本发明公开了一种基于无线传感器网络的配电网用户侧集控集抄系统，其包括集控集抄终端和多台无线抄控器，其中，所述无线抄控器为对配电网用户侧电力设备进行抄收和控制，并将抄收数据发送给集控集抄终端，而集控集抄终端则是向无线抄控器发送控制命令，并接收无线抄控器发送的抄收数据，所述多台无线抄控器与集控集抄终端组成一个无线传感器网络。集控集抄终端包括外部存储器、第一无线射频单元、第一天线、第一电源管理单元、外部接口单元及嵌入式CPU；无线抄控器包括输入接口、输出接口、第二无线射频单元、第二天线、第二电源管理单元及分别单片机。本发明所述系统的优点在于系统响应快，可靠性高，环境适应性强以及低功耗。
1.一种基于无线传感器网络的配电网用户侧集控集抄系统，其特征在于，包括集控集抄终端和多台无线抄控器，各无线抄控器抄收和控制配电网用户侧各种电力设备，并将所抄收的数据发送给集控集抄终端，而集控集抄终端为下达控制命令给无线抄控器，且接收自无线抄控器发送的数据信息，该所述多台无线抄控器和所述集控集抄终端构成一个多跳多路由的无线传感器网络；其中，所述无线抄控器包括单片机、输入接口、输出接口、第二无线射频单元、第二天线和第二电源管理单元，所述单片机分别与所述输入接口、输出接口、第二无线射频单元以及第二电源管理单元相连，所述第二无线射频单元分别相连接第二天线和第二电源管理单元；所述集控集抄终端包括嵌入式CPU、外部存储器、第一无线射频单元、第一天线、第一电源管理单元和外部接口单元，其中所述嵌入式CPU分别与第一无线射频单元、第一电源管理单元、外部存储器以及外部接口单元相连接，所述第一无线射频单元亦分别相连于所述第一天线和第一电源管理单元。
2.根据权利要求1所述基于无线传感器网络的配电网用户侧集控集抄系统，其特征在于，所述第一天线和第二天线为全向天线。
3.根据权利要求1所述基于无线传感器网络的配电网用户侧集控集抄系统，其特征在于，所述第一电源管理单元外接一外部电源。
4.根据权利要求1所述基于无线传感器网络的配电网用户侧集控集抄系统，其特征在于，所述第二电源管理单元外接一外部电池。
5.根据权利要求1所述基于无线传感器网络的配电网用户侧集控集抄系统，其特征在于，所述集控集抄终端和无线抄控器内包括内置电池。
6.根据权利要求1所述基于无线传感器网络的配电网用户侧集控集抄系统，其特征在于，所述电力设备包括抄送端口和控制端口，所述无线抄控器的输入接口连接于该所述抄送端口，而输出接口连接于该所述控制端口。
7.根据权利要求1所述基于无线传感器网络的配电网用户侧集控集抄系统，其特征在于，所述无线传感器网络工作在ISM频段。
8.权利要求1至7任一所述的基于无线传感器网络的配电网用户侧集控集抄系统的优化方法，其特征在于，该优化方法包括以下步骤：A、对多个无线抄控器和集控集抄终端组成的无线传感器网络进行拓扑划分，确定在最大发射功率和最低速率下的信号有效传输距离；
B、根据信号有效传输距离对所有无线抄控器按照相同区域、相邻区域以及不同区域进行划分，并利用着色原理去对区域内所有无线抄控器进行分组，确定无线传感器网络的多址方式； C、以集控集抄终端为中心以及信号传输距离为作用范围逐级确定多跳路由；
E、依据每条传输路径上的吞吐量需求和传输速率分配传输时间。
9.根据权利要求8所述的优化方法，其特征在于，步骤B中包括，同一组的无线抄控器为同时传输，即采用空分多址方式；不同组的无线抄控器不能同时传输，即采用时分多址方式。
10.根据权利要求8所述的优化方法，其特征在于，步骤D中包括，传输路径越短，传输速率越高，调制系数也就越大。
基于无线传感器网络的配电网用户侧集控集抄系统及优化
方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种采集和控制系统及方法，特别是涉及一种电能表计、负荷控制、配变监测的自动化集中采集和控制网络系统及优化方法。
背景技术
[0002] 为了实现计量管理的自动化，供电部门一直在不懈的努力解决目前存在的一系列用电管理难题，如线损高、人工抄表效率低、电费结算实时性差，中小动力用户的监控、防窃电、限电、对关口及配变计量的监测等等。
[0003] 针对上述，由此产生了自动集抄和配网自动化系统，该系统有智能表计、配网终端、主站后台管理和数据库以及通信信道装置组成。对于通信信道而言，该系统又可分为上行信道(主站与配网终端之间)和下行信道(配网终端与数量庞大的表计之间)。由于当前主站后台管理系统、数据库及智能表计已趋于成熟，并且随着2.5G移动数字网的大量应用，基于GPRS通信网的上行信道已迈入实用化阶段，其中，“last mile”即最后一公里的下行信道由于用户数量大，现场环境复杂(有些甚至相当恶劣)，通信媒介质量低，成本压力大等一系列难题，已经达到瓶颈，时下尚无真正可行的解决方案。
[0004] 目前市场上可获取的方案可包括有线RS485、电力线载波(PLC)以及无线点对点(手持无线PDA或无线抄表车)等。其中，对于有线RS485而言，其作为一种专用有线通信信道，通信可靠，但是作为一种通用方案，从要求将所有表计用通讯线连接起来，从工程施工的角度来看，代价和难度都太大；而电力线载波方案由于其本身的传输可靠性并不能有效的解决；无线手持PDA走抄和无线抄表车由于本身结构和技术的特点，其实时性和效率都不能保证，亦很难对最后一公里的下行信道之瓶颈问题进行根本性的解决。
发明内容
[0005] 鉴于现有技术中配电网用户侧的计量和控制部分还停留在人工方式，自动化程度不高，并且现有用户侧网络存在实施难度大、传输可靠性不高等问题，本发明目的之一在于提供一种可解决配电网用户侧的计量和控制的自动化、网络化、智能化问题，并且可使得高可靠、实时性强、低功耗、环境适应性强的配电网最后一公里网络成为现实的基于无线传感器网络的配电网用户侧集控集抄系统。
[0006] 为了达到上述目的，本发明采用了下述技术方案：
[0007] 所述基于无线传感器网络的配电网用户侧集控集抄系统包括集控集抄终端和多台无线抄控器。其中，所述集控集抄终端主要是向无线抄控器发送控制命令，且自无线抄控器处接收抄收数据，同时完成对整个无线传感器网络的管理；该集控集抄终端包括嵌入式CPU、外部存储器、第一无线射频单元、第一天线、第一电源管理单元和外部接口单元，其中所述嵌入式CPU分别与第一无线射频单元、第一电源管理单元、外部存储器以及外部接口单元相连接，所述第一无线射频单元亦分别相连于所述第一天线和第一电源管理单元。所述无线抄控器主要是完成对配电网用户侧各种电力设备的抄收和控制，且将抄收数据发送给集控集抄终端，该无线抄控器的控制命令从集控集抄终端获取；该无线抄控器包括单片机、输入接口、输出接口、第二无线射频单元、第二天线和第二电源管理单元，其中所述单片机分别与所述输入接口、输出接口、第二无线射频单元以及第二电源管理单元相连，所述第二无线射频单元分别相连接第二天线和第二电源管理单元。
[0008] 所述无线抄控器与集控集抄终端之间进行无线连接，且多个无线抄控器之间亦可无线相连，从而在无线抄控器与集控集抄终端之间没有阻挡时，无线抄控器与集控集抄终端之间可直接发送和接收信息，以及在无线抄控器与集控集抄终端之间有阻挡时，所述各无线抄控器与集控集抄终端组成一个多跳多路由的无线传感网络。
[0009] 此外，针对该所述基于无线传感器网络配电网用户侧集控集抄系统，本发明的另一目的在于提供一种实现该所述系统高可靠、实时性强、低功耗、环境适应性强的跨层优化方法，该方法包括以下步骤：
[0010] A、对多个无线抄控器和集控集抄终端组成的无线传感器网络进行拓扑划分，确定在最大发射功率和最低速率下的信号有效传输距离；
[0011] B、根据信号有效传输距离对所有无线抄控器按照相同区域、相邻区域以及不同区域进行划分，并利用着色原理去对区域内所有无线抄控器进行分组，确定无线传感器网络的多址方式；
[0012] C、以集控集抄终端为中心以及信号传输距离为作用范围逐级确定多跳路由；
[0013] D、确定各条传输路径的传输速率；
[0014] E、依据每条传输路径上的吞吐量需求和传输速率分配传输时间。
[0015] 相比现有技术，本发明所述基于无线传感器网络配电网用户侧集控集抄系统具有以下有益效果：
[0016] 1)快速的系统响应：采用跨层优化的无线网络设计，数据传输延迟小。
[0017] 2)良好的可靠性：采用多跳多路由技术，具有冗余的数据传递路径，使得网络本身具有高可靠性。
[0018] 3)环境适应性强：组网过程自动完成，现场无需人工设置参数；采用多跳无线网络，实现非视距传输。
[0019] 4)低功耗：采用跨层优化的无线网络设计，在满足网络传输吞吐量要求的基础上，提高了能量效率；采用空分多址+时分多址的混合多址技术，减少相互干扰，有效降低传输功率。
附图说明
[0020] 图1为本发明所述基于无线传感器网络配电网用户侧集控集抄系统结构框图；
[0021] 图2为本发明中所述集控集抄终端的结构组成图；
[0022] 图3为本发明中所述无线抄控器的结构组成图；
[0023] 图4为本发明对所述基于无线传感器网络配电网用户侧集控集抄系统进行优化的方法步骤示意图。
具体实施方式
[0024] 下面结合附图以及具体实施来对本发明所述基于无线传感器网络配电网用户侧集控集抄系统以及针对该基于无线传感器网络配电网用户侧集控集抄系统进行优化的方法作进一步的详细说明。
[0025] 参照图1中所示，本发明中所述基于无线传感器网络配电网用户侧集控集抄系统包括集控集抄终端1和多台无线抄控器2；其中，各无线抄控器2为完成对配电网用户侧各种电力设备的抄收和控制，并将所抄收的数据发送给集控集抄终端1；所述集控集抄终端1下达控制命令给无线抄控器2，且接收自无线抄控器2发送的数据信息；该所述各个无线抄控器2与集控集抄终端1之间的距离在实际应用中会有所不同，并且之间可能存在着阻挡，因此势必有部分无线抄控器2不能直接向集控集抄终端1发送和接收信息，所述各个无线抄控器2和集控集抄终端1组成一个多跳多路由的无线传感器网络。
[0026] 再参照图2中所示，所述集控集抄终端1包括嵌入式CPU10、外部存储器11、第一无线射频单元12、第一天线13、第一电源管理单元14和外部接口15。其中，所述第一天线13与第一无线射频单元12的天线接口连接，所述第一无线射频单元12的数据端口与嵌入式CPU10的一个数据端口连接，而所述嵌入式CPU10的另一个数据端口与外部接口单元15的端口连接，所述外部存储器11与嵌入式CPU10相连接，以及所述第一电源管理单元14与各个需要供电的单元的电源输入端口连接；另，见图2中所示，所述第一电源管理单元14分别与嵌入式CPU10和第一无线射频单元12相连，实际应用时，该所述第一电源管理单元14既可以通过外部电源3输电供电，又可以在外部输电异常的时候采用内置电池供电。
[0027] 所述外部接口单元15于实际应用中可具有GPRS4接口和以太网口5。
[0028] 参照图3中所示，所述无线抄控器2作为无线传感器网络中的一个节点，既要通过其它的无线抄控器2传输自己需要的信息，又要为其它的无线抄控器2中继信息，其包括输入接口21、输出接口22、单片机20、第二无线射频单元23、第二天线24和第二电源管理单元25。其中，所述输入接口21一端连接电力设备(图中未示)的抄收端口，另一端则连接于所述单片机的IO口；所述输出接口22一端连接单片机的IO口，另一端则连接电力设备的控制端口。所述单片机20的数据端口与第二无线射频单元23的数据端口连接，所述第二无线射频单元23的天线接口连接至第二天线24，以实现数据的接收和发送；所述第二电源管理单元23与各个需要供电的单元的电源输入端口连接，见图3中所示，该第二电源管理单元25既可以通过外部输电供电，譬如图3中所示之电池6，又可以在外部输电异常的时候采用内置电池供电。
[0029] 另外，对于所述集控集抄终端1与所述无线抄控器2以及各个无线抄控器2之间的无线传输为采用MQAM调制方式，其中的调制系数M为可调；所述第一天线13和第二天线24为采用全向天线；以及由所述集控集抄终端1与多台所述无线抄控器2组成的无线传感器网络为工作在ISM频段，该频段规定的发射功率≤100mw。
[0030] 此外，参照图4中所示，其为针对前述基于无线传感器网络配电网用户侧集控集抄系统进行优化的方法步骤图。
[0031] 首先，对多个无线抄控器2和集控集抄终端1组成的无线传感器网络进行拓扑划分，即根据最大发射功率Pmax确定在最低速率Vmin下的信号有效传输距离dmax(步骤40)；其中，所述无线传感器网络为工作在ISM频段的433MHz，最大发射功率Pmax＝100mw。
[0032] 其次，对无线传感器网络确定多址方式，即根据信号有效传输距离dmax将所有的无线抄控器2按照相同区域、相邻区域、不相邻区域进行划分(属于相同区域或相邻区域的无线抄控器传输间可产生干扰)；以及利用着色原理作为分组算法将已作划分的无线抄控器2分成K组(K与无线抄控器数量和分布拓扑有关)，使得同一组的无线抄控器2可以同时传输，采用空分多址方式。不同组的无线抄控器2不能同时传输，采用时分多址方式(步骤
41)。
[0033] 然后，确定无线传感器网络的路由和传输路径，由于在无线集控集抄网络中主要完成的任务是集控集抄终端1将控制命令发送给无线抄控器2，以及无线抄控器2将抄收数据发送给集控集抄终端1，数据传输的方向只存在上行和下行两个方向，因此可以集控集抄终端1为中心，以信号传输距离为作用范围逐级确定多跳路由(步骤42)。
[0034] 此外，为了提高网络传输的可靠性，在该优化方法中可以允许冗余传输路径的存在。
[0035] 另外，根据各条传输路径的路径长度，确定各条传输路径的传输速率，由此根据不同的传输速率确定MQAM调制的调制系数，其中，传输路径越短，传输速率越高，调制系数也就越大(步骤43)。
[0036] 最后，根据无线抄控器2产生数据的速率和需要中继数据的速率确定每一条传输路径上的吞吐量需求，且根据该传输吞吐量需求和传输速率来分配传输时间(步骤44)。
