电力负荷管理系统无线通信网络研究以及MCGS软件实现课程设计Word下载.docx
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第二章电力负荷管理系统的结构2
2.1中心站2
2.2通道3
2.3终端3
第三章中心站的主控软件的设计4
3.1主控管理软件的总体结构4
3.2主控软件的功能设计实现5
第四章无线技术在现在电力负荷管理中的应用与展望10
4.1现阶段各种无线技术特点及应用10
4.1.1现阶段无线传输标准和方式10
4.1.2GPRS系统具有的特点11
4.2无线技术在现代电网中的应用12
4.2.1输配网管理12
4.2.2管理信息系统13
4.2.3电力系统通信13
4.2.4无线功率传输14
4.3无线技术在电网管理的展望14
4.3.1无线技术需要解决问题14
4.3.2前景15
第五章基于MCGS组态软件的监控实现16
5.1MCGS组态软件的概述16
5.2MCGS组态软件的构成16
5.2.1系统构成16
5.2.2工程构成17
5.3MCGS软件在电力监控上的应用18
5.3.1建立画面18
5.3.2编辑画面18
5.3.3制作文字框图18
5.3.4制作步骤19
第六章结论23
第七章参考文献24
第一章绪论
1.1设计要求
本课程设计题目为：
电力负荷管理系统无线通信网络的研究和设计，设计要求如下：
1）了解电力负荷管理系统；
2）设计电力负荷管理系统无线通信网络，绘制相应的数据流程与硬件架构；
3）选择相关设备，无线通信网络分别按照远程与短距离设计；
4）相关论文在学校图书馆中文数据库“万方数字化期刊”中查找。
1.2设计内容
电力负荷管理系统与配电调度自动化系统的相互结合，促进了电网管理向现代化方向发展，提高了电力调度自动化、电力营销管理现代化的实用水平。
本文概要介绍了电力负荷管理系统的概念和发展，以及负荷管理中心站、负荷管理通信信道和负荷管理终端的特点。
在此基础上，本文设计了一种基于TMS320F2812型DSP芯片的新型电力负荷管理终端，对终端的设计思想、硬件组成和软件设计均做了详细的论述，并给出了关键的软件流程图。
本文首先分析了负荷管理终端的功能，接着详细阐述了终端各硬件模块的工作原理和设计内容，包括电源模块、数据采集模块、控制模块、通信模块和人机接口模块；
然后以实时任务调度为核心设计了终端软件的总体结构，具体划分了系统的功能模块，并主要阐述了模拟量实时采集、FFT算法处理、负荷监测、远程抄表、人机交互等模块的实现；
最后详细阐述了负荷管理终端中嵌入式GPRS通信的设计，主要阐述了GPRS设备驱动、GPRS通信协议和电力负荷管理规约的实现。
第二章电力负荷管理系统的结构
负荷管理系统由中心站、通道和用户终端三部分组成，呈辐射状分布。
该系统是由中心站通过通道与安装在用户端的控制终端建立数据通信联系，达到集中监控管理用户用电的计算机监控系统。
系统的总体网络结构如下图2-1所示
图2—1电力负荷管理系统总体网络结构
2.1中心站
中心站是系统的核心部分，是电力负荷管理系统运行和管理的指挥中心，它由一个计算机内部局域网和相应的主控软件组成。
中心站的网络结构采用标准的以太网结构，内部以星型连接方式实现，采用这种结构有利于系统在将来增加其它管理工作站，而且同电力局其它系统的连接也会非常方便。
网络数据服务器负责网络管理和数据管理，将信息进行统计和归档处理。
为了保证系统数据的安全可靠性，网络数据服务器采用双机热备份。
网络数据服务器的配置主要依据系统的数据及数据处理量的规模。
Web服务器：
提供Web服务，以网页的形式发布信息。
Web服务器配置中高档PC服务器。
前置机：
又称数据采集服务器，网络中作为通讯处理机。
负责主站应用系统与终端之间的数据信息交换，包括数据的采集和转储及其主站命令的组合、发送和终端结果的回收、解释工作。
为了保证数据采集工作的可靠性，两台前置机互为热备用，遇到故障时可自动切换。
接口服务器：
主要是为其它应用系统提供接口。
完成与其它应用系统的外部数据交换。
工程师操作站是主控系统集中管理的工具，包括数据库服务器远程管理、用户终端信息管理、系统运行管理、数据分析等。
操作站：
担负着系统监视和命令发布的职责，是系统的窗口，，具有图形化的界面。
2.2通道
通道是系统的通讯线路，用来在中心站和用户终端之间传送信息，通道的质量直接影响着该系统功能的实现。
在系统中通讯链路型式的选择，可以视当地具体情况（包括地形、地貌、噪声源、频率复用等），来选择无线、微波通道或载波通道。
无线信道没有有线信道可靠，易受外界随机干扰，速度受限，但无线信道组网方便，与电网一次设备无紧密连接。
具有使用灵活，维护工作量小，易实现数据双向传输，容易扩充等特点，能满足负荷控制技术实时性要求。
本系统采用无线电通信方式。
2.3终端
电力用户终端设备由具有数据采集及处理能力的微处理机系统和数传通道系统组成,因此电力用户终端设备能实时采集用户的用电信息、供电状况、电量信息、电表计量数据等各项用电数据,并能通过数传通道发送到监控中心。
第三章中心站的主控软件的设计
3.1主控管理软件的总体结构
根据电力负荷管理系统的系统功能，主站中的软件系统的按功能划分为数据采集子系统、主控子系统、分析应用子系统、信息发布子系统、接口管理子系统、系统管理子系统六个子系统。
各子系统之间的关系及其功能如图3-1所示。
SCADA用电MIS
图3—1中心站系统总体结构图
数据采集子系统完成数据采集（包括定时采集和随时采集）和接受终端上报的各种异常事件，具有远方抄表功能，负责主站应用系统与终端之间的数据信息交换。
主控子系统主要是对负荷的控制管理，通过对终端的集中管理，实现对客户侧配电开关的控制操作，达到调整和限制负荷的目的。
包括系统主站对终端的远方遥控操作，以及系统主站设置功控、电控投入，终端完成的当地闭环控制。
用电管理子系统完成电量数据管理、电能质量分析、配变运行状况分析、用户用电计划考核（错峰用电管理）、负荷/负荷率分析、停电管理、报警管理，用户负荷运行实时监视，防窃电分析、负荷预测、预付售电和电费自动结算等功能。
信息发布子系统用于向用户发布各种信息，便于用户查询。
包括档案信息、用电信息、配变运行状况信息、用户用电计划考核信息等，来实现信息数据共享。
接口管理子系统完成与其它应用系统接口，使主站应用系统中工作数据库与发布数据库之间数据同步。
系统管理子系统主要对系统参数设置管理、终端管理、操作\运行管理。
参数管理包括负荷控制率、终端数量、通信速率、行政区划码、系统时段等参数的制定和修改，系统操作员、管理员的管理，通信情况统计分析。
终端管理模块包括终端用户的增加、修改、挂起与删除，对终端用户的各种档案信息、参数的设置与修改，终端用户的一次接线图编制与修改。
操作\运行管理模块详细记录每日上下班日志、限电操作日志、系统运行日志等。
3.2主控软件的功能设计实现
根据负荷管理系统的功能实现，下面对系统设计实现中的一些重点功能进行详细设计介绍。
通信处理：
通信涉及到工作站与前置机间的网络通信以及前置机与终端间的无线通信。
其中，前置机作为各工作站与终端通信的转发器，其通信处理模块的设计非常重要。
由工作站下发的遥测、遥信、遥控命令以及参数、定值设置命令等，先通过网络发送给前置机，再由前置机通过无线通信网络发送至终端，终端据此完成数据采集、远方抄表以及负荷控制等任务。
返回的数据也是经由前置机转发回工作站进行处理。
通信过程采用异步串行方式，遵循系统提供的通信规约，利用规约组成各种命令的帧格式，发送和接收数据信息帧并进行数据处理。
为保证通信的正确性，对接收的数据要进行判断和校验，只有正确的数据格式才能接受处理，对通信失败和超时做出相应的处理。
通信处理的流程如图3-2所示：
图3—2通信处理流程图
定时任务处理：
利用时钟中断技术执行系统定时任务，根据与时钟相关的系统状态，完成定时刷新屏幕，定时通信及定时产生各种操作记录和事件记录等任务。
如定时数据采集的处理过程中，定时任务生成模块首先制定定时方案，包括定时方式、任务内容和任务优先级等，然后根据实际情况为各个终端选择定时方案，最后将定时方案内容存入数据库。
在定时器处理函数中，扫描所有终端的定时方案，根据系统时间对定时方式中的条件进行判断，当定时条件满足时根据定时方案的具体内容生成定时任务。
同时，对已经生成的多条定时任务进行合并，防止重复。
定时任务处理的流程如图3-3所示：
图3—3定时任务处理流程图
数据库存储设计：
包括实时数据库和历史数据库，为各个软件模块的运行提供实时或历史数据。
采用如下技术：
测点基本信息采用静态表，如终端参数、一次接线图信息等；
测点记录采用横表结构，消除数据冗余，提高存储空间的利用率；
测点实时数据采用动态表记录，根据测点静态表，动态创建新的测点数据记录表。
采用横向表结构和动态数据存储模式对于数据的长期性存储、及时的历史数据查询、后台数据分析和数据挖掘的应用是非常有利的。
数据库存储表结构如图所示：
表3-1测点信息纵表结构
测点ID
测点名
度量单位
上限值
下限值
标记1
标记2
表3-2测点记录横表结构
时间戳
字段0
字段1
字段2
...…
字段n
（测点ID）
TimeStamp1
TimeStamp2
……
TimeStampN
画面生成与显示：
采用自主开发的电力系统通用图形编辑系统，能够自动进行一次接线图作图，同时具有实时数据动态显示、设备参数显示、历史曲线趋势显示以及多画面对比显示等功能。
具有数值、棒图、曲线图、饼图等多种显示方式，可以显示负荷曲线、功率曲线、电流、电压曲线、线损率曲线、用电计划曲线等多种曲线。
从而完成对用户用电负荷情况的动态监视以及历史趋势分析。
数据共享与Web信息发布：
系统中积聚的大量用户用电实时数据,成为众多部门管理和决策必不可少的依据。
如:
终端安装维护人员要求掌握各终端的日常运行情况；
用电营业部门需要及时掌握大中用户的抄表数据；
生技部门需掌握用户端各路进线的电压和谐波情况；
调度SCADA和配网系统则需了解柱上开关、配电房集中监控方面的数据；
省局用电处和局内各有关领导能够按个人所需随时查看所辖大中用户的每日用电情况等。
这些都要求负荷管理系统成为一个以信息共享为主的“综合开放”系统。
系统实现了基于IP地址控制的数据访问控制和网络信息发布功能。
为了使访问者查找方便,系统支持对用电用户的组合查询和模糊查询。
在此基础上，可以对用户信息、抄表数据、整点巡测数据、日/月功率曲线、电压曲线、交采对比曲线、谐波含有率曲线、月功率因数曲线等进行浏览，满足各部门的不同需要，实现信息共享。
系统是围绕着需求侧管理,集现代数字通信技术、计算机软硬件技术、电能计量技术和电力营销技术为一体的综合性的实时信息采集与分析处理系统。
另外，系统Web服务器通过路由器和防火墙接入Internet，以网页的形式向用户发布当日或历史负荷曲线图、当前电网实时峰谷平电量、当前实时电价、停电检修信息等，使用户自觉避峰就谷用电。
第四章无线技术在现在电力负荷管理中的应用与展望
无线技术综合了、嵌入式计算技术、无线网络通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过无线方式实时监测、感知和控制对象。
通过嵌入式系统对信息处理和随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将信息传送到终端用户，从而实现“无处不在”理念[1]。
无线测控网络具有简化的系统布线、一次构建成本低、扩展性强、灵活性大、网络组建简单等优点。
4.1现阶段各种无线技术特点及应用
4.1.1现阶段无线传输标准和方式
现阶段无线传输的标准及方式主要包括：
IrDA、Wi-Fi（IEEE802.11b）、Bluetooth（IEEE802.15.1）、ZigBee（IEEE802.15.4）、超宽频（UWB）、RFID这些应用于近距离和GSM/GPRS/CDMA、GPS、卫星遥感等中长距离的无线数据传输方式。
IrDA是利用红外线进行点对点通信的技术，具有通信成本低廉和传输上安全性高的特点。
其不足在于是一种视距传输；
相互通信设备之间必须对准；
只能用于2台设备之间的连接。
Wi-Fi（WirelessFidelity，IEEE802.11b）通信协议，是以太网的一种无线扩展，能以最高约11Mb/s的速度接入网络。
蓝牙（Bluetooth，IEEE802.15.1）技术的传输频段为全球公众通用的2.4GHzISM频段，能够提供时分双工的1Mbps的传输速率和10m的传输距离，可实现全双工传输。
ZigBee（IEEE802.15.4）工作在无须注册的2.4GHzISM频段，数据速率为20～250kbit/s，最大传输距离为75m。
UWB为无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，所占的频谱范围很宽。
适用于高速、近距离的无线个人通信。
RFID（RadioFrequencyIdentification）是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。
森哲实验室首席科学家弗格森认为RFID是一种突破性的技术[2]。
GPRS是通用分组无线业务（GeneralPacketRadioService）的英文简称,它是利用“包交换”（Packet-Switched）的概念所发展出的一套无线传输方式。
GPRS是包括GSM在内新的分组数据承载业务，它可以与Internet以GGSN（GatewayGPRSSupportNode，网关支持节点）相连，构成“中心计算机—多个用户点”的组网方式。
具有资源利用率高、传输速率高、支持IP协议和X.25协议和网络覆盖广等技术优势。
这里我们重点介绍GPRS。
4.1.2GPRS系统具有的特点
1.GPRS系统的优点
（1）适合于大数据量通信。
这是因为GPRS本来就是为大数据量通信进行设计的,它不象短消息（GSM）那样对一条报文有长度限制（140字节）,可以以几k、几十k的长度进行通信。
（2）覆盖区域面相对较广。
系统组网范围与GPRS覆盖范围相同。
（3）实时性较高。
GPRS是基于网络的,其通信可以使用TCP/IP协议。
如终端在线的情况下,其延时是很短的。
2.GPRS系统存在的不足
（1）系统可靠性方面:
由于移动部门对其GPRS网的设计依据是采用不饱和运行设计,即如果本地区有10000个GPRS用户,其GPRS网络饱和容量最多只允许3000个用户同时在线。
这是因为移动部门要考虑其网络建设的投资效益（其网络建设的投资费用是相当庞大的）,同时他们认为不可能出现所有用户都同时在线。
因此为保证其在线用户都能有数据流量从而为移动公司带来经济效益,电信部门采取将15min未发生数据通信的在线手机脱离GPRS网的技术手段,以便其充分利用信道。
为此GPRS终端必须始终检测自身是否在线,一旦离线终端必须立即重新上线,上线后必须立即将自身新的IP地址上报主站,否则就有可能错过主站此时下发的停、送电指令。
由于上述原因,如果某一时段GPRS用户在线率很高,终端就有可能在此时段无法登录GPRS网,从而错失主站此时下发的停、送电指令。
由此可以得出结论,即利用GPRS网进行数据传输的负控系统的可靠性受限于终端的在线率。
（2）运行费用相对较高:
由于230M无线专网运行费用主要是无线电管理委员会收取的频道占用费每频点每年1000元。
而GPRS按流量计费,每台终端每月最低需5M,按终端计费为20～100元。
GPRS信道终端设备长期挂在网上,只要不发生数据通信就不会发生费用。
但终端设备必须随时监视网络状况,一旦发现掉网马上重新连接上网并同时将自己新的IP地址上报主站,从而增加了数据流量,而此部分流量费用也需由用户支付。
所谓的包交换就是将Data封装成许多独立的封包,再将这些封包一个一个传送出去,形式上有点类似寄包裹,采用包交换的好处是只有在有资料需要传送时才会占用频宽,而且可以以传输的资料量计价,这对用户来说是比较合理的计费方式,因为像Internet这类的数据传输大多数的时间频宽是闲置的。
此外,在GSMphase2+的标准里,GPRS可以提供四种不同的编码方式,这些编码方式也分别提供不同的错误保护（ErrorProtection）能力。
利用四种不同的编码方式每个时槽可提供的传输速率为CS-1（9.05k）、CS-2（13.4k）、CS-3（15.6k）及CS-4（21.4k）,其中CS-1的保护最为严密,CS-4则是完全未加以任何保护。
每个用户最多可同时使用八个时隙,所以GPRS理论上的最高传输速率为171.2kbps。
GPRS是在第二代无线通信系统GSM基础上发展起来的,将GSM网络为数据流的传输增加了支持分组交换的网络系统设备,第三代无线通信系统将会在GPRS的基础上进行更进一步的技术进步与发展,全面支持高速、宽带的多媒体数据传输。
也就是说,GPRS是介于第二代和第三代之间的一种网络技术,也就是一般称为的2.5代。
GPRS网为移动数据用户主要提供突发性数据业务,能快速建立连接,无建链时延。
GPRS特别适用于频繁传送小数据量的应用和非频繁传送大量数据。
其作为2.5代通讯技术,在可靠性、安全性上需要有更大的提高。
全球定位系统（GPS）是导航卫星测时和测距/全球定位系统的简称。
GPS技术能够实时、快速地提供目标物体的位置和海拔高度。
它与卫星遥感技术相结合可以做到定向与定位获取信息，并能起到定向导航的作用。
这正是遥感技术实施空间定位，用于解决电力行业中诸多问题的一个十分重要的关键技术。
4.2无线技术在现代电网中的应用
4.2.1输配网管理
电力系统的配网管理涉及电网的空间分布和内部状态变化等复杂问题，信息系统是支持配网管理的基本手段。
传统配网管理信息系统基于表格形式表现对象属性，无法反映描述对象的空间联系和系统的空间分布模式。
地理信息系统（GIS）能够有效描述二维空间问题，将GIS技术引入配网管理信息系统将极大地扩展管理信息系统的描述能力和表现形式。
国内在这个方面的研究已经开展多年，有很多投入实际运行的系统。
GIS在电力系统中的应用重点已逐步向输电系统转移，并由三维图象向四维图象。
并在GIS系统开发前确定了新的技术目标：
1）系统的信息处理实现安全、共享，具
有数据备份；
2）系统采集及时、准确、可靠、适用；
3）信息传输迅速、完整、安全、灵活；
4）各项数据查询的平均响应时间要达到一定指标。
在配电自动化系统中配电网监控中，配电监控系统中关键问题是通信。
传统的通信手段包括电力载波、双交线、光纤、专用无线电台等，它们各自都有自己的局限性。
现在随着GSM、GPRS的通信发展，基于无线公网和移动互联网的通信方式得到了大家的关注，成为故障定位系统、抄表、配变监测等系统的通信通道的新选择。
4.2.2管理信息系统
电力信息管理系统基本组成一般包括：
发电设备管理系统，发电作业管理系统，维护工事管理系统。
其中发电设备管理系统包括机器规格管理和定期检查管理等子系统。
目前无线网络的在各个子系统都可以见到其应用的项目。
利用MAPGIS电力信息系统的数据组织和网络结构，通过分析系统的主要技术方案和功能结构，可以开发出系统开发提供了新的解决方案：
中心服务器上存放全局地理底图和电网数据，包括电网空间数据、图形数据和属性数据，客户端通过内部网络访问服务器，变动信息也通过内部网络传送给服务器，系统实现了数据的实时性和各客户端访问数据的一致性。
GPRS无线技术还可以为远程设备进行数据采集和监控的系统提供解决方案，以及在此基础上针对电力系统实际应用环境设计的安全功能。
这种方法很好的解决了远程监测系统的通信问题。
并且在对当前几种抄表系统进行分析比较的基础上，证明了无线射频抄表系统的可行性与优越性。
4.2.3电力系统通信
电力系统通信是电力系统不可分割的组成部分，它为电力调度、电力生产指挥和企业管理提供直接的电话服务，还为电力系统的远动、继电保护、调度自动化及会议电话业务计算机通信等提供传送信息和控制信号所必须的通道，如何保证这些传输通道的可靠性和传输质量，是电力通信建设和管理工作面临的重要任务，因此，电力通信的正常与否直接关系到电力网的安全经济运行，维护电力通信的畅通和符合质量的信息传输，离不开对通信设备和通信电路进行及时的监测和维护。
目前，光纤通信和微波通信现在仍然是电力系统主要的通信手段。
但由于无线光通信的种种优点，目前已经逐渐开始关注无线光通信技术。
并在在电力系统通信的一些应用环境进行研究与测试。
与光纤通信微波通信方式相比较，无线光
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