工程硕士学位论文样例.docx
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工程硕士学位论文样例
论文题目：
无线通信技术在城市电网监控系统中的应用分析与设计
专业：
计算机应用技术
硕士生：
成峰波（签名）
指导教师：
龚尚福（签名）
摘要
电力能源作为重要的能源之一，社会对电力工业保证电力能源供应质量有着极高的要求。
在电网中，二次设备构成的系统一般称为监控系统，负责对一次设备的工作状态进行采集及控制。
建设完备的电网监控系统其核心目的就是为了使电力部门及时监视电网的运行状况，通过分析计算，不断优化调整电网运行状况，进而保证供电质量。
本文所研究的是集嵌入式计算机技术、微波通信技术为一体的无线通信子系统在城市电网监控系统中的应用分析与设计，从软件、硬件和可靠性三个方面进行探讨和研究，对保障城市电网监控系统的通信畅通起到非常重要的作用。
本课题采用WiFi和ZigBee设备分层次混合组网的体系结构。
通信系统可以分为三层：
底层通信网络设备分散于电网二次设备侧，采用ZigBee技术完成二次设备电网信息的数据远传功能；中间层通信网络设备采用WiFi技术，通过串口－以太网转换器连接底层通信子网络，采用标准以太网接口与中心层有线局域网联网；中心层通信子网由必要的光端机、交换机、路由器构成，完成机房局域网与前两层通信网的互联。
同时，文章还给出了系统的可靠性和抗干扰的措施，使系统能够稳定可靠地工作。
本文的主要工作和研究内容如下：
⑴ 电网监控系统通信的具体需求分析，为系统的设计提供科学依据。
⑵ 通信组网方案编制，进行整体设计,将硬、软件按实现的功能划分成不同的子网。
⑶ ZigBee通信设备的开发，设计硬件电路及画PCB板。
⑷ ZigBee通信设备的嵌入式软件开发。
⑸ WiFi设备的选型。
⑹ 联机调试及系统优化。
关键词：
城市电网；监控系统；WiFi；ZigBee；嵌入式；抗干扰
研究类型：
应用研究
Subject:
AnalyseandDesignofWirelessCommunicationsNetworkForurbanpowergridMornitingandControlSystem
Specialty:
Theapplicationofcomputer
Name:
FengboCheng（Signature）
Instructor:
ShangfuGong（Signature）
ABSTRACT
Corepurposestobuildingacompletepowergridmonitoringsystemistomaketheelectricitysectortimelysurveillanceoperationofthepowergridandconstantlyoptimizetheoperationofpowergrids,inturnguaranteethequalityofpowersupply.Inthispaper,thestudyiswirelesscommunicationssubsystemsintheurbanpowergridmonitoringsystem.
AnalysisanddesignusesWiFiandZigBeemixednetworkingequipmentinahierarchicalarchitecture.Communicationssystemscanbedividedintothreelayers:
theunderlyingcommunicationsnetworkequipmentswhichpoweredbyZigBeetechnologyscatteredaroundthegridsecondaryequipmentside;middlelayercommunicationsnetworkequipmentsusedWiFitechnologyinstalledinthepowergridtoconnectedunderlyinglayercommunicationsnetwork;centerlayerofthecommunicationnetworkComposingbythenecessaryfiberoptictransmissionmachine,switches,routers.Finally,thearticlealsogivesthereliabilityofthesystemandanti-jammingmeasures,allowingthesystemtobestableandreliablework.
Themainworkandresearchasfollows:
⑴analysisthespecificcommunicationneedsforthepowergridmonitoringsystem.⑵communicationsnetworkprogramming.⑶ZigBeecommunicationsequipmentdevelopment.⑷ZigBeecommunicationsequipmentembeddedsoftwaredevelopment.⑸WiFiequipmentselection.⑹onlinedebuggingandsystemoptimization.
Keyword:
UrbanpowergridMornitingandcontrolsystemWiFiZigBee
EmbeddedmicrocomputerAnti-jamming
Thesis:
ApplicationResearch
目录
1绪论1
1.1选题的背景及研究的意义1
1.2国内外城市电网监控系统通信技术现状2
1.3本课题的主要工作2
2城市电网监控系统的通信需求分析4
2.1城市电网的特点4
2.2城市配电网自动化改造现状4
2.3自动化监控系统的通信需求5
2.3.1自动化远动信息的通信需求5
2.3.2自动化电量集抄信息的通信需求7
2.3.3其他自动化管理信息的通信需求7
2.4城市电网监控系统的通信系统环境分析7
2.4.1通信系统工作电源条件7
2.4.2通信系统架设走廊条件8
2.4.3通信系统使用无线信道的频率许可8
2.5本章小结9
3城市电网监控系统的无线通信系统总体概述11
3.1系统结构11
3.1.1底层通信网络11
3.1.2中间层通信网络12
3.1.3中心层通信网络13
3.2系统设计采用的技术路线和设计思想14
3.2.1底层通信子网络的设计14
3.3本章小结15
4底层通信子网络ZigBee通信模块的硬件设计16
4.1ZigBee技术介绍16
4.2电路绘制软件介绍16
4.3电路介绍17
4.4使用芯片介绍17
4.4.1CC2430芯片17
4.4.2RS485接口芯片19
4.4.3射频功率放大芯片20
4.5控制电路20
4.6通信接口电路21
4.7功率放大电路22
4.8电源电路22
4.9本章小结26
5底层通信子网络ZigBee通信模块的软件设计27
5.1IAREmbedded开发系统介绍27
5.2IEEE802.15.4协议栈和标准ZigBee协议介绍28
5.3IEEE802.15.4协议栈的移植31
5.4精简ZigBee协议的实现32
5.4.1网络的建立33
5.4.2路由设计与实现33
5.5模块应用层软件实现34
5.5.1初始化功能35
5.5.2路由判断功能35
5.5.3数据发送功能35
5.5.4处理网络变化36
5.6本章小结36
6底层通信网络的应用设计37
6.1网络参数的确定方法37
6.2网络协调器工作可靠性的保证措施38
6.3ZigBee模块内部运行参数的确定方法38
6.4本章小结39
7中间层通信网络的设计40
7.1通信汇接设备选型40
7.1.1RS485-RS232通信协议转换装置40
7.1.2RS232-Ethnet协议转换装置41
7.2WiFi通信设备选型41
7.3本章小节42
8中心层通信网络的设计43
8.1以太网交换机选型43
8.2防火墙设备的选型43
8.3本章小节44
9设计的实际应用和优化45
9.1应用工程简介45
9.2应用配置情况45
9.2.1玉十二线路修复配置45
9.2.2朝四和朝十路修复配置45
9.2.3金七线修复配置46
9.3实际应用效果46
9.4应用中对设计的优化46
9.4.1ZigBee通信模块的功率控制优化46
9.4.2WiFi设备的无线链路调整47
9.5本章小节47
10结论48
10.1本课题所做工作48
10.2下一步要做的工作49
致谢50
参考文献51
附录53
1绪论
1.1选题的背景及研究的意义
电力能源作为社会生产中重要的能源之一，社会对电力能源的依赖程度一直保持着较高的水平，因此对电力工业保证电力能源供应的质量有着极高的要求。
在现代社会中，供电质量的好坏，不仅反映一个国家或地区人们的生活质量、水平和投资环境的好坏，更是影响经济发展的重要因素，它决定着工业发展的方向、规模。
只有实现电网自动化，通过电网监控系统的辅助管理功能，才可能最大限度地提高供电质量，满足人们日常生活工作与生产的需要。
这一点，在人口密集、工业高度集中的城市中尤为重要。
随着国民经济持续高速增长，人民生活水平不断大幅提高，社会对城市电力能源的需求与日俱增。
而与此不对应却是城市电网相对成为整个国家电网的薄弱环节：
供电线路配电能力不足，在用电高峰期经常出现大面积拉闸限电；设备陈旧落后、检修任务繁重、人工查询故障、一点故障全线停电、恢复供电速度慢，造成城网供电可靠性较低，即使是相对较好的大城市市区的供电可靠性也仅为99.90%左右，用户年平均停电时间约为8.76h。
而发达国家的配电网在70年代就实现了线路的自动查寻并隔离故障和灭弧介质的无油化，之后又一直保持了久盛不衰的配电自动化发展浪潮。
目前已实现了以“四遥”为特征的计算机实时控制，使配电网处于安全可靠、经济优质的运行状态。
国外现代化大都市的供电可靠率可达99.99%以上，用户全年平均停电时间仅几十分钟。
我国城市电网急需进行现代化改造。
在这样一种大形势下，国家投资开始了大规模城市电网改造，兴建了大批城市电网自动化监控系统。
电网监控系统是一个综合了微电子技术、计算机技术、通信技术为一体的系统，微电子技术主要解决电网状态采集的功能，设备形式为RTU、FTU、TTU或综自等信号采集设备、微机保护设备、电量采集终端及集中设备。
电网状态信号经过采集设备转换为数字信号形式送往控制中心计算机进行分析处理，而通信系统正是解决数字信号传输的必经环节，因此，通信系统设计在电网监控系统中具有重要的基础作用。
没有可靠稳定的通信系统作支撑，采集设备产生的能够反映电网状态的信息只能存在于电网的各个生产就地，仅能成为“信息孤岛”，不能有效进行全面、综合的集中处理，一方面造成投入巨资建成的监控采集设备能力闲置，另一方面，电网的集中控制以及优化调管也无从谈起，甚至会极大威胁电网的安全运行，造成不可预料的社会影响。
因此，为解决监控系统通信的可靠性，电力行业历来在电网建设中把通信系统建设放在重要位置。
1.2国内外城市电网监控系统通信技术现状
国内外以往在实施电网监控系统时采用的通信技术方案主要有三种：
一、充分利用电网架空电力线为传输载体，采用电力线载波通信技术实现通信；二、利用电网架空线路或电缆沟道的架设走廊，广泛使用通信电缆、光缆等通信技术实现通信；三、采用大微波技术实现通信。
这三种通信技术方案各有特点且应用范围也有特定限制。
电力线载波方案要求有35kV以上电压等级的架空电力线作为传输载体，仅用于长途高压输电线路上电网的通信。
而在以10kV电网为主的城市配电网（含10kV电缆电网）、以0.4kV电网为主的用户侧电网，电力线载波技术因为技术难题而没有应用可能；通信电缆、光缆等有线通信技术虽然没有严格的技术障碍，理论上讲在任何环境下均可应用，但从实施角度讲则存在架设走廊的限制和成本较高的不足，体现在城市电网通信架设走廊的建设速度不能跟上城市电网的建设速度，造成电网建设大规模开展与通信架设走廊不足的巨大反差，同时，城市的快速建设过程中因为城市形象、市政设施实际需要而造成的较高的规划变更率也进一步压缩了已有的电网通信架设走廊，更加剧了监控系统通信架设走廊的不足；而大微波通信技术虽然有传输带宽、传输距离和成本的优势，但受微波传输特点的限制，一般仅应用于城市以外的长距离骨干通信网建设。
由上述可知，城市电网监控系统系统通信方案实现面临着前所未有的挑战，已经采用的成熟通信技术或多或少受到城市环境的限制不能再更大规模地建设，而与城市经济快速发展所适应的电网建设却必须并且已经毫不间断地铺开。
这种形式要求，作为保证电网安全、经济运行必要手段的电网监控系统必须及时跟上电网的建设速度，而通信系统又作为其重要组成部分，也需要拓宽建设思路，引入新型无线通信技术等适合城市环境的通信技术方案以加快通信系统建设。
这些技术方案更加适应城市电网监控系统对通信的需求，可以成为监控系统建设可选的技术方案。
因此新型无线通信技术在城市电网监控系统的应用分析与设计工作的开展已经刻不容缓。
1.3本课题的主要工作
在城市电网监控系统建设中，找到符合城市电网改造环境要求，满足监控系统通信需求，同时具有较高性能价格比的通信技术方案，成为本课题的主要目标。
而WiFi、ZigBee等新型无线通信技术的兴起和逐渐成熟，为解决这一主要目标提供了新的研究方向。
基于上述分析，本课题围绕新型无线通信技术在城市电网监控系统中的分析与设计，主要作了以下的工作：
⑴ 电网监控系统通信的具体需求分析，为系统的设计提供科学依据。
⑵ 通信组网方案编制，进行整体设计,将硬、软件按实现的功能划分成不同的子网。
⑶ ZigBee通信设备的开发，设计硬件电路及画PCB板。
通过ProtelDxp软件绘制硬件电路原理图和PCB图
⑷ ZigBee通信设备的嵌入式软件开发。
用单片机的C51语言按功能模块进行单片机程序设计，实现ZigBee协议栈及应用层协议开发。
⑸ WiFi设备的选型。
根据组网的具体需求，选择具有桥接功能的企业级户外无线路由器设备。
⑹ 联机调试及系统优化。
2城市电网监控系统的通信需求分析
2.1城市电网的特点
城市电网一般由两部分组成：
分布于城市外围的高压输电网和主要分布在城市城区的10kV及以下电压等级的配电网。
高压输电网作为配电网的电源点，主要由相互联网的330kV、110kV变电站构成。
高压输电网建设的原则是电源点分布合理，能够满足配电网的电力输送容量要求并且适当控制供电半径，同时在布点和容量规划上适度超前，能够保证满足未来一定时期电网发展的要求。
配电网主要由10kV架空线路或电缆构成城区供电主网络，通过分段/联络开关保证供电网络的可靠、灵活运行，同时通过配电变压器向用户提供0.4kV等级的电能，0.4kV电力通过低压导线配送到户。
以西安城市电网为例，西安城市电网中输电网由分布于城市东、南、西、北郊区的7座330kV和78座110kV变电站构成，并且输电网的规模根据负荷增长速度以每年1～2座330kV变电站和6～8座110kV变电站的规模不断扩充；西安配电网则由389条10kV配电线路（其中包含88条电缆线路）构成，平均每年新增配电线路近60条。
高压输电网由于在整个电网中处于重要地位，所以在建设初期其自动化水平就较高，并且与电网建设同步完成了以光环网为基础的通信骨干网建设，基本解决了电网自动化监控系统的通信需求。
所以，目前城市电网自动化建设的主要方向在城市配电网自动化改造。
2.2城市配电网自动化改造现状
目前城市配电网自动化改造主要包括架空线路自动化改造和电缆线路自动化改造。
但是随着城市的发展，架空线路的新增数量逐渐较少，新增10kV线路多以电缆线路为主。
城市郊区原有架空线路基本保持已有规模，城市中心区域的原有架空线路也逐步被电缆线路取代。
从整体上看，大中城市配电网自动化改造将以电缆线路自动化改造为主，架空线路自动化改造为辅，当然其他小型城市也有以架空线路自动化改造为主的情况，但本文将侧重大中城市配电网自动化改造的论述，小城市配电网自动化改造则不是本文讨论的重点。
架空线路的自动化改造包括电力线路的绝缘化改造和柱上开关的自动化改造，其中绝大多数柱上开关将更换为真空智能开关，同时通过装设FTU实现遥测、遥信、遥控功能，FTU需要与控制中心进行通信以完成数据远传和控制命令接收。
电缆线路自动化改造则有两种主要实施方案：
基于开闭所自动化的改造方案和基于电缆环网柜/高压分支箱自动化的改造方案。
基于开闭所自动化的改造方案是一直以来城市配电网自动化改造的主要方案，这种方案采用在负荷中心区域建设开闭所，由开闭所向负荷区域提供多回10kV出线输送电力，可以有效减少变电站的出线间隔，解决变电站出线走廊的限制问题，10千伏开闭所的母线成为变电所母线的延伸。
10千伏开闭所从中起到一个中转站作用。
10千伏开闭所同时有来自不同变电所或同一变电所不同10千伏母线的两路或多路相互独立的可靠电源，以确保重要用户的可靠供电，同时在条件具备时，10千伏开闭所之间可以通过电源进线实现环网。
电网10千伏开闭所的合理设置，可加强对配电网的控制，提高配电网运行的调度灵活性。
遇城网设备检修或设备发生故障时，10千伏开闭所操作灵活的优势就能体现出来，最终使停电范围缩小到最小。
基于环网柜自动化改造方案则是通过在电缆线路沿途建设环网柜/高压分支箱的方式，实现一条电缆线路向多个负荷区域分散供电以及多条电缆线路的联络，在环网柜内安装智能开关、电缆故障指示仪，同时可以安装DTU完成遥测、遥信、遥控功能，DTU需要与控制中心进行通信以完成数据远传和控制命令接收。
可以看出，环网柜自动化改造方案是在借鉴开闭所自动化改造方案供电方式灵活、网络可靠性高优点的同时，避免了开闭所建设占地过多、投资较大的缺点，可以根据负荷分布特点灵活加以规划，更加适应城市中心区域环境的要求，从而有很好的可行性和经济性。
在大中城市郊区以及小型城市仍然存在开闭所自动化改造和环网柜自动化改造相结合的实施方案，但同样，这种方案也不作为本文研究的重点。
大中城市配电网自动化改造中，不论架空线路自动化改造还是电缆线路自动化改造，为从总体上降低电网线损，在网络结构设计方面均遵循线路供电半径适中的原则，一般线路长度不会超过5公里。
线路分段一般不超过4段。
同样以西安城市配网网架数据为例，全部389条10kV线路的平均长度为3.25公里，平均每条线路分段数为3.6段，平均每分段的距离为0.902公里。
2.3自动化监控系统的通信需求
由城市配电网自动化改造的内容，我们逐一分析自动化监控系统的通信需求。
这些需求包括以下几个方面：
2.3.1自动化远动信息的通信需求
城市配电网自动化监控系统，不论采用架空线路自动化改造实现还实采用电缆线路自动化改造方式实现，在其自动化远动方面的核心功能，无非是三类：
对架空线路安装的柱上智能开关或电缆化线路环网柜/高压分支箱中安装的智能开关进行遥测、遥信信息采集和遥控控制，这是第一类；对10kV沿线安装的公用配电变压器或重要用户（含部分高压直供用户）侧安装的电能监测单元进行遥测、积分电量、电能质量等信息的采集，同时预留必要的控制输出功能，这是第二类；对开闭所，以及部分未完全实现自动化改造的10kV线路电源点（10kV以上变电站）实现10kV电压等级的遥测、遥信采集及遥控控制。
这三类自动化远动功能的实现首先需要必要的自动化设备，包括具有智能采集接口的一次设备和具有数据采集和数据远传接口的自动化二次设备。
通信系统在这部分的功能就是要将自动化二次设备采集的遥测、遥信信息通过其提供的通信接口最终上传至控制中心，同时能够通过将遥控命令及必要反馈结果在控制中心和自动化二次设备间的双向传送而实现遥控控制功能。
目前，电网中投运或计划投运的自动化二次设备均能提供RS232或RS485通信接口，在开闭所或环网柜等设备中也有同时提供以太网网络接口的设备。
自动化二次设备提供的通信规约也有主动上报和召唤式的区别。
实际工程应用中使用哪种通信接口，主要取决于通信实时性要求和设备当地的通信条件。
在满足设备通信实时性要求的情况下，选取满足工程环境要求、工程造价综合评判较优的通信方式。
对第一类和第二类通信需求，因为二次设备采集的信息数量比较少，通信数据流量较小，设备的通信规约多见为召唤式规约，但通信设备需要根据二次设备的地理分布而布置，所以数量较多，沿电力线路较为分散，因此采用RS485通信方式较为可行。
RS485通信方式可以将线路沿线或相邻线路的二次设备组成总线，首先统一传送至中心站所，最终通过通信网络传送至控制中心。
RS485总线式通信采用双向单工通信方式，如果使用屏蔽双绞线作为传输介质，一般在每个总线理论上可以挂接256个通信节点设备，但考虑通信可靠性要求后，一般挂接设备不多于35台。
在此情况下，9600bps的通信速率就完全能够满足通信实时性指标要求。
速率过高，反而不利于抵抗环境干扰，影响通信系统可靠运行。
RS485总线式通信衡量实时性的估算方法为：
假定t1为总线通信速率，为9600bps；
s1为通信数据报的最大字节数，常见为40字节；
t2为通信设备数据传送的传送时间；
t3为确保通信设备正常处理通信任务的延时时间，一般为4ms;
n为通信总线上的通信设备数量；
t4为自动化远动通信的实时性指标时间，一般为5S
则，t2=s1*11/t1=45ms
t4=（t2+t3）*2*n，
根据计算，在给定的参数条件下，n为50，即，总线通信设备数量在不大于50的情况下，即可保证通信的实时性指标。
这一估算方法仍然适用于采用无线通信方式通过RS485接口进行通信的通信网络的网络容量计算。
第三类通信需求，因为二次设备采集的信息数量比较多，通信数据流量较大，因此采用RS232或以太网网络通信方式可酌情选择。
但因为这类二次设备与控制中心为点对点通信，不存在总线延时和轮巡等待时间，因此如采用RS232通信接口，通信速率9600bps即可满足时实性指标；若采用以太网网络通信方式，则网络带宽2Mbps即可满足时实性指标。
2.3.2自动化电量集抄信息的通信需求
自动化电量集抄信息的通信主要集中在开闭所、变电站或重要的环网柜内。
主要实现对智能电能表实现电量数据的采集远传。
一般在站内（开闭所、变电站或重要的环网柜内），为了实现多台电能表的数据采集，所有电能表均通过RS485首先组成就地通信总线，接入电量集抄器，由电量集抄器定时轮巡召唤采集各个电能表的电量数据，统一通过电量集抄器的远传通信接口进行数据远传。
因此，在各个站内，电量集抄信息的数据点较多，通信流量也就相应较大。
电量集抄器一般能够提供多个或以太网网络接口。
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