1、基于ZigBee無線傳感器網絡的新型饋線自動化系統的研發焦邵華1，陳沖2，王瑞闖3，周立東1，丁福利（1. 四方電氣（集團）有限公司，北京市，10084；2東北電力大學， 吉林省吉林市, 132012；3.華北電力大學，北京市，102206）New-style Feeder Automation System Based On ZigBee Wireless Sensor NetworkJIAO Shaohua1；CHEN Chong2；WANG Ruichuang3（1. Sifang Electric（Group）Co. Ltd., Beijing; 2.North East Dian L

2、i 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

3、 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

4、 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：目前饋線自動化系統通信方式有很多，但尚未有一種方式能夠達到組建可靠合理的通信系統要求。據此，本文提出將新興的ZigBee無線傳感器網絡技術應用于饋線自動化系統。設計了基于ZigBee技術的FTU；分析了應用ZigBee無線傳感器網絡的幾個關鍵技術及

5、其解決方案；實現了基于IEC61131-3標準的饋線自動化邏輯；最后對整個饋線自動化系統的進行模擬測試實驗，實驗表明此新型饋線自動化系統在可靠性、穩定性和實時性方面都滿足要求，值得深入研究并推廣應用。關鍵詞：ZigBee；無線傳感器網絡；IEEE 802.15.4；饋線自動化系統(FAS) ；IEC61131-3標準0 引言饋線自動化系統主要功能包括監視設備狀態、優化運行方式、自動故障隔離和網絡自愈。實施饋線自動對于提高供電可靠性、減少停電面積、縮短停電時間具有重要的意義。而饋線自動化功能的實現必須建立在可靠的通信系統之上，通信系統是整個饋線自動化系統成敗的關鍵。1-2隨著通信技術的發展，出現

6、了基于各種通信方式的饋線自動化系統。基于光纖、電力線載波、CAN總線等通信方式的饋線自動化系統屬于有線方式3-5，由于配電網中設備繁多、地域分布面廣，有線方式普遍存在著施工布線困難、投資成本高、擴展性差的缺點。無線通信方式以其布置靈活、維護成本低、易于擴展的諸多優勢正受到廣泛關注，其中以GPRS/CDMA技術研究應用頗多6-8,但是GPRS/CDMA公用網絡以傳輸語音信號為優先，在通信繁忙時期如節假日，通信系統會受到較大的影響。此外供電企業租用公用網絡，沒有主動控制權且通信點數越多，長期運行費用高。新興的ZigBee無線傳感器網絡具有自組織自適應的優點，傳感器節點數據通過建立在IEEE802.

7、15.4標準上的ZigBee協議，以多跳的方式傳送到監測設備。ZigBee工作在免費頻段，無需申請和運行費用，此外還具有低功耗低成本的優點。因此，ZigBee無線傳感器網絡無疑更加符合了配電網通信系統的要求和特點，具有很強的可行性和實用性。9本文研究的饋線自動化系統，正是基于這種ZigBee無線傳感器網絡。分布于饋線上的FTU采集饋線以及開關設備的狀態信息，通過ZigBee網絡不斷的跳躍傳送到配電子站。同時在子站實現了基于IEC61131-3標準的饋線自動化邏輯，對采集到的信息進行綜合分析判斷，從而最終實現了饋線自動化的功能。1 系統結構 配網自動化系統采用分層分布式結構，典型的配網自動化系統

8、有三層結構：配電設備智能終端、配電子站和配電主站。饋線自動化實現10kV城市供電線路的自動化，是配網自動化的基礎之一。手拉手環饋線自動化系統網結構簡單，供電恢復措施不存在優化問題，饋線自動化的功能實現可以不需要主站參與，其結構如圖1所示。該類型系統可以稱之為子站監控式饋線自動化系統10，可以作為配網自動化系統實施的第一步。 圖1 饋線自動化系統結構上圖中增加對TTU的描述，說明Zigbee組網應用基于饋線下FTU+TTU的集合。Fig.1 structure of feeder automation system1.1基于ZigBee技術的配電智能終端要寫FTU，也要寫TTU具體的硬件構成參考

9、299來寫，虛擬增加后備電源和充電器部分（FTU）。TTU要增加儲能電容（只要TTU在線路停電后維持工作3min，即可以保證Zigbee網絡能夠實現故障隔離和恢復供電）FTU和TTU的簡要功能要說幾句。FTU配電終端設備完成所監測設備如柱上開關、環網開關、配變等的遙測遙信信息采集以及執行控制命令。它們是子站實現監控功能的信息源頭。因此，高度可靠的FTU設計是饋線自動化系統建設的又一關鍵。圖2 FTU硬件結構設計圖參考299硬件改一下。 Fig.2 FTU hardware design圖2為具備ZigBee通信功能的FTU硬件設計圖。FTU采用AT91SAM7S64+ JN5139略掉型號，寫

10、成CA109模塊對于FTU和CA109的接口和通信軟件設計要簡單說一下。例如板內的通信方式，速率，通信的緩沖區等。的雙CPU結構設計，兩者之間處理不同的任務，通過UART0相互傳遞數據。其中核心控制器專門用于信息量的采集和判斷，采用AT91SAM7S64微處理器，AT91SAM7S64是ATMEL公司開發的32位高性能微處理器，內含有64KB的高速Flash 和16KB的SRAM，具有豐富的開關量和模擬量接口。ZigBee通信模塊選用Jennic公司的JN5139系列模塊。JN5139系列模塊集成了32位RISC MCU內核、高性能的2.4GHz IEEE802.15.4收發器。集成192kB

11、 ROM和96kB RAM滿足記錄故障數據的需要，不再需要擴展外圍存儲器件。 電壓傳感器和電流傳感器采用兩組不同PT、CT，按FTU的要求，電流測量還需要分別考慮測量CT和保護CT，虛擬增加測量CT，3相。分別用于測量和保護，以滿足故障檢測的需要。開關量的輸入輸出信號分別主要反映為開關狀態和開關分合閘命令。由于配網干擾嚴重，為提高FTU的抗干擾能力，必須在模擬量輸入通道中加入磁耦隔離，在開關量輸入輸出通道都設置光電隔離。1.2 基于ZigBee的通信系統 這里要先介紹一下zigbee標準，說明它的先進性。要對它的功耗、節點容量、速率和智能化做基本的介紹。引用一些參考文獻。ZigBee網絡位于配

12、電終端層和配電子站層的通信層。一個ZigBee網絡一般由協調器(Co-ordinator)、路由器(Router)和終端節點(End-Device)三種不同角色的傳感器節點組成。其中Co-ordinator和Router為全功能設備(full function device，FFD),終端節點為簡化功能設備(reduce function device，RFD)。一個網絡有且只有一個Co-ordinator，它負責啟動建立和維護網絡，是網絡中不可或缺的角色。Router可以單獨起通信中繼器的作用也可以同時采集數據。End-Device沒有中繼功能，只可作為采集節點使用。不同角色的網絡節點能夠組

13、成星形、樹形和MESH型三種不同的網絡拓撲結構。要結合zigbee的圖來說明。要有個復雜的zigbee的圖，結合配網應用。 本文研究的饋線自動化系統中每一個配電終端單元都是ZigBee網絡的傳感器節點。節點的配置如下：Co-ordinator放置在子站，饋線上開關包括斷路器、分段開關和聯絡開關配置成Router，它們既要采集所對應開關設備的信息又要路由傳遞其它節點采集的信息。配電變壓器所對應的節點若需要路由功能則配置為Router，不需要則可配置為End-Device。整個網絡采用樹形的拓撲結構，Co-ordinator為根節點，是系統中所有其它的樹枝節點傳遞信息的目的節點。1.3配電子站 配

14、電子站一般位于變電站或者開閉所內。在配電子站監控式饋線自動化系統中，在線路正常運行時負責處理FTU上傳的信息，監視所轄范圍內配電設備的狀態。當檢測到故障信息時，立刻進入故障處理狀態，此時故障的定位、隔離以及供電恢復都在子站中完成。在有配電主站的系統中，配電子站則不但要擔當上述“當地監控”任務，還得完成“數據接收和轉發”。配電子站要說明其關鍵功能是故障處理及配網饋線層的節點維護。配電子站的故障處理邏輯的通用性、可維護性也是成敗的關鍵。本系統中，配電子站是饋線zigbee網絡的組織者，通信管理的功能很重要，如何實現要在下面的章節中說明。2 系統實現的關鍵技術2.1 傳感器節點連續供能這部分不是吸引

15、人的內容，可以考慮刪除，增加其它部分的篇幅。 饋線自動化系統中，每個FTU裝置都是無線傳感器網絡的一個節點。由于節點是分散分布的，如何就地獲取能量是節點賴以生存的前提。饋線自動化系統中傳感器網絡節點能量獲取具有得天獨厚的優勢。可以在饋線上安裝PT的方法來獲得電能，然后經過一系列電壓調理電路之后，獲得一個穩定輸出電壓供給FTU不同模塊。這種功能的方式有一個大的缺點就是跟饋線運行狀況直接相關，當線路故障時候線路電壓消失。此外，在某些階段，如故障隔離并恢復供電后故障線路上的FTU只有一側有電。針對以上問題，可采取一下解決方案：FTU裝置攜帶蓄電池和充電電路，在線路正常時由PT供電，且時刻檢測蓄電池容

16、量，容量不足時通過充電電路給其充電，充滿后自動斷開；在線路故障時，切換到蓄電池供電方式，期間FTU自動檢測PT是否有壓，當電壓恢復后自動切回PT供電方式。 針對FTU一側帶電情況，為保持在任一側有電時用PT供電方式，可在傳感器節點即FTU兩側都裝上PT并且設置供電切換裝置10，如圖3所示。當左側有電時繼電器J的兩觸點J-1和J-2吸合在常閉位置，有左側供電。當左側失電時，兩觸點失電斷開，此時則有右側PT供電。 圖3 兩側PT供電切換電路Fig.3 Two side PT supply shift circuit2.2 路由機制首先應該介紹你的子站和饋線FTU、TTU的zigbee節點組成、節點

17、的類型、關系。畫出圖來。讓人一目了然。然后再說下面的功能。2.2 路由機制配電終端設備地域分布面廣，傳感器節點采集的信息只能通過路由節點轉發，以跳躍的方式最終傳遞到配電子站。可靠的路由機制是每個傳感器節點信息能準確及時的傳遞到子站的保證。ZigBee協議棧建立了一套完善的路由成本計算、路由表形成和維護、路由發現以及路由修復的機制。也就是說網絡節點能夠在協議棧的幫助下，自動的尋找合適路徑把信息傳遞到目的節點。在饋線自動化系統中，所有的配電終端設備的信息都必須集中在配電子站。這樣其中的每一個節點的最終目的地都是主節點即協調器節點 。因此我們可以設置所有的網絡節點數據發送的目標都是協調器節點，即在數

18、據發送接口afdeDataRequest() 函數中，u16AddrDst參數設置成協調器節點的短地址0x0000.JN5139模塊中集成了ZigBee協議，因此節點在向目標地址發送數據時能夠按照ZigBee協議棧中的路由機制選擇最佳傳輸路徑。當某一路由節點出現故障或者失去路由功能時，節點能夠自動尋找其它的替代路由節點完成數據傳輸。這種方式能使路由保持在一種較高的可靠性，且網絡節點越多可靠性越高。上面文字說明太多，能否變換為文字結合圖形來說明？ 圖文并茂效果最好。2.3 主節點的冗余這是個創新點。配電子站的冗余很關鍵，目前可能國內還沒有真正的冗余。你結合zigbee協調節點的冗余，子站CM和邏

19、輯的冗余都可以寫進來。可以重點說一下。在一個無線傳感器網絡中有且只有一個主節點，主節點負責發起建立網絡、管理維護網絡，是整個網絡建立和運行的大腦。當主節點發生故障或者“死機”時，網絡將陷入癱瘓。電力系統是一個可靠性和安全性至上的系統，講究一種互為備用冗余的思想以確保供電的可靠性。怎么樣實現兩個主節點的相互備用，是提高基于ZigBee無線傳感器網絡的饋線自動化系統可靠性的重要措施，而且這也是無線傳感器網絡應用于饋線自動化系統的一個必要前提。主節點的可靠性關系到整個系統的可靠性，增強主節點工作的可靠性，可以同時采取以下兩個措施：一、設置“看門狗”電路，可以防止程序偶爾鎖死，自動恢復工作，這是針對軟

20、件故障恢復措施。二、備用一個主節點，由于一個ZigBee網絡中有且只有一個主節點，所以在網絡正常運行時，只有其中一個節點在工作。當工作的主節點發生硬件上的故障時，再開啟另一個備用的主節點。2.4 網絡自檢這很重要。要說透。另外這里的流程圖和下面的流程圖，是否可精簡，我感覺有些大，最好說透技術要點，怎么實現的關鍵。饋線自動化系統對通信的可靠性要求很高，為保證通信在任何時刻都是暢通的，有必要建立一套網絡自檢機制，從而檢查出故障的網絡節點及時進行修復或網絡重啟。ZigBee通信數據有KVP和MSG兩種格式，其中遠程節點接收到KVP數據后協議棧會自動生成響應數據回傳。這樣在主節點中輪流的對其它網絡節點

21、發送KVP格式數據，然后以是否接收到回應數據來判斷通信是否暢通，若未收到則重發一次，當未收到的次數達到規定值時判斷為通信中斷，自檢流程如圖4所示：圖4 通信自檢流程Fig.4 Flow chart of communication self check3 基于IEC61131-3標準的饋線故障處理保護邏輯3.1 IEC61131-3標準13IEC61131-3編程語言標準是第一個面向工業控制系統的國際標準。該標準定義了3種圖形化語言和2種文本語言，包括梯形圖( ladder diagram )、方塊圖(function b lockdiagram )、順序功能圖( sequence funct

22、ion chart)、指令表( instruct ion list) 和結構化語言( structured text)，極大的改進了工業控制系統的編程質量，提高了軟件開發效率。IEC 61131-3 的軟件模型由配置、資源、程序和任務組成。基于IEC61131-3標準的軟件系統具有結構完美、可重復使用、可維護的優點，適應于過程控制領域，分散控制系統、基于控制系統的軟邏輯和SCADA等。饋線保護邏輯由饋線故障檢測邏輯、定位邏輯、隔離和非故障區段的供電恢復控制邏輯組成，其中故障定位邏輯又分為饋線網絡拓撲描述邏輯、故障矩陣形成邏輯和故障定位規則。傳統的饋線保護邏輯通過C語言或者VC語言編程實現，開放

23、性和適應性差，程序開發繁瑣，可讀性不強。基于IEC 61131-3標準的饋線保護邏輯，將這些邏輯提煉封裝成通用的功能塊，通過對這些功能塊的組織形成饋線保護邏輯。該程序圖直觀明了，而且不同拓撲結構的饋線邏輯編寫都可以調用這些通用功能塊，程序的靈活性和適應性強，能夠簡化并加快程序的開發。3.2 通用功能塊以具體的功能塊為例，說明功能，最終要說明一條饋線的故障處理，其實就是一個大的功能塊的實例化綜合分析饋線保護邏輯，將其邏輯功能分解為如下幾塊來編寫相應的功能塊：故障標識生成功能塊、開關信息功能塊、饋線分段信息功能塊、饋線拓撲結構描述功能塊、故障矩陣描述功能塊、故障區段判定功能塊。各功能塊的簡述如下:

24、故障標識矩陣生成功能塊中，有三個輸入型變量，分別為FTU裝置所檢測開關的三相電流，一個輸出型變量，即故障標志。故障標志的生成邏輯為：當FTU檢測到過電流且故障電流方向與供電方向一致時置1；當FTU未檢測到過電流或者故障電流方向與供電方向相反時置0.開關信息功能塊能夠讀取配置文件，生成包含開關信息的結構體，開關信息包括：名稱、編號、開關類型和狀態。其中開關編號很關鍵，涉及到饋線拓撲描述矩陣的生成。各開關可以任意編號，為方便邏輯編寫，約定如下編號規則：先對饋線干線上分段開關順序編號然后對分支線上分段開關編號最后對聯絡開關編號。饋線分段信息功能塊，能夠提供每一條饋線分段包含的信息：名稱、編號、正方向

25、上的左端開關信息、右端開關信息、是否為分支線等。通過調用此功能塊描述，可以知道饋線分支線路的先后順序以及干線和支線情況，提供生成網絡拓撲結構矩陣信息。由各開關信息和饋線分段的信息，可以生成饋線拓撲結構描述矩陣D。對于一條含有N個開關的饋線D為NXN階的矩陣。該矩陣能夠反應一條饋線上開關之間的相互連接關系。矩陣的生成規則為：以線路正常運行時的功率方向作為開關連接的正方向，若開關i和開關j之間存在一條饋線即都屬于同一饋線分段，且按規定的正方向饋線分段的左端為開關i右端為開關j，則描述矩陣第i行和第j列元素Dij置1，同時Dji置0；若不存在饋線分段，則都置0.故障區段描述功能塊，判斷完所有開關的故

26、障標志后，在拓撲結構描述矩陣的基礎上按如下規則生成故障描述矩陣P：若開關i的故障標志為1則置拓撲結構描述矩陣的Dii為1；若開關i故障標志為0，則置Dii為0.變化后的拓撲描述矩陣D即為故障描述矩陣P。故障區段判定功能塊實現的功能是根據故障描述矩陣P，判斷出故障區段。判斷故障點在開關i和開關j所在的饋線分段上必須同時滿足以下兩個條件：一個是故障描述矩陣P中Pii=1,二是對于所有的Pij=1(ji)的元素，都有Pjj=0.當這兩個條件都成立時，即可斷定開關i和開關j之間的饋線分段為故障區段。3.3 饋線保護邏輯的實現 針對不同的拓撲結構的饋線，生成相應的配置文件，再調用以上通用功能塊，便實現饋線的保護邏輯。以五開關六分段的手拉手饋線環網為例如圖1中所示，對CB1所在饋線編寫保護邏輯，其實現流程如圖5所示：我覺得這個流程沒有意義。因為你的功能應該通過功能塊來實現，功能塊是不需要流程的，只有用C編程才會涉及到流程說明。另外，子站功能的冗余要介紹。4 模擬測試實驗為測試ZigBee無線傳感器網絡的可靠性和驗證基于IEC61131-3標準的饋線保護邏輯