所述低压配电网运行状态；其中，所述的集中器通过所述的WSN将所述的遥控或遥调命令传送给对应的 WSN电能数据采集装置。
11. 一种WSN电能数据采集装置，其特征是，所述的WSN电能数据采集装置 包括电能数据采集单元，用于采集低压配电网中用户电表示值； 无线通信单元，用于通过WSN发送路由信息、传输釆集到的用户电表示值和接收外部的控制命令；WSN路由生成单元，根据无线接收信号强弱或无线信号质量生成动态WSN路 由表，并在已生成的WSN路由表中获取目的节点地址；微处理器，用于控制所述的电能数据采集单元、无线通信单元和WSN路由生 成单元工作；电源，用于提供工作电能。
12.根据权利要求11所述的WSN电能数据采集装置，其特征是，所述的WSN 电能数据采集装置还包括数据存储单元，用于存储采集的用户电表示值； 漏电状态检测单元，用于检测低压配电网中用户的漏电状态； 开关状态控制单元，用于控制低压配电网中用户的入户电开关的导通或断开。
全文摘要
本发明提供一种基于WSN的低压配电网数据处理方法、装置及系统，所述的方法包括以下步骤采集低压配电网的电能数据；通过无线传感器网络WSN传输采集到的电能数据；从所述的WSN中接收所述的电能数据，并进行集中处理；将集中处理后的电能数据进行输出。以将WSN应用于低压配电网的管理之中，解决低压配电网中的数据采集、传输和管理的问题。
文档编号H02J13/00GK101431253SQ20071017695
公开日2009年5月13日 申请日期2007年11月7日 优先权日2007年11月7日
发明者孙军平, 盛万兴 申请人:孙军平;张家港和乔电子有限公司;盛万兴