CN103825944A - 一种基于物联网的变电站安全管理*** - Google Patents

一种基于物联网的变电站安全管理*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于物联网的变电站安全管理***，包括服务器、交换机、内部交换机、前置机、WSN节点和移动终端，所述服务器与所述交换机通过内部局域网连接通信，所述交换机与所述内部交换机通过电力载波网络连接通信，所述内部交换机与所述前置机通过中压宽带电力线载波架空线和光纤混合连接通信，所述前置机通过Zigbee无线传感器自组织网络的所述WSN节点与所述移动终端通信。本发明实现了变电站安全作业管理，设备监测和环境感知，中低压通信接入网混合组网有效解决了配网最后一公里的通信瓶颈问题。

Description

一种基于物联网的变电站安全管理***
技术领域
本发明涉及变电站安全管理***，尤其涉及一种基于物联网的变电站安全管理***。
背景技术
变电站属于高危工作区域，如果管理不到位，稍不注意就可能发生事故。在当前以人为本的号召下，变电站的各项工作都将人身安全放在了第一位。然而，除了操作规程、安全条约等规章制度限制外，还没有一套切实可行的主动报警的安全保障手段。因而，如果操作人员造作失误、判断失误，或懒性、随意性、巡视误入间隔等，都可能直接或间接导致事故的发生，使人身安全受到威胁的同时使经济利益也受到损失。
智能变电站是坚强智能电网的重要基础和支撑。具有信息化、自动化、互动化的特征，由先进、可靠、节能、环保、集成的设备组合而成。它以高速网络通信平台为信息传输基础，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和检测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级应用功能。
现在国内的绝大多数变电站都没有针对工作人员的监控和报警***，虽然有的变电站装备了摄像头，起到一定的监督作用，但是，摄像头存在一些监控上的“死角”；视频信息的传输存在延时，不能实现实时监控；每个摄像头只是监控制定区域范围内的工作人员，不能形成一个连续的监控模式；同时其布线和安装工序复杂，成本较高，只适合在小型变电站。一些变电站人员作业管理***存在变电站巡检、检修、参观人员边界预警及定位不准问题。对于设备检测和环境感知也是各自独立、不具备智能对话功能的小型自动化装置，形成多个信息孤岛，需要更多的人工来关注、理解和处理这些设备的信息，没有达到智能变电站的智能运行管理要求。
物联网技术实现了人类社会与物理***的整合，通过自动、实时对设备进行识别、定位、追踪、监控并触发相应事件，实现了对设备的实时管理和控制。利用物联网技术，通过对外界的感知，构建变电站安全作业管理***，达到“智能检测、智能判断、智能管理、智能验证”要求，实现变电站智能安全作业管理。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于物联网的变电站安全管理***，构建集Zigbee自组织网络、电力线载波、光纤通信等于一体的配网末端异构网络通信平台，实现变电站安全作业管理，设备监测和环境感知。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于物联网的变电站安全管理***，包括服务器、交换机、内部交换机、前置机、WSN节点和移动终端，所述服务器与所述交换机通过内部局域网连接通信，所述交换机与所述内部交换机通过中压宽带电力线载波架空线和光纤混合传输网连接通信，所述内部交换机与所述前置机通过电力载波网络连接通信，所述前置机通过Zigbee无线传感器自组织网络的所述WSN节点与所述移动终端通信。
在本发明的较佳实施方式中，所述基于物联网的变电站安全管理***还包括监控客户端，所述监控客户端与所述服务器连接通信中心，所述监控客户端为监控中心。
在本发明的另一较佳实施方式中，所述压宽带载波架空线和光纤混合传输网，为10kV架空线和电缆混合组网方式的应用，其实测峰值带宽上下行为90M和83M。
在本发明的较佳实施方式中，所述交换机为思科3750。
在本发明的另一较佳实施方式中，所述内部交换机为富民变低压配电室内部交换机。
在本发明的较佳实施方式中，所述变电站安全作业***中还包括安全作业预警定位***，所述安全作业预警定位***包括安装于现场的锚节点8、WSN节点5、移动终端6、监测前置机4和网关节点9，所述安全作业预警定位***的所述监测前置机4通过TCP/IP与低压配电室电力线载波接入终端10通信，所述低压配电室电力线载波接入终端连接在内部局域网上与所述监控中心7进行通信，所述锚节点8类似于手机的基站，部署在目标区域及其附近感兴趣的监测区域，所述WSN节点5能自动组网，形成自组织的网络***，接收其覆盖范围内的信号。
一种基于物联网的变电站安全管理***中的从业人员安全作业预警定位方法，具体步骤如下：
步骤1：将安装有定位方法程序的终端沿着巡检路线部署于目标区域及其附近危险点的监测区域；
步骤2：随身佩戴的所述移动终端6定时向外广播包含其自身ID的“心跳信息”；
步骤3：所述锚节点8收到所述心跳信息后，通过所述WSN节点5形成的自组织网络；
步骤4：所述自组织网络将数据自动上传到网关节点9并由监测前置机4读入；
步骤5：所述前置机4通过定位方法收到心跳信号的所述锚节点8的位置计算出工作人员或外来访客的当前位置，结合变电站内间隔（或工作区域）分布的不同地理位置，确定持有所述移动终端6的工作人员所处区域是否为非法区域，并自动上传到所述控监控客户端；
步骤6：如果是非法区域，所述控监控客户端将自动报警，提醒巡检人员注意安全或其他规程、提醒外来人员回到合法区域，同时也可通知相关部门进行应急处理。
在本发明的较佳实施方式中，所述步骤5中的定位方法是一种基于神经网络的自适应定位算法，具体步骤如下：
（1）根据现场实际环境，结合神经网络构建RSSI-距离预测模型；
（2）移动终端6定时广播发送心跳信息；
（3）收到心跳信息的锚节点8根据RSSI值自动排序，并作滤波、归一化处理，得到Rssin[n]；
（4）按照一定方式从Rssin[n]中优选最多4个锚节点作为步骤1得到的神经网络RSSI-距离预测模型的输入，该模型的输出即为监控目标和各锚节点8的距离Dis[n]；
（5）根据得到的Dis[n]值按质心定位算法计算目标当前的位置坐标；同时将得到的Dis[n]值作为新的样本输入至步骤1中的神经网络模型以对模型进行优化；
（6）采用运动方向角预测模型对质心定位算法计算出的位置坐标进行自适应限幅，从而得到平滑的运动轨迹。
一种基于物联网的变电站安全管理***中压宽带电力线载波实施方法，具体步骤如下：
步骤1：确定BPLC通信主节点，选择具有电力光纤的变电站、开闭所等作为中压宽带载波通信网络的主节点，安装中压BPLC头端设备，与电力光纤网络无缝对接，利用10kV配电网设置中压宽带载波通信分节点；
步骤2：从PLC主节点开始，根据10kV配电网设计分支通信线路，即以中压线路上的变压器、环网柜或分支箱等作为中继/终端节点，安装中压电力线宽带载波中继/终端设备与配网自动化设备联接，实现数据上传与转发；
步骤3：刀闸或开关处布署分节点并采用两端耦合，为保障中压宽带载波信号传输不受刀闸或开关所影响，可在刀闸或开关处安装BPLC设备并在两端线路上安装电感耦合器，起到BPLC信号桥接的功能；
步骤4：数据上传与指令下发，中压沿线的配网自动化相关数据信息，通过电力线宽带分支网和光纤骨干、网上传到所述监控客户端，所述监控客户端实施指令下发，双向互动，实现遥信、遥测、遥调、遥控和遥视。
本发明基于物联网技术、协同信息处理技术成功构建了集Zigbee自组织网络、电力线载波、光纤通信等于一体的配网末端异构网络通信平台，实现了变电站安全作业管理，设备监测和环境感知，中低压通信接入网混合组网有效解决了配网最后一公里的通信瓶颈问题。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的变电站安全管理***结构图；
图2是本发明的一个较佳实施例的安全作业预警定位***架构图；
图3是本发明的一个较佳实施例的基于神经网络的自适应定位算法流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于物联网的变电站安全管理***，包括服务器1、交换机2、内部交换机3、前置机4、WSN节点5和移动终端6，服务器1与交换机2通过内部局域网连接通信，交换机2与内部交换机3通过电力载波网络连接通信通过中压宽带电力线载波架空线和光纤混合连接通信，内部交换机3与前置机4通过电力载波网络连接通信，前置机4通过Zigbee无线传感器自组织网络的WSN节点5与移动终端6通信。该管理***为集zigbee自组织网络、电力线载波、光纤通信等于一体的配网末端异构网络通信平台，实现了变电站安全作业管理，设备监测和环境感知。
交换机2为思科3750，内部交换机3为富民变低压配电室内部交换机。
在变电站安全作业***中，还包括安全作业预警定位***，解决变电站巡检、检修、参观人员边界预警及定位问题，该***架构如图2所示，包括安装于现场的锚节点8、WSN节点5、移动终端6、监测前置机4和网关节点9，定位***的监测前置机4通过TCP/IP与低压配电室电力线载波接入终端10通信，低压配电室电力线载波连接在内部局域网上与监控中心7进行通信。锚节点8类似于手机的基站，将其部署于目标区域及其附近感兴趣的监测区域，WSN节点5能自动组网，形成自组织的网络***，接收其覆盖范围内的信号。随身佩戴的移动终端6可以定时向外广播包含其自身ID的“心跳信息”，当移动终端6周边的锚节点8收到该心跳信息后，即通过WSN节点5形成的自组织网络将数据自动上传到网关节点9并由监测前置机4读入。前置机4通过定位方法或跟踪收到心跳信号的锚节点8的位置即可计算出工作人员或外来访客的当前位置，结合变电站内间隔（或工作区域）分布的不同地理位置，确定持有该移动终端6的工作人员所处区域是否为非法区域，如果是，***将自动报警，提醒巡检人员注意安全或其他规程、提醒外来人员回到合法区域，同时也可通知相关部门进行应急处理。该***有效改善了目标定位精度，大大提升了轨迹跟踪平滑度，提高了变电站从业人员的安全性。
前置机4使用的定位方法是一种基于神经网络的自适应定位方法，流程如图3所示，具体步骤为：
（1）根据现场实际环境，结合神经网络构建RSSI-距离预测模型；
（2）移动终端6定时广播发送心跳信息；
（3）收到心跳信息的锚节点8根据RSSI值自动排序，并作滤波、归一化处理，得到Rssin[n]；
（4）按照一定方式从Rssin[n]中优选最多4个锚节点作为步骤1得到的神经网络RSSI-距离预测模型的输入，该模型的输出即为监控目标和各锚节点8的距离Dis[n]；
（5）根据得到的Dis[n]值按质心定位算法计算目标当前的位置坐标；同时将得到的Dis[n]值作为新的样本输入至步骤1中的神经网络模型以对模型进行优化；
（6）采用运动方向角预测模型对质心定位算法计算出的位置坐标进行自适应限幅，从而得到平滑的运动轨迹。
本实施例在数据采集端采用Zigbee节点形成的无线传感器自组织网络进行数据的收发，该部分数据传输在前置机4和WSN节点5之间完成；在前置机4和数据传服务器1之间传输采用电力线中压宽带载波及以太网的通信方式进行传输，有效解决了配网最后一公里的通信瓶颈问题。
中压宽带电力线载波技术采用基于OFDM的架空线和电缆混合传输网方式，为10kV架空线和电缆混合组网方式的应用，其实测峰值带宽上下行可达90M和83M，为配自五遥功能实现提供技术保障，解决变电站实时信息交互和网络传输。具体实施方案如下：
（1）确定BPLC通信主节点，选择具有电力光纤的变电站、开闭所等作为中压宽带载波通信网络的主节点，安装中压BPLC头端设备，与电力光纤网络无缝对接，利用10kV配电网设置中压宽带载波通信分节点；
（2）从PLC主节点开始，根据10kV配电网设计分支通信线路，即以中压线路上的变压器、环网柜或分支箱等作为中继/终端节点，安装中压电力线宽带载波中继/终端设备与配网自动化设备联接、实现数据上传与转发；
（3）刀闸或开关处布署分节点并采用两端耦合，为保障中压宽带载波信号传输不受刀闸或开关所影响，可在刀闸或开关处安装BPLC设备并在两端线路上安装电感耦合器，起到BPLC信号桥接的功能；
（4）数据上传与指令下发，中压沿线的配网自动化相关数据信息，通过电力线宽带分支网和光纤骨干、网上传到监控客户端，监控客户端实施指令下发，双向互动，实现遥信、遥测、遥调、遥控和遥视。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于物联网的变电站安全管理***，其特征在于，包括服务器、交换机、内部交换机、前置机、WSN节点和移动终端，所述服务器与所述交换机通过内部局域网连接通信，所述交换机与所述内部交换机通过中压宽带电力线载波架空线和光纤混合传输网连接通信，所述内部交换机与所述前置机通过电力载波网络连接通信，所述前置机通过Zigbee无线传感器自组织网络的所述WSN节点与所述移动终端通信。
2.如权利要求1所述的基于物联网的变电站安全管理***，其特征在于，还包括监控客户端，所述监控客户端与所述服务器连接通信中心，所述监控客户端为监控中心。
3.如权利要求2所述的基于物联网的变电站安全管理***，其特征在于，安全作业预警定位***，所述安全作业预警定位***包括安装于现场的锚节点、WSN节点、移动终端、监测前置机和网关节点，所述安全作业预警定位***的所述监测前置机通过TCP/IP与低压配电室电力线载波接入终端通信，所述低压配电室电力线载波接入终端连接在内部局域网上与所述监控中心进行通信，所述锚节点类似于手机的基站，部署在目标区域及其附近感兴趣的监测区域，所述WSN节点能自动组网，形成自组织的网络***，接收其覆盖范围内的信号。
4.如权利要求1所述的基于物联网的变电站安全管理***，其特征在于，所述压宽带载波架空线和光纤混合传输网，为10kV架空线和电缆混合组网方式的应用，其实测峰值带宽上下行为90M和83M。
5.如权利要求1所述的基于物联网的变电站安全管理***，其特征在于，所述交换机为思科3750。
6.如权利要求1所述的基于物联网的变电站安全管理***，其特征在于，所述内部交换机为富民变低压配电室内部交换机。
7.一种如权利要求3所述的基于物联网的变电站安全管理***中的从业人员边界预警及定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：将安装有定位方法程序的终端沿着巡检路线部署于目标区域及其附近危险点的监测区域；
步骤2：随身佩戴的所述移动终端6定时向外广播包含其自身ID的“心跳信息”；
步骤3：所述锚节点8收到所述心跳信息后，通过所述WSN节点5形成的自组织网络；
步骤4：所述自组织网络将数据自动上传到网关节点9并由监测前置机4读入；
步骤5：所述前置机4通过定位方法收到心跳信号的所述锚节点8的位置计算出工作人员或外来访客的当前位置，结合变电站内间隔（或工作区域）分布的不同地理位置，确定持有所述移动终端6的工作人员所处区域是否为非法区域，并自动上传到所述控监控客户端；
步骤6：如果是非法区域，所述控监控客户端将自动报警，提醒巡检人员注意安全或其他规程、提醒外来人员回到合法区域，同时也可通知相关部门进行应急处理。
8.一种如权利要求7所述的基于物联网的变电站安全管理***中的从业人员边界预警及定位方法，其特征在于，所述步骤5中定位方法具体步骤如下：
（1）根据现场实际环境，结合神经网络构建RSSI-距离预测模型；
（2）移动终端6定时广播发送心跳信息；
（3）收到心跳信息的锚节点8根据RSSI值自动排序，并作滤波、归一化处理，得到Rssin[n]；
（4）按照一定方式从Rssin[n]中优选最多4个锚节点作为步骤1得到的神经网络RSSI-距离预测模型的输入，该模型的输出即为监控目标和各锚节点8的距离Dis[n]；
（5）根据得到的Dis[n]值按质心定位算法计算目标当前的位置坐标；同时将得到的Dis[n]值作为新的样本输入至步骤1中的神经网络模型以对模型进行优化；
（6）采用运动方向角预测模型对质心定位算法计算出的位置坐标进行自适应限幅，从而得到平滑的运动轨迹。
9.一种如权利要求2所述的基于物联网的变电站安全管理***中压宽带电力线载波实施方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：确定BPLC通信主节点，选择具有电力光纤的变电站、开闭所等作为中压宽带载波通信网络的主节点，安装中压BPLC头端设备，与电力光纤网络无缝对接，利用10kV配电网设置中压宽带载波通信分节点；
步骤2：从PLC主节点开始，根据10kV配电网设计分支通信线路，即以中压线路上的变压器、环网柜或分支箱等作为中继/终端节点，安装中压电力线宽带载波中继/终端设备与配网自动化设备联接，实现数据上传与转发；
步骤3：刀闸或开关处布署分节点并采用两端耦合，为保障中压宽带载波信号传输不受刀闸或开关所影响，可在刀闸或开关处安装BPLC设备并在两端线路上安装电感耦合器，起到BPLC信号桥接的功能；
步骤4：数据上传与指令下发，中压沿线的配网自动化相关数据信息，通过电力线宽带分支网和光纤骨干、网上传到所述监控客户端，所述监控客户端实施指令下发，双向互动，实现遥信、遥测、遥调、遥控和遥视。
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