基于无线通信网络的电力负荷管理系统研究及实现课程设计.docx

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基于无线通信网络的电力负荷管理系统研究及实现课程设计

课程设计说明书

课程名称变电工程课程设计

题目

学院

班级

学生姓名

指导教师

日期

课程设计任务书

课程设计名称变电工程课程设计学生姓名

设计题目基于无线通信网络的电力负荷管理系统研究及实现课程设计

一、课程设计目的

专业课程设计，一方面使学生获得综合运用学过的知识进行电力变电所、牵引变电所各主要元件的保护设计及整定和保护设备的选型的基本能力，另一方面能巩固与扩大学生的电气综合设计知识，为毕业设计做准备，为后续课程的学习及今后从事科学研究、工程技术工作打下较坚实的基础。

学生通过专业课程设计，应在下述各方面得到锻炼：

1.掌握变电工程及继电保护方案的确定原则，整定计算的一般步骤，了解系统运行方式的确定，保护整定系数的分析与应用，前后级整定配合的基本原则；

2.掌握保护、控制、测量、信号回路阅读和设计基本方法；

二、设计要求 

本课程设计题目为：

基于GPRS的电力负荷管理系统的研究和设计，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”中查找学习相关保护设备的选择和一般的维护。

三、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。

五、主要参考文献

1.崔家佩.《电力系统继电保护及安全自动整定计算》.北京：

中国电力出版社，2006

2.张保会，尹项根.《电力系统继电保护》（第二版）.中国电力出版社,2009

3.许建安.《继电保护整定计算》.北京：

中国水利水电出版社，2003

4.李光琦.《电力系统暂态分析》（第三版）.北京：

中国电力出版社，2007

5.刘键.《配电自动化》（第二版）北京。

中国水利水电出版社，2009

指导教师签字：

2016年03月09日

摘要

近些年来，电力系统的快速发展对继电保护不断提出新要求，电子技术、计算机技术的飞速发展同时为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力。

电力负荷管理是对用电负荷进行有效的监测和分析，及时处理发生的故障，加强对不规范用电客户的发现和查处。

其目的是提高供电可靠性和供电质量，从而提高发电、供电和用电设备的利用率，达到电网的安全和经济运行，提高投资效益，电力负荷管理系统目前采用的光纤、电话线和电力载波等通信方式，存在布线施工难、建设成本高、运行维护不方便和可靠性差等一系列问题。

随着无线数据通信技术的发展，通用分组无线业务（GPRS）技术以其具有覆盖面广、通信可靠、通信费用低廉和免维护。

本文设计了一种基于GPRS技术的电力负荷管理系统，实现电力负荷实时数据采集、实时监测、历史用电数据保存和电能表运行状态监测等功能。

为保证电力负荷管理系统的技术先进性和可扩展性，采用32位ARM处理器设计用户侧的电力负荷管理终端，以保证网络通信、负荷管理和数据存储等复杂功能要求。

关键词：

变电工程，GPRS技术，电力负荷管理

目录

第一章绪论1

1.1设计要求1

1.2设计内容1

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GPRS在电力负荷管理中的应用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13

4.2.1输配网管理13

4.2.2管理信息系统13

4.2.3电力系统通信14

4.2.4无线功率传输14

4.3无线技术在电网管理的展望15

4.3.1无线技术需要解决问题15

4.3.2前景15

第五章电力负荷管理系统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

第六章结论18

第七章参考文献19

第一章绪论

1.1设计要求

本课程设计题目为：

基于无线通讯网络的电力负荷管理系统研究和设计，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

电力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。

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