基于无线传感网的10KV配电网故障信息远程传输节点研制
基于无线传感网的10KV配电网故障信息远程传输节点研制[20191215193601]
摘 要
我国是一个地域广袤的国家，大型发电厂通常远离负荷中心，电力传输及故障查找是电力系统中的重大问题。随着社会的不断进步，人们对电力配送的监测管理，提出了更高的期望与要求。目前市场上有关电力配送参数采集的成品成本高、测量范围小、布线不便、缺乏灵活性，因此，本文提出了基于无线传感网技术10KV配电网的远传故障传输节点的设计。
该系统以单片机、传感器及射频芯片作为核心，经由ZigBee短距离无线通信实现多跳网络，再经3G路由器远程通信，最终得以实现参数的实时监测。本系统主要分为前端数据采集模块、处理模块、无线通信模块以及远程数据管理模块。前端数据采集由馈线终端FTU组成，主要负责采集故障参数信号，并通过接线与控制系统进行数据传输；控制系统以MSP430F169单片机为控制核心，负责故障参数的采集、AD转换、数据的定时发送；无线通信模块主要分为ZigBee的近距离无线通信与3G远程传输，基于无线串口协议架构，组建底层星型网络，汇聚来的各节点数据，经3G的TCP/IP协议实现数据远程传输。
对试验的总体设计理论分析完成后，试制了无线传感器节点，重复测试和调试后，最终能够实现配电网故障参数的实时采集、网络组建、数据收发、远程传输、数据分析等功能，测试结果表明本文所设计的节点符合设计需求，达到网络化、智能化、操作安全、运行稳定和维护便利的设计目标。在现代电力配送中，无线传感网的加入为之带来了十分重要的市场价值以及研究意义。
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关键字:配电网故障；无线传感网；ZigBee；组网；
目 录
第1章 绪论 6
1. 1 问题的提出及研究意义 6
1.1.1 问题提出 6
1.1.2 研究意义 6
1.2 国内外研究现状 8
1.2.1 军事领域 9
1.2.2 民用领域 9
1.3 本研究的主要工作 10
1. 4 课题章节安排 11
1. 5 本章小结 11
第2章 系统设计与实现 12
2. 1 系统设计目标 12
2. 2 系统总体设计方案 12
2. 3 系统工作流程 14
2. 4 网络通信技术方案 14
2.4.1 感知终端的组网通讯 14
2.4.2 远程数据管理中心与终端系统远程通讯 15
2. 5 本章小结 16
第3章 系统设计与实现 17
3. 1 感知终端系统硬件框图 17
3. 2节点子系统设计 17
3.2.1 CSF101技术特点 17
3.2.2 CSF101配电自动化远动终端结构框架 18
3.2.3 终端性能参数表 19
3.2.4 子系统软件设计 19
3. 3 数据处理模块 20
3.3.1 主控芯片最小系统 20
3.3.2 硬件设计 20
3.3.3 软件设计 26
3. 4 ZigBee无线传输模块 27
3.4.1 IEEE802. 15. 4标准及ZigBee协议栈架构 27
3.4.2 硬件设计 28
3.4.3 软件设计 29
3.5 3G远程通讯 30
3.5.1 硬件设计 30
3.5.2 软件设计 30
3.6 电源模块 31
3.7 本章小结 32
第4章 网络体系架构与路由设计 33
4.1 故障传输系统无线传感器网络体系架构 33
4.1.1 基本假设 33
4.1.2 网络结构设计 33
4.2 底层星型网络构建 34
4.2.1 拓扑结构选择 34
4.2.2 星型网络组网流程 35
4.3 顶层网络分区路由 36
4.3.1 网络准备 36
4.3.2 数据传输 38
4.4 基于HEED分簇算法的动态簇头轮转 39
4.4.1 算法理论 39
4.4.2 软件结构 40
4.4.3 伪代码 41
4.4.4 基于HEED算法仿真性能分析 42
4.5 本章小结 44
第5章 总结与展望 45
5.1 总结 45
5.2 展望 45
参考文献 46
致谢 47
第1章 绪论
1. 1 问题的提出及研究意义
10kV配电线网络，由于电压等级较低。输配电线路不长，对地电容较小，因此，属于小接地电流系统。其故障的80%为单相接地故障，其故障信息采集目前有多种方法。但这些采集的信息数据现地获取极为不便，因此需要远程传送至控制中心，目前的传送方式为GPRS或GSM两种主要方式，而基于无线传感网方式还未见到。考虑到10KV配电网的特殊性，其无线传感网构成结构为线状网，传感网节点分布的间隔距离为50—100米一个，本项目即为研发此传感网节点。
1.1.1 问题提出
电网在国民经济的基础设施中显得很重要, 其中电网的一个很关键的组成部分就是输配电线路, 电力供应中断往往是因为它造成的, 不但会造成庞大的财产损失, 甚至还会威胁居民生命和财产的安全。迅速的确定故障位置，恢复电网正常运行就显得尤为重要。人类进入21世纪以来,学科的发展之迅速让一种新型的网络监控——无线传感器网络诞生。无线传感器网络的智能，网络节点的微小，让无线传感网很受宠。无线传感网络扩展现了现有网络的功能, 为人类感知客观世界提供一种新的方式。ZigBee的概念非常简单，并且能够实现远距离通信。功耗小、成本低是他显著的优点。ZigBee无线通信技术特点与此相吻合, 这使此技术成为实现无线传感器网络的首选。ZigBee技术以其独特的优势, 为无线传感网络的快速发展提供了难得的机遇。
1.1.2 研究意义
工业自动化的提高是现代社会的必然方向，设备关系的逐渐关系紧密，也让设备故障更加影响社会生产，已有的研究结果表明，利用无线传感网技术将生产过程进行监控，并为状态监测和故障诊断提供准确的诊断数据，已十分必要。
在2007年，华东电网就已经开始将电网朝着智能化方向发展，规划了一个长达20年的智能电网发展计划，这标志着我国电网开始朝着智能化方向发展。许多研究学者认为，通过利用计算机技术以及传感器技术，同时利用遥控装置可以大幅提升我国电网的现代化水平，提高电网的整体质量。但是电网的发展，其各个部分是相互制约相互并且相互促进的，由于监测领域技术的落后，限制了电网的智能化发展。目前，仍然是在主要依靠蓝牙、GPRS等无线通信技术作为监测领域的主要核心技术，移动通信主要是担负着语言传输的任务，在电气设备在线监测领域的应用受到一定程度的限制，因此而限制了电网监测技术的发展。所以，提高在线监测领域的通信技术水平对提高电网的整体监测水平有着举足轻重的作用。近年来，伴随着微机电技术以及片上系统的不断发展成熟，孕育的无线传感器网络技术因此获得了国内外研究领域的重视。其中，ZigBee技术作为无线传感器网络技术的代表，凭借其低功耗、低成本的显著优点更是得到了各领域研究者的青睐。ZigBee技术依靠其灵活多变的使用方式，低廉的价格，在监测领域内获得了前所未有的发展，也为智能电网的通信方式提供了一种新的方法和思路。
1.2 国内外研究现状
随着电信技术的快速发展, 采用Internet或者无线网络的远程数据监测系统越来越多。在当前的通讯手段之上，确定传感器网络中节点位置的分布式, 并研制一个传感器网络操作系统是当前的主流。Tinyos加州大学洛杉矶分校开发了一个WSN和一个WSN模拟环境,进入第二十一个世纪, 军事领域和民用领域对WSN的研究热情已经无法取代，而且也收获了很多的研究成果。
1.2.1 军事领域
WSN的受关注程度大大超出了我们的预料，美国国防部以及所有的军事组织都对WSN的研究特别关注, 在C4ISR (C0~and, con trol, COInlnunieation, Computing, hitelligence, SurveillanceandReeonn aissance)的基础上提出了C4KISR(Conulland, Conirol, Communieations, ComP uter11,Inielligence, ReeonnaissaneeandSurveillanee)计划, 对战场的情报功能，提出了很大的要求以及期望。对相关项目的研究均取得了重大进展，未来, W SN将成为C4IsRT(eonunand, eontrol, eonununieation, Computing, Intelligence, Surveillance, ReeonnaissaneeandTargeting)系统无法取代的一部分。军事发达国家对此技术肯定会特别重视，未来的现代化战争将以此为中心。
1.2.2 民用领域
各高校开始研究基于WSN的技术应用，它是信息界与物理界的一座桥梁。美国南加州大学，斯坦福大学，麻省理工学院都开始了对WSN的研究。传感器与嵌入式合二为一投入现有的产品中，该研究的信息系统将会使 user-to-user 的网络服务转换成user-to-physical world 的网络，这样可以让用户总领全局。
1.3 本研究的主要工作
根据课题的具体要求，本系统基于目前国内基于无线传感网故障信息远程传输技术研究现状，进行优缺点比较，并在其基础上重点研究了以下几个方面：
（1）传感器的选用以及节点的绘制。
（2）采用单片机进行数据处理，通过无线通信实现数据的远程传输。
（3）网络通信技术在系统设计中起着十分重要的作用，本系统采用了基于ZigBee短距离、3G远程无线传输的机制，并在软件方面设计了有线与无线网络的通信协议，在硬件方面设计了电气隔离，在软、硬件两方面实现了数据的正确传输。
（4）基于3G的远程监控，实时的监测配电网情况。
技术路线主要分为前期准备阶段，项目设计阶段，方案制订阶段，验证方案的可行性阶段、项目实物测试调试阶段、论文的撰写阶段。其中项目设计阶段又分为计划、需求分析、设计，测试阶段又分为单元测试与集中测试。如图1.1所示。
图1.1 技术路线
1. 4 课题章节安排
本课题论文的章节安排如下：
第1章 绪论。本章致力于基于无线传感网络的10KV配电网故障传输节点的研究，介绍了课题相关技术的国内外现状，对技术方案进行了分析比较，根据课题的实际情况，确定本文主要研究内容并对各章节安排做了说明。
第2章 系统方案设计。搭建监控系统结构，包括其拓扑结构、层次结构、工作流程等。网络架构设计。基于配电网特殊环境的考虑，建立ZigBee的底层星型网络，实现远程传输。
第3章 系统设计与实现。感知终端设计。终端感知的硬件设计主要致力于传感器的选型，电路板的焊接与调试，无线通信模块的设计。软件设计主要可分为2部分，前端采集处理和后期无线传输。数据采集处理模块主要实现，将传感器采集的模拟信号经单片机内自带的数模转换模块转换为数字信号，并定时输出；无线通信模块的软件设计主要包括ZigBee短距离无线通信以及3G远程通信。
第4章 网络架构设计及路由实现。基于配电网传输特殊环境的考虑，提出了适合于配电管理的分区式网络架构，建立ZigBee的底层星型网络，实现层次型多跳分区路由。并基于HEED算法进行了仿真，实现了对于网络寿命及不同覆盖比率对网络性能的影响的分析。
摘 要
我国是一个地域广袤的国家，大型发电厂通常远离负荷中心，电力传输及故障查找是电力系统中的重大问题。随着社会的不断进步，人们对电力配送的监测管理，提出了更高的期望与要求。目前市场上有关电力配送参数采集的成品成本高、测量范围小、布线不便、缺乏灵活性，因此，本文提出了基于无线传感网技术10KV配电网的远传故障传输节点的设计。
该系统以单片机、传感器及射频芯片作为核心，经由ZigBee短距离无线通信实现多跳网络，再经3G路由器远程通信，最终得以实现参数的实时监测。本系统主要分为前端数据采集模块、处理模块、无线通信模块以及远程数据管理模块。前端数据采集由馈线终端FTU组成，主要负责采集故障参数信号，并通过接线与控制系统进行数据传输；控制系统以MSP430F169单片机为控制核心，负责故障参数的采集、AD转换、数据的定时发送；无线通信模块主要分为ZigBee的近距离无线通信与3G远程传输，基于无线串口协议架构，组建底层星型网络，汇聚来的各节点数据，经3G的TCP/IP协议实现数据远程传输。
对试验的总体设计理论分析完成后，试制了无线传感器节点，重复测试和调试后，最终能够实现配电网故障参数的实时采集、网络组建、数据收发、远程传输、数据分析等功能，测试结果表明本文所设计的节点符合设计需求，达到网络化、智能化、操作安全、运行稳定和维护便利的设计目标。在现代电力配送中，无线传感网的加入为之带来了十分重要的市场价值以及研究意义。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:配电网故障；无线传感网；ZigBee；组网；
目 录
第1章 绪论 6
1. 1 问题的提出及研究意义 6
1.1.1 问题提出 6
1.1.2 研究意义 6
1.2 国内外研究现状 8
1.2.1 军事领域 9
1.2.2 民用领域 9
1.3 本研究的主要工作 10
1. 4 课题章节安排 11
1. 5 本章小结 11
第2章 系统设计与实现 12
2. 1 系统设计目标 12
2. 2 系统总体设计方案 12
2. 3 系统工作流程 14
2. 4 网络通信技术方案 14
2.4.1 感知终端的组网通讯 14
2.4.2 远程数据管理中心与终端系统远程通讯 15
2. 5 本章小结 16
第3章 系统设计与实现 17
3. 1 感知终端系统硬件框图 17
3. 2节点子系统设计 17
3.2.1 CSF101技术特点 17
3.2.2 CSF101配电自动化远动终端结构框架 18
3.2.3 终端性能参数表 19
3.2.4 子系统软件设计 19
3. 3 数据处理模块 20
3.3.1 主控芯片最小系统 20
3.3.2 硬件设计 20
3.3.3 软件设计 26
3. 4 ZigBee无线传输模块 27
3.4.1 IEEE802. 15. 4标准及ZigBee协议栈架构 27
3.4.2 硬件设计 28
3.4.3 软件设计 29
3.5 3G远程通讯 30
3.5.1 硬件设计 30
3.5.2 软件设计 30
3.6 电源模块 31
3.7 本章小结 32
第4章 网络体系架构与路由设计 33
4.1 故障传输系统无线传感器网络体系架构 33
4.1.1 基本假设 33
4.1.2 网络结构设计 33
4.2 底层星型网络构建 34
4.2.1 拓扑结构选择 34
4.2.2 星型网络组网流程 35
4.3 顶层网络分区路由 36
4.3.1 网络准备 36
4.3.2 数据传输 38
4.4 基于HEED分簇算法的动态簇头轮转 39
4.4.1 算法理论 39
4.4.2 软件结构 40
4.4.3 伪代码 41
4.4.4 基于HEED算法仿真性能分析 42
4.5 本章小结 44
第5章 总结与展望 45
5.1 总结 45
5.2 展望 45
参考文献 46
致谢 47
第1章 绪论
1. 1 问题的提出及研究意义
10kV配电线网络，由于电压等级较低。输配电线路不长，对地电容较小，因此，属于小接地电流系统。其故障的80%为单相接地故障，其故障信息采集目前有多种方法。但这些采集的信息数据现地获取极为不便，因此需要远程传送至控制中心，目前的传送方式为GPRS或GSM两种主要方式，而基于无线传感网方式还未见到。考虑到10KV配电网的特殊性，其无线传感网构成结构为线状网，传感网节点分布的间隔距离为50—100米一个，本项目即为研发此传感网节点。
1.1.1 问题提出
电网在国民经济的基础设施中显得很重要, 其中电网的一个很关键的组成部分就是输配电线路, 电力供应中断往往是因为它造成的, 不但会造成庞大的财产损失, 甚至还会威胁居民生命和财产的安全。迅速的确定故障位置，恢复电网正常运行就显得尤为重要。人类进入21世纪以来,学科的发展之迅速让一种新型的网络监控——无线传感器网络诞生。无线传感器网络的智能，网络节点的微小，让无线传感网很受宠。无线传感网络扩展现了现有网络的功能, 为人类感知客观世界提供一种新的方式。ZigBee的概念非常简单，并且能够实现远距离通信。功耗小、成本低是他显著的优点。ZigBee无线通信技术特点与此相吻合, 这使此技术成为实现无线传感器网络的首选。ZigBee技术以其独特的优势, 为无线传感网络的快速发展提供了难得的机遇。
1.1.2 研究意义
工业自动化的提高是现代社会的必然方向，设备关系的逐渐关系紧密，也让设备故障更加影响社会生产，已有的研究结果表明，利用无线传感网技术将生产过程进行监控，并为状态监测和故障诊断提供准确的诊断数据，已十分必要。
在2007年，华东电网就已经开始将电网朝着智能化方向发展，规划了一个长达20年的智能电网发展计划，这标志着我国电网开始朝着智能化方向发展。许多研究学者认为，通过利用计算机技术以及传感器技术，同时利用遥控装置可以大幅提升我国电网的现代化水平，提高电网的整体质量。但是电网的发展，其各个部分是相互制约相互并且相互促进的，由于监测领域技术的落后，限制了电网的智能化发展。目前，仍然是在主要依靠蓝牙、GPRS等无线通信技术作为监测领域的主要核心技术，移动通信主要是担负着语言传输的任务，在电气设备在线监测领域的应用受到一定程度的限制，因此而限制了电网监测技术的发展。所以，提高在线监测领域的通信技术水平对提高电网的整体监测水平有着举足轻重的作用。近年来，伴随着微机电技术以及片上系统的不断发展成熟，孕育的无线传感器网络技术因此获得了国内外研究领域的重视。其中，ZigBee技术作为无线传感器网络技术的代表，凭借其低功耗、低成本的显著优点更是得到了各领域研究者的青睐。ZigBee技术依靠其灵活多变的使用方式，低廉的价格，在监测领域内获得了前所未有的发展，也为智能电网的通信方式提供了一种新的方法和思路。
1.2 国内外研究现状
随着电信技术的快速发展, 采用Internet或者无线网络的远程数据监测系统越来越多。在当前的通讯手段之上，确定传感器网络中节点位置的分布式, 并研制一个传感器网络操作系统是当前的主流。Tinyos加州大学洛杉矶分校开发了一个WSN和一个WSN模拟环境,进入第二十一个世纪, 军事领域和民用领域对WSN的研究热情已经无法取代，而且也收获了很多的研究成果。
1.2.1 军事领域
WSN的受关注程度大大超出了我们的预料，美国国防部以及所有的军事组织都对WSN的研究特别关注, 在C4ISR (C0~and, con trol, COInlnunieation, Computing, hitelligence, SurveillanceandReeonn aissance)的基础上提出了C4KISR(Conulland, Conirol, Communieations, ComP uter11,Inielligence, ReeonnaissaneeandSurveillanee)计划, 对战场的情报功能，提出了很大的要求以及期望。对相关项目的研究均取得了重大进展，未来, W SN将成为C4IsRT(eonunand, eontrol, eonununieation, Computing, Intelligence, Surveillance, ReeonnaissaneeandTargeting)系统无法取代的一部分。军事发达国家对此技术肯定会特别重视，未来的现代化战争将以此为中心。
1.2.2 民用领域
各高校开始研究基于WSN的技术应用，它是信息界与物理界的一座桥梁。美国南加州大学，斯坦福大学，麻省理工学院都开始了对WSN的研究。传感器与嵌入式合二为一投入现有的产品中，该研究的信息系统将会使 user-to-user 的网络服务转换成user-to-physical world 的网络，这样可以让用户总领全局。
1.3 本研究的主要工作
根据课题的具体要求，本系统基于目前国内基于无线传感网故障信息远程传输技术研究现状，进行优缺点比较，并在其基础上重点研究了以下几个方面：
（1）传感器的选用以及节点的绘制。
（2）采用单片机进行数据处理，通过无线通信实现数据的远程传输。
（3）网络通信技术在系统设计中起着十分重要的作用，本系统采用了基于ZigBee短距离、3G远程无线传输的机制，并在软件方面设计了有线与无线网络的通信协议，在硬件方面设计了电气隔离，在软、硬件两方面实现了数据的正确传输。
（4）基于3G的远程监控，实时的监测配电网情况。
技术路线主要分为前期准备阶段，项目设计阶段，方案制订阶段，验证方案的可行性阶段、项目实物测试调试阶段、论文的撰写阶段。其中项目设计阶段又分为计划、需求分析、设计，测试阶段又分为单元测试与集中测试。如图1.1所示。
图1.1 技术路线
1. 4 课题章节安排
本课题论文的章节安排如下：
第1章 绪论。本章致力于基于无线传感网络的10KV配电网故障传输节点的研究，介绍了课题相关技术的国内外现状，对技术方案进行了分析比较，根据课题的实际情况，确定本文主要研究内容并对各章节安排做了说明。
第2章 系统方案设计。搭建监控系统结构，包括其拓扑结构、层次结构、工作流程等。网络架构设计。基于配电网特殊环境的考虑，建立ZigBee的底层星型网络，实现远程传输。
第3章 系统设计与实现。感知终端设计。终端感知的硬件设计主要致力于传感器的选型，电路板的焊接与调试，无线通信模块的设计。软件设计主要可分为2部分，前端采集处理和后期无线传输。数据采集处理模块主要实现，将传感器采集的模拟信号经单片机内自带的数模转换模块转换为数字信号，并定时输出；无线通信模块的软件设计主要包括ZigBee短距离无线通信以及3G远程通信。
第4章 网络架构设计及路由实现。基于配电网传输特殊环境的考虑，提出了适合于配电管理的分区式网络架构，建立ZigBee的底层星型网络，实现层次型多跳分区路由。并基于HEED算法进行了仿真，实现了对于网络寿命及不同覆盖比率对网络性能的影响的分析。
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