基于双层服务的WSN配电网在线监测系统

田晓民

(华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206)

随着国家智能电网建设的不断扩大，城区和农网的10 kV配电线路条数在逐步增多，对配电网络自动化和智能化的要求也在逐步提高。现有的保护、自动化设备无法满足智能配电网快速查找故障并进行自愈的功能，为适应配电网智能化、高可靠运行的需求［1］，各种在线监测系统也在迅速推出。

目前配电网监测系统的组网方式以有线、或无线公共网居多，成本高、实现复杂。无线传感网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和自组织无线网络技术，能够相互协作地实时监测、感知和采集各种对象信息，并对其数据进行处理。它无需电源电缆和通信电缆，而实现多点监测，为电力设备远程在线监测和诊断提供一个新的视角［2］。

本文所提出的基于双层服务［3］的WSN(Wireless Sensor Networks)在线监测系统，遵循面向服务的思想，从网络体系结构与网络协议上更能适应在线监测数据的实时性和可靠性，减少了传统分层网络中比较棘手的跨层和层次间信息冗余的问题，并在该系统实际运行中收到了良好的效果。

1 系统网络体系结构

1.1 网络在线监测节点

分布在配电线路上的监测终端由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成。节点由采用感应线圈和电池双电源供电方式。其硬件框图如图1所示。

图1 监测终端硬件框图

1.2 基于双层服务的DTU

DTU(Data Transfer unit)负责将各监测终端的数据搜集并对外转发。对于传感器网络而言，人们关注的是网络本身提供的传感器信息，而并非能够直接访问每一个节点，所以，DTU对外提供的是整个网络的应用服务，而对于传感器网络接口则可以访问到每个已建立联系的节点。DTU的作用，就是将外界用户所请求的服务转换成对节点的基本操作，而用户只需关注DTU对外服务的发布，而无需关注每个节点是否已经联入网络，能量期限和路由等信息。

DTU服务构架［3］主要分为两层，如图2所示，可实现功能:(1)建立起应用服务与节点数据数据服务元之间的操作映射。(2)节点数据管理与网络管理。(3)传感器网络的应用服务的发布与响应。

图2 DTU硬件框图

1.3 系统构架

配电网在线监测系统的网络架构，如图3所示，主要由监测终端、DTU、应用服务器、数据服务器4部分组成。监测终端具有数据采集、信号处理和无线通信功能，它既是信息帧的发起者，也是信息帧的转发者，通过网络自组织和多跳路由，将数据向DTU发送，DTU通过多种通信网络和数据服务器相连，用户通过应用服务器监测区域内配电网。

图3 系统网络联接示意图

监测终端通过无线通信模块将测量值和报警情况发送给附近的DTU，其发送间隔可在3～30 min间调整，该间隔调整是通过设定DTU参数来实现。

数据服务器作为整个系统的服务器端，实现接收所有DTU发来数据的功能，并实现对接收数据的判断和存储，同时对系统DTU进行设置，接收故障短信和转发系统故障信息。

监测终端的分布在配电线路的杆塔上根据通信距离的远近选择不同发射功率的天线，例如当监测区域较大时，可以选择大发射功率的天线，这样势必会增加节点的能量消耗，在电源供应方便时易于选用，这样可以减少通信节点的布置密度，降低系统成本［4］。

2 双层服务结构和数据访问接口实现

监测WSN网络采用双层服务体系结构:应用服务管理层、服务元管理层。

2.1 DTU双层服务管理

2.1.1 应用服务管理层

通过DTU向应用服务器发布下层传感器网络的服务清单，响应用户的服务请求。包括上行通信模块、应用服务发布模块、应用服务响应模块。(1)上行通信模块:为外部提供访问接口，并可实现多个网关节点级联，增大无线传感器网络覆盖范围。DTU选用32位处理器自带以太网控制器，配备CAN、RS485等现场总线接口，同时可根据用户需要配备 GPRS(General Packet Radio Service)模块［6］。(2)应用服务发布模块:DTU根据当前无线传感器网络的节点接入的最新状态，更新服务服务信息表，发布给用户或级联的DTU节点。(3)应用服务响应模块:将用户或其他DTU节点对无线传感器监测网络的服务访问请求，转换成对无线传感器网络节点的问答和控制操作。

2.1.2 服务元管理层

服务元管理层根据目前节点的服务元，形成服务清单;更新服务数据库，做到能够实时响应用户数据请求;同时管理传感器节点，保证传感器网络工作正常。包括ZigBee节点接口模块、无线传感器网络管理模块、应用服务数据库模块，服务元注册模块。(1)服务元注册模块:搜集所接入的监测节点，形成服务清单。(2)应用服务数据库模块:存储转发传感器数据。(3)无线传感器网络管理模块:对接入的无线传感器节点提供网络管理服务，进行路由管理、节点接入安全认证、节点有选择休眠与激活等功能。(4)节点无线接口模块:提供底层的通信服务，访问所接入的节点。

2.2 服务的发布与建立

(1)服务信息表的建立与更新，如图4所示。

图4 服务信息表的建立

(2)数据服务提供流程，如图5所示。

图5 数据服务提供流程

采用双层服务结构，使用户的关注焦点为整个传感器网络所能提供的服务。接受数据服务时无需确认每一个传感器节点的工作状态，从而能够节省获取大量传感器工作状态、确认单个传感器访问路由和每个传感器的身份认证等大量开销。

3 应用服务

3.1 用户侧监控软件

监控软件部分采用B－S构架，包括监听软件和网页服务软件。监听软件用于控制DTU联网、接收DTU发来数据，实现对数据的判断和存储;对DTU进行控制，并接收DTU发来的短信数据，以及实现故障短信的发送功能［5］。

网页服务软件用于监控网页，实现通过浏览器查看监控数据的功能，通过局域网中的任何一台联网计算机都可以查看监控信息［6］。

3.2 故障诊断

在配电网发生短路或接地故障时，各监测点将所测得的短路电流和零序电流送到监控主机数据库，并进行计算，为故障定位提供位置参考。

本系统在陕西某县电力局进行了试运行，表1为现场运行记录。

表1 现场监控记录

通过使用配电线路监测系统以来，对10 kV配网线路运行维护带来了便利，一是线路由于在线系统安装后能够及时反应出故障相对准确位置，大幅缩短了故障处理时间。二是通过配电监测系统电流监测曲线走势图，能够及时反应现有负荷电流的大小，为准确掌握负荷，科学调度提供依据。三是能够及时排除设备隐患。

4 结束语

文中提出的基于双层服务的WSN智能配电在线监测诊断系统，通过因特网实现远程设备在线监测与故障诊断。该系统监测最远传输距离可达200 m以上，集成度好、系统化程度高、集在线监测和故障诊断为一体，提供了一个高效的设备运行管理平台［7］。解决了目前现有的在现监测系统电源电缆和通信电缆铺设困难的问题，使得监测传感器分布自由、成本降低、维护方便［8］。同时基于面向服务的思想，构建了双层服务结构和数据访问接口，使得监测传感器网络通信体系结构简单，服务效率高。为降低节点能耗，提高通信服务质量打下了良好的基础，体现了配电网在线监测和故障诊断技术的发展方向。

［1］刘振亚.智能电网技术［M］.北京:中国电力出版社，2010.

［2］李丽芬，朱永利，于永华.基于长链树状无线传感器网络实现输电线路在线监测数据传输［J］.电网技术，2011，35(6):199－203.

［3］易发胜，陈贵海，刘明，等.基于服务的网络体系结构的设计和实现［J］.软件学报，2008，19(12):3179－3195.

［4］苏鹏声，王欢.电力系统设备状态监测与故障诊断技术分析［J］.电力系统自动化，2003，27(1):61 －65.

［5］孙纪敏，沈玉龙，孙玉，等.传感器网络接入Internet体系结构和服务提供方法［J］.通信学报，2008，29(4):84－89.

［6］姚雷.配电网负荷监测系统的设计及在低压电网中的应用［J］.工业控制计算机，2009，22(8):21 －22.

［7］胡文平，尹项根，张哲.电力设备在线监测技术的研究与发展［J］.华北电力技术，2003(2):23－26.

［8］颜秋容，刘欣，水运龙，等.基于虚拟技术的变压器状态监测系统［J］.高电压技术，2005，31(8):39 －41.