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基于WSN的电力信息流路由研究与软件设计

发布日期:2019-03-16 浏览次数[] 文章来源:未知

摘要
随着人类进入电力时代,电力持续稳定供应成为国民工业发展的重要保证,直接关系到国计民生,在这种背景下,国家电网公司对电力信息流路由研究软件系统提出了很多标准,现在通用的是IEC61850标准,该标准实现了基于WSN的电力信息流路由软件的的通信和建模,该标准为我国基于WSN的电力信息流路由软件的系统的标准化做出了重大贡献,通过查阅相关文献资料和请教指导老师得知,国内外在电力信息流路由研究与软件系统领域的研究还处于起步阶段,而且对电力信息流的相关测试多表现在继电保护和控制方面,虽然国内外相关专家学者也提出了一些方案,但是这些方案自动化程度低,测试流程随意性大,缺乏相应的规范流程,已经不适应现代电力信息流的监测需求,基于此,本文结合实际应用,设计并实现了一种基于WSN的电力信息流路由软件的系统。
本系统所做的主要工作简单说就是把接入系统的电力信息流的各项测试指标通过无线通信实时性的进行监测,对各个在线监测功能模块进行功能、性能以及通信协议测试一致性测试,保障系统的实时性和稳定性、准确性,本文通过查阅相关资料和请教指导老师,结合现有研究成果,提出了一种建立在UHF(特高频法)和无线传感器网络、协议整体一致性等方法技术上的在线检测系统,系统涉及的主要技术有无线传感器网络的构建、设备能效和建筑能效的考核及其检测计算技术、无线通信技术、射频技术和相关电力技术,本文合理整合这些技术,使这些技术融入到本系统,真正做到系统的监测稳定性、准确性和实时性。
本文所设计的系统采用模块设计法,对硬件和软件分别予以设计,对于每一个软硬件功能模块,先给出系统设计方案,然后给出实际运行截图,对每一个模块进行测试,最后进行系统总的测试,通过测试得知,系统运行稳定,可以实时在线采集电力信息流相关参数,综上,本系统具有较大的应用价值,可以实际推广使用。
关键字:路由研究;电力信息流;能效分析;无线传感器网络;无线通信技术
 
 
Radio and television launch with substation on-line monitoring and analysis of energy efficiency
Abstract
As humans into the era of power, steady power supply become the important guarantee of national industrial development, is directly related to national economy and people's livelihood, in this context, state grid corporation of substation on-line detection system put forward a lot of standards, is now universal IEC61850 standard, the standard implementation, the modeling of the on-line monitoring of transformer substation communication and the standard for the standardization of on-line monitoring system for substation in our country has made a significant contribution, through consulting relevant literatures and consult guidance teacher, for substation on-line detection system at home and abroad in the field of research is still in its infancy, and tests of the transformer substation performance in terms of relay protection and control, while the relevant experts and scholars at home and abroad are also put forward some solutions, but the low degree of automation, these solutions testing process optional the gender is big, the lack of corresponding specification process, is not to meet the needs of modern substation monitoring, based on this, combining with the practical application, designs and realizes a kind of radio and television launch with transformer on-line monitoring and analysis system of energy efficiency.
This system simply is to access the main work done by wireless communication system of substation in all kinds of test index of real-time monitoring, on-line monitoring function for each module function, performance, and communication protocol conformance testing, to ensure the real-time and stability of the system, accuracy, in this article, through access to relevant data and consult guidance teacher, combined with the existing research results, this paper puts forward a based on UHF method (UHF) and the overall uniformity of a wireless sensor network, protocol methods such as technical online examination system, the system has involved the construction of a wireless sensor network (WSN), equipment, energy efficiency and energy efficiency in buildings of examination and detection of computing technology, the Internet of things technology, radio frequency technology and related electric power technology, reasonable integration of these technologies, this paper makes the technology into this system, truly monitoring stability, accuracy and real-time performance of the system.
In this paper, the designed system adopts module design method, design of hardware and software separately, for each hardware and software function modules, system design scheme is given first, and then gives a practical operation screenshots, testing each module, and finally to the general test the system, and through the test, the system runs stably, can online real-time acquisition substation related parameters, in conclusion, this system has great application value, can be used for real.
Key words: online monitoring; Radio and television launch; Analysis of energy efficiency; Wireless sensor network (WSN); Wireless communication technology
 

 
目录
摘要
Abstract
第一章   绪论
1.1 课题研究背景及其研究的目的
1.2 国内外在该领域的研究现状
1.2.1 基于WSN的电力信息流路由软件系统的国内研究现状
1.2.2 基于WSN的电力信息流路由软件的国外研究现状
  1.3 本论文所做的主要工作和结构安排
第二章 系统的关键技术分析
  2.1设备能效和建筑能效的考核及其检测计算技术
2.1.1 设备能效的考核及其监测计算技术
2.1.2 建筑能效的考核及其监测计算技术
  2.2 无线传感网络技术分析
  2.3 无线通信技术
2.3.1 ZigBee技术分析
2.3.2 ZigBee组网技术介绍
2.3.2 无线通信技术在本系统中的应用分析
  2.4 射频技术和传感技术分析介绍
  2.5 相关电力技术分析
2.6 本章小结
第三章 基于WSN的电力信息流路由软件系统的总体设计
  3.1 基于WSN的电力信息流路由软件的系统架构及其功能分析
3.1.1 电力信息流在线检测系统架构分析
3.1.2 基于WSN的电力信息流路由软件的系统功能分析
  3.2 基于WSN的电力信息流路由软件的系统总体设计方案
3.2.1基于WSN的电力信息流路由软件的系统测试方案
3.2.2基于WSN的电力信息流路由软件的系统软件自动化测试技术研究
3.2.3基于WSN的电力信息流路由软件的系统硬件总体设计
  3.3 基于WSN的电力信息流路由软件的能效分析系统总体设计方案
3.3.1 基于WSN的电力信息流路由软件的能效分析系统分析方案
3.3.2 基于WSN的电力信息流路由软件的能效分析系统软件采集分析技术
3.3.3 基于WSN的电力信息流路由软件的能效分析系统硬件总体设计
  3.4 本章小结
第四章 基于WSN的电力信息流路由软件的系统详细设计
  4.1 无线传感器网络的构建
  4.2 无线通信网络的构建
4.2.1 ZigBee协议栈
4.2.2 ZigBee网络节点类型
4.2.3 ZigBee网络拓扑结构
  4.3设备能效和建筑能效的考核及其检测计算技术的实现
4.3.1设备能效的考核及其监测计算技术的实现
4.3.2建筑能效的考核及其监测计算技术的实现
  4.4 本章小结
第五章 光电发射用基于WSN的电力信息流路由软件的系统的软件设计
  5.1 软件需求分析
  5.2 软件详细设计
  5.3 软件数据库设计
  5.4 软件实现
5.4.1 软件技术支持
5.4.2 软件功能实现
  5.5 本章小结
第六章 全文总结和前景展望
致谢
参考文献
附录
 

 
 
第一章         绪论
1.1   课题研究背景及其研究的目的
随着电力时代的到来,电力系统的安全越来越成为国计民生的重要方面,随着我国经济的发展,电力需求不断增加,现代电力系统也向着高电压、大机组、超大容量等方向发展,对供电系统的要求越来越高,另外,随着我国改革开放的不断深入,科技发展不断进步,在这个大环境下,电力系统智能化已经成为不可阻挡的趋势,同时,我国人民的生活水平大幅度提高,人们对于数字化的供电系统的需求也不断加大,可以说智能化、数字化、网络化是当代电力系统的三大发展趋势,通过查阅资料和请教指导老师得知,国家电网公司早在2009年就发布了智能电网白皮书,用简单的语言概括就是,智能电网的基础是集成的、高速双向通信的网络,涉及到的主要技术包括传感器和测量技术、信息通信技术、分析决策技术、自动控制技术、能源电力技术、无线组网技术、能耗监测技术等,总之,智能电网的总体特点就是稳定好、鲁棒性强、智能化高、实用性强、信息化到位,本文在这种背景下,顺应智能电网的发展要求和趋势,提出了一种基于WSN的电力信息流路由软件的系统,本系统可以实时在线监测电力信息流的各种参数已经能效分析,可以在发电、变电、输电、配电、调度、用电等电力全生命周期中发挥实时监测作用,本文所设计的系统集检测、控制、调节、报警、自动保护为一体,可以实现电力系统清洁、高效、节能、安全、稳定可靠的运行,本系统经过实际检验,运行平稳、使用方便,值得实际推广。
随着电网的智能化水平不断提高,电力系统的安全运行越来越引起人们的重视,影响电力运行安全的因素很多,经过实际调查分析可知,电力系统的自身安全问题是影响电力系统安全的一个重要因素,本文的研究重点是基于WSN的电力信息流路由软件的的自身安全性分析与检测,电力信息流作为衔接智能电网六大环节的核心节点,具有全局作用,也是电力系统中电力分配,接受和分配电能,控制电力的流向以及调整电压的重要设备保障,核心功能是将各级电压的电网联系起来,在电力系统中起着电力枢纽的作用,总的来说,电力信息流的安全关乎电力设备整体安全,关乎整体和全局安全性,所以本文所设计的基于WSN的电力信息流路由软件的系统具有十分重要的意义,总结来看,本系统的重要意义如下:
(1)替代了人工检修技术,解放了人力:我国在上世纪50年代,开始设置电力信息流检修工,推行以时间为周期的检修制度,该制度在相对长的时间内发挥过重要作用,为电力设备的运行安全提供了制度保障,但是随着电力系统的容量不断提高,人工检修方式收到了很大的限制(比如周期固定性,不能实时监测系统的安全,检修经验性,由于检修工经验论严重,有时可能不能发现并处理相关的故障),由于检修工的水平不同,有时可能带有主观性,导致测量不准确,本系统的设计完全改变了这种模式,自动监测,实时监测,准确度高,灵活性好,适应性强。
(2)大大改进了传统的监测工艺:传统的监测工艺存在很多问题,比如站内可靠性低、由于检修导致的停电次数过多、时间过长等,本系统在借鉴前人的研究成果基础上,改进了监测工艺,实现了全自动化,新的监测工艺稳定性好、信号强度高、信号失真小、监测标准化、问题联网解决等大大提高了检测的效率和质量,在充分降低能效的基础上,做到结果准确、保障有力。
(3)解决了各个供电公司各自为营的局面:传统的检测方式大部分是由本公司的技术人员自行制定,具有很大的差异性,这就导致各个供电公司不能在技术上充分合作,共同促进本领域的技术进步,本系统的实现解决了这个问题,本系统采用国家电网公司颁布的统一标准,采用统一通信协议、统一的器件部署,保证不同的电厂可以进行相关的交互,大大加强了本领域技术的交流与进步。
1.2 国内外在该领域的研究现状
在本小节对国内外的在电力信息流检测系统和能效分析系统领域的研究现状做简单的介绍,由于本系统有两大功能模块即基于WSN的电力信息流路由软件的系统和电力信息流能效分析系统,为了使叙述清晰,本文把两大功能模块的国内外研究现状分开论述。
1.2.1 基于WSN的电力信息流路由软件系统的国外研究现状
在现代化的电力设备中都不同程度的加入了检测系统,这也充分说明检测系统的重要意义,状态监测在国内外都被视为一个重要的研究领域,一般来说,状态监测大多数采用相关传感器来采集信息,然后送入相关的处理器进行处理后送到相应的执行机构进行相应操作,系统一般涉及硬件和软件方面,通过检测系统可以实时的掌握系统的运行情况。
在欧美等发达国家,状态监测在上世纪80年代就已经引起相关专家的重视,并且被视为非破坏性检测的首要选择检测方式,在上世纪90年代之前,检测系统应用较多的主要是北美和欧洲发达国家,当然,在在线监测领域美国是绝对领先的,早在1951年,美国西屋公司的约翰逊就发表了针对电机发热而自损的现象,设计了一种内部监测系统,从而发现了电机运行时槽放电现象,这也成为人类历史上第一款实用的检测系统。到了上世纪70年代,美国电力科学院(EPRI)就发表了一系列相关论文,表明电力在线监测已经开始商业化,后来,加拿大等国家也后来居上,研制了一种电力信息流参数测量系统,并被应用到加拿大北部西斯达电力信息流实际使用,这也被公认为在线监测系统成功应用到电力信息流检测的第一个成功案例,在亚洲,日本公司也做了很多工作,比如日本相关科学家开发了在线监测油压测量仪、高分子膜透气性检测仪等各种设备,总之,由于国外研究较早,应用已经十分成熟,在美国等国家,已经把电力设备加入在线监测设备作为了一项国家标准,同时,在国外,在线检测系统应用于电力信息流等领域,取得了很大的经济效益,促进了本领域的技术进步和科学发展。
国内的研究起步时间晚,但是由于改革开放,科技进步,所以起点较高,国家有关部门对于在线监测系统的发展十分重视,并相继有教育部牵头,在华北电力大学、西安交通大学等国内高校成立科研攻关组,在在线监测领域投入了大量的人力和物力,并取得了一定的成绩,我国自主知识产权的在线监测系统已经实际投入使用,国家电网公司也积极致力于电网智能化,监测在线化,经过国家相关部门和科研人员的不断努力,在2010年,全国已经全面推广电力设备在线检测系统,全面提升设备的智能化水平,推广应用智能化技术和设备,实现电网安全在线监测和预警功能,目前,国家电网在山东、北京、广东等省已经全部实现电网监测在线化,预警监测提前化,大大提高了我国电网的智能化水平和安全等级,产生了巨大的经济效益。
1.2.2 基于WSN的电力信息流路由软件的国内研究现状
在资源短缺的今天,能效一词成为人们关注的热点,能效分析就是在实现系统功能的前提下,尽量节约能源,结合本系统的实际情况,能效主要表现在建筑能耗、空调系统能耗、电力信息流设备自身能耗等几方面。能耗分析在国外已经十分成熟,在相关国家,已经把能效分析作为一项国家强制标准,能效分析在美国发展最快,能效分析起步于美国,发展于欧洲发达国家,早在上世纪60年代,美国相关部门就提出了能耗最优化算法,并成立了专门的研究小组,该小组主要的研究领域有三个,也就是建筑能耗、设备能耗以及其它能耗,该小组最新的研究成果被称为能耗算法,这是一个多因素最优算法,可以在考虑很多因素的前提下,通过不同因素的权重和相关筛选算法做出最佳选择。欧洲发达国家也十分重视能耗的分析和优化,德国在1982年发布科技白皮书提到,要在20世纪前把德国建造成能耗节约型国家,并且在1990年由德国科学家开发出一种被称为贝德的系统,可以对包括电力信息流能耗分析在内的各种情形进行能耗最优设计,该系统应用十分广泛。
能耗分析在国内的发展也不算太晚,由于我国是人口大国,能源短缺已经成为制约我国可持续发展的大问题,为此,国家相关部门提出了能耗标准,限制超过标准的设备投入使用,国家也十分重视能耗分析检测系统的设计,中国科学院早在1997年就提出了能耗最优化这一概念,经过几十年的发展,我国大型企业都已经安装了能耗监测设备或者采用相关算法进行能耗控制。通常来说,能耗监测与分析在国内一般步骤为:能耗信号监测、能耗信号采集、数据处理分析、分析诊断、最优化抉择等,通过一系列的流程,确保最终采用的方法符合能耗最优化标准。
1.3   本论文所做的主要工作和结构安排
本文在查阅相关文献资料的基础上,请教指导老师,结合自身所学的知识,提出并实际设计实现了一款基于WSN的电力信息流路由软件的系统,本系统可以实现在线实时监测电力信息流的相关参数和电力信息流能效分析最优化选择,系统涉及到的关键理论和技术包括无线通信技术、无线传感器网络技术、信号放大与除杂技术、信号处理技术、UHF(特高频法)在线监测技术、能效分析技术等,采用的无线技术是Zigbee技术、采用的相关协议以国家标准为准,总结来说,本文所做的主要工作就是设计了基于WSN的电力信息流路由软件的系统的硬件系统和软件系统,最后给出系统的实际运行截图,最后对系统进行相关测试,对系统设计过程中遇到的困难和问题进行总结,对系统的前景进行展望。接下来简单介绍下全文的行文结构:
第一章为绪论:主要介绍了课题的研究背景已经研究的目的和意义,对基于WSN的电力信息流路由软件的系统在国内外的研究现状做了较为详细的阐述,最后介绍了本文所做的主要工作和全文的结构安排。
第二章为系统的关键技术分析:在本章详细介绍了在系统设计开发过程中涉及到的相关技术,主要包括设备能效和建筑能效的考核及其监测计算技术,在本文分为两个方面分别论述,还介绍了无线传感器网络技术、无线通信技术(包括无线技术ZigBee技术、ZigBee组网技术、以及分析了无线通信技术在本系统中的应用策略)、射频技术和传感技术,最后简单论述了相关电力技术,并对本章进行了总结。
第三章为基于WSN的电力信息流路由软件的系统的总体设计:在本章对系统进行总体设计,首先对基于WSN的电力信息流路由软件的系统架构及其功能进行总体分析,然后给出系统的总体设计方案,并给出系统的总体测试方案,给出系统的总体硬件设计方案和总体软件设计方案,最后给出系统能效分析总体设计方案,还是分模块设计,分别给出系统的硬件和软件设计方案。
第四章为基于WSN的电力信息流路由软件的系统的详细设计:在本章结合上章总体设计方案进行详细设计,主要包括无线传感器网络的构建、无线通信网络的构建(包括ZigBee协议栈、ZigBee网络节点类型、ZigBee网络拓扑结构)、设备能效和建筑能效的考核及其监测计算技术的实现等,最后对本章进行总结。
第五章为基于WSN的电力信息流路由软件的系统的软件设计:在本章对系统的软件系统进行设计,主要包括软件需求分析、软件详细设计、软件数据库设计、软件实现(包括软件技术支持、软件功能实现),最后对本章进行总结。
第六章是全文总结和前景展望:在本章对系统设计过程中遇到的问题和困难进行总结,对自己走过的弯路进行分析,以启迪后人,最后对系统的发展前景进行展望。
 
 
 
第二章   系统的关键技术分析
在本章将对系统设计过程中遇到的关键技术进行详细介绍,以为下文的总体设计打下基础,本章设计的主要技术包括设备能效和建筑能效的考核及其监测计算技术、无线传感器网络技术分析、无线通信技术(主要是无线技术ZigBee技术相关分析)、射频技术和传感技术、相关电力技术分析等,本文采用的主要方法就是先对技术进行介绍,然后分析该技术在本系统中的应用方式,最后,对本章进行总结。
2.1设备能效和建筑能效的考核及其检测计算技术
本节对设备能效和建筑能效的考核及其检测技术进行分析,分为两方面介绍即设备能效的考核及其检测计算技术和建筑能效的考核及其监测技术分析。
2.1.1 设备能效的考核及其监测计算技术
设备能效的考核及其监测计算技术是本系统的关键技术,结合本系统的实际应用场合,在这里主要对变压器自身损耗、电容器损耗、站用损耗、变压器经济运行等方面分析设计,下面详细介绍如下:
(1)    变压器自身损耗
    电力信息流电能损耗主要包括变压器电抗电容等元件损耗,及电力信息流站用电。其中最主要的是变压器损耗和电抗器损耗。电力信息流用水主要为生活用水、消防用水。电力信息流能耗计算中变压器电耗是电力信息流电耗的最重要组成部分,变压器损耗主要包括变压器铁芯中的铁损(固定损耗)和变压器绕组电阻上的铜损(可变损耗)。变压器铁损是铁芯的磁滞损耗和涡流损耗,变压器只要通电即存在铁损,与通过的功率无关,主要与变压器的容量和电压有关;变压器铜损与电阻和通过电流有关变压器能耗理论计算方法参照电力系统设计手册计算。
变压器空载损耗、负载损耗可依据设备型号与生产厂家确定,或采用同类型产品的相应参数。如在可行性研究阶段、设计阶段主变压器未进行设备选型,则可根据三相配电变压器能效限定值及节能评价值等规范进行取值。变压器运行时间、最大负荷损耗小时数根据设计文件确定。变压器负载率、电力信息流能耗与运行时间、负载运行时间、运行方式等因素关系密切。电力信息流老化会增加能耗。由于长时间运行,变压器铁心的磁滞损耗和涡流损耗,局部的涡流损耗、主磁通在结构部件的涡流损耗,以及变压器的介质损耗都会不同程度增大,从而引起损耗增大。
(2) 电容器损耗
电容器的主要作用是为电力系统提供无功功率,提高电力系统运行的稳定性,达到节约电能的目的。 在远距离输电中利用电容器可明显提高输送容量电容器能耗理论计算方法参照电力系统设计手册计算。
(3)    站用电耗
站用电指为站内设备正常工作保证电网安全可靠供电的电力信息流自身用电负荷,主要包括站内辅助生产设施及附属生产设施耗电,分为生产系统、暖通系统、照明系统、给排水系统用电等,包括主变冷却器、空调、照明灯、水泵、风机等设备。站用电水平主要与电力信息流电压等级规模及自动化程度有关。
实际运行中,站用电需考虑设备实际运行时间、运行方式效率及运行环境等。 以设备的效率为例,对于水泵、风机等设备,需考虑设备效率;对于空调,则需考虑能效比。
(4) 变压器经济运行
变压器经济运行是在保障供电负荷的情况下,使变压器功率损耗为最小的运行方式。变压器经济运行不需追加投资,只要加强供电用电管理,即可达到节点和提高功率因素的目的。根据理论计算公式,功率因数增大能提高主变效率,使损耗降低日常运行中应加强对主变运行的监控,提高功率因数,确保电压无功的管理达到规定的范围。
2.1.2 建筑能效的考核及其监测计算技术
建筑能效的考核及其监测计算技术也是系统的重要应用技术,结合本文的实际,建筑能效的考核及其监测计算技术主要应用在一下几方面:建筑建筑环境系统(采暖、通风、空调、照明等),建筑公用设施(供电、通信、消防、给排水等),能耗比例最大的是采暖、通风、空调系统、照明系统、空调系统的能效计算技术等、设计负荷(即装即冷热量)的估算。运行负荷(即全年或整个空调季的冷热量需求)的估算。建筑暖通空调系统装机冷热量和电力装机量的估算(即最初步的能耗分析),可以采用1、负荷指标方法。2、考虑建筑和运行特点的负荷估算方法。3、用计算机模拟方法做建筑能耗分析  照明系统用电统计,将电站的电灯总功率,与平均使用时间做乘积运算。电台发射机正常工作时,风机水泵冷却系统随之启动运行。耗电量与发射机工作时间有关,由于本文的设计重点是基于WSN的电力信息流路由软件的系统,所以对于建筑能效不做详细介绍,想要详细了解可以查阅相关文献。
2.2 无线传感器网络技术分析
无线传感器网络技术的应用可以使本系统自行组建无线网络,可以实现实时监测系统的各项参数,同时无线传感器网络也是无线通信技术的支撑基础技术,无线传感器网络(WSN)现在作为一种新型的无线网络越来越受到人们的关注,无线传感器网络也是一门综合的技术,涉及的关键技术主要有传感器技术、嵌入式计算机技术、现代网络技术、无线通信技术、分布式信息处理技术等多项技术,通过构建无线传感器网络技术可以实现各类集成化的微型传感器之间的协作,可以完成对各个节点完成监测、感知和采集各种环境信息或者被监测对象的相关信息,并对信息进行处理,最后通过组织无线通信网络以射频或者多跳中继方式来感知相关节点的信息。一般来说,无线传感器网络的结构一般由四部分组成,即由传感器节点、汇聚节点、联网或者通信卫星设备、管理节点等组成,有时还会留出系统扩展接口,具体见图2.1所示:


图2.1 无线传感器网络结构图
从图中可以看出,本系统在监测区域内通过布置大量的传感器节点来形成分布式的监测系统,根据实际情况,布设的传感器的节点可能达到几千个甚至上万个,通过相关的统一的的通信协议,可以自组织小型传感器网络,然后通过相关无线通信技术再把各个小型传感器网络连接起来,最后通过专用的传输网络把大量的传感器节点采集到的大量状态信息传输到汇聚节点,然后通过无线网络或者互联网把相关信息传输到远程服务器或者客户应用终端。通过查阅相关资料和请教指导老师得知,传感器节点具有感知物理环境数据和处理数据的能力,但是传感器网络的存储能力、通信能力、和信心数据处理能力相对较差,此外,现在无线传感器网络大部分采用锂电池供电,电力有限,但是本系统要求传感器网络具有很强的处理能力,所以为了弥补无线传感器网络的不足,本系统在汇聚节点端加入了一款低功耗的DSP芯片,可以大大加强传感器网络的信息处理能力和相关的存储能力。
汇聚节点是本系统的核心中枢环节,起着联系信息采集端和客户终端的作用,也就是无线传感器网络与远程计算机联网的网关设备,可以实现无线传感器网络和计算机网络之间的协议转换,就其功能来看,汇聚节点应该具有很强的信号处理能力和大容量数据存储能力,可以弥补无线传感器网络的不足之处,当然,汇聚节点没有信息处理能力,鉴于汇聚节点的关键作用,为了保证系统正常运行,一般在汇聚节点设置稳定的电源供应,一般采用开关电源。
管理节点一般是一台具有很强信息处理能力的计算机,他可以从总体上管理系统的下属节点运行,及时掌握设备故障,一般认为管理节点充当无线传感器网络的服务器的角色,用于从上层动态的管理和监控整个无线传感器网络,采用的主要手段就是通过与汇聚节点进行双向通信来达到上下层交互的目的,通过汇聚节点来传递无线传感器网络相关状态信息。
2.3 无线通信技术
无线通信技术是一种新型的技术,短短十几年来,无线通信技术已经广泛应用到国民经济生活的各个领域,可以说,无线通信技术是当前最活跃的技术领域,一般对于无线通信的定义有很多种,其中一种比较权威的是根据其英文名称“The Internet Of Things”来定义无线通信技术,通俗的的说,无线通信技术就是物物相连的互联网,从其定义可以看出,无线通信技术的核心有两层意思,第一,无线通信技术的核心技术仍然是互联网,无线通信技术是在互联网的基础上扩展而来的技术。第二,无线通信技术把联网的范围扩展到了任何物体之间的信息交换和通信,综上所述,无线通信的精确定义为:通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、等信息传感器设备,按照通用的或者约定好的协议,把任何物体与互联网连接起来,进行相关的信息交互与通信,通过物体联网技术可以实现对物体的跟踪定位、智能化识别、监控和管理为一体的新型网络呢,随着传感器网络技术和无线通信网络技术的不断发展进步,无线通信的内涵和定义还将不断变化,以适应科技不断进步的当下形势。根据本系统的实际情况,在本节将主要介绍ZigBee技术,下面做详细分析。
2.3.1 ZigBee技术分析
本文通过比较和查阅相关资料以及请教指导老师,最终选择ZigBee作为系统的无线通信技术,ZigBee技术是当下比较火爆的无线技术之一,也是一种公认的、优秀的短距离无线通信技术,主要特点就是通信距离短、数据传输速率低、功耗低、成本低等,此外,ZigBee技术还可以构建不同形状的网络结构,可以支持星形、树形或者网状的无线网络,为构建异形网络打下了基础,ZigBee技术还有一个很重要的优势就是可以通过多级级联的方式来扩大检测范围和形成规模网络,特别适合数据信息的采集与传输,是目前无线自组网领域应用最多的技术,在自动化和智能化监测领域已经被认为是事实上的标准。
2.3.2 ZigBee组网技术介绍
ZigBee组网技术是本系统无线网络构建的核心技术,下面做详细的介绍分析,在上文中已经介绍过,ZigBee技术具有强大的组网能力,可以构建星形、树形以及网状的无线网络,为系统构建异形网络打下了基础,通过构建ZigBee网络拓扑结构,可以大大扩大ZigBee终端的通信距离和加大无线网络覆盖范围,下面介绍ZigBee技术常用的几种网络拓扑结构。
(1)  星形拓扑结构
星形拓扑结构是最简单的网络拓扑结构,在组成上分为两级,也就是有中心协调器节点和分布式的网络采集节点组成,在设计之处,为了方便,每一个终端节点只能与中心协调器进行单向通信,如果两个不同的终端节点想要通信,就必须通过中心协调器的转发,总的来说,星形网络拓扑结构简单、价格低廉,但是由于通信路径固定,所以中心节点可能成为制约整个系统发展的瓶颈,星形网络拓扑结构如图2.2所示:

图2.2 星形网络拓扑结构
(2)  树形网络拓扑结构
树形网络拓扑结构一般有三层组成,即由一个中心协调器和一系列的路由器节点和终端节点组成,原理就是由中心协调器连接相关的路由器节点,再由路由器节点连接终端节点,同时路由节点可以分出很多子路由器,子路由器也可以连接终端节点,通过这种模式,可以连接多个终端,从而可以实现多层级的网络拓扑构建,树形拓扑结构图如图2.3所示:

图2.3 树形拓扑结构示意图
(3)  网状网络拓扑结构
通过分析可以知道,星形拓扑结构和树形拓扑结构有一个共同的缺点,就是路由路径固定且唯一,为了更灵活的选择路由路径,网状网络拓扑结构应运而生,网状网络拓扑结构是一个相互连接的大型网络结构,当某个路由路径出现问题时,信息可以自主选择路由信息进行传输,这就大大减少了信息的丢失率,经过分析得知,网状网络拓扑结构也是一个三层的网络结构,这种拓扑结构灵活性强,适应大型网络拓扑结构,网状网络拓扑结构示意图如图2.4所示:

图2.4 网状网络拓扑结构示意图
2.3.3 无线通信技术在本系统中的应用分析
本系统的关键任务就是构建一款可以实时监测电力信息流参数和系统,系统的功能决定了无线通信技术在系统中的重要作用,先从无线通信的特点介绍,总结来看,无线通信有以下三大特点:
(1)它广泛的应用了传感器技术,传感器技术是无线通信技术的基础,无线通信技术在各个节点上布置了大量的不同类型的传感器,把传感器作为信息采集源,传感器获得的数据具有实时性和真实性,可以按照一定的环境周期采集相关信息,不断的更新信息,建立系统稳定的数据库。
(2)无线通信以互联网为基础,在上文中已经提到过,网联网技术的核心还是互联网技术,是对互联网技术的扩展和延伸,基本特点就是把各种无线和有线网络融合,可以实现把数据实时的发送出去,并具有一定的数据处理和存储能力。
(3)无线通信技术不仅仅是一种网络技术,其本身也带有智能化的处理能力和相对强的数据存储能力,可以在一定程度上作为智能数据处理器来处理系统的相关情况,现代化的无线通信技术要求本身带有数据筛选能力,可以在大量传感器采集到的不同类型的信息中选择合适的信息加以保护并放大,可以减少信息存储容量,降低成本,另外无线通信系统还应该具有处理不同类别的信息能力,可以满足不同客户的需求。总之,无线通信技术应用于本系统,可以使系统变的智能化、实时性采集信息的能力大大加强,为系统打下了良好的技术基础。
2.4 射频技术和传感技术分析介绍
在本系统中,根据实际情况,要用到射频技术和传感技术,总体来说,射频技术和传感技术与上文提到的无线传感器网络有密切的关系,现在对射频技术和传感技术简单介绍如下。
(1)  射频技术
射频技术(RF)是一种现在应用很多的无线识别技术,现在在国内提的比较多的有无线射频识别技术,一般具体的应用手段就是无线射频卡,其实无线射频识别技术在我们的生活中应用十分广泛,大学学生使用的校园卡、停车场收费站自动识别系统等都是应用了无线射频技术,在生活中常常被称为电子卡、电子标签、电子条码等。无线射频的原理相对较简单,一般有两部分组成,一个是发射器,还有一部分就是接收器,通常在正常工作时由扫描器或者发射器发射一定的能量给接收器,接收器把唯一的代码发射出去,此时根据唯一的识别码来识别身份,该系统的优点就是可以实现无接触、免电源、无损耗等,由于晶体识别码在全世界是唯一的,而且无法复制,所以安全性非常高,寿命也很长,目前无线射频技术应用十分广泛,主要应用在动物晶片十分识别器、汽车智能晶片识别器,门禁系统、停车场系统、生产自动化管理、在线检测系统等,在本系统中由于为了保护电力信息流的安全,所以在电力信息流核心监测区域,需要设置类似门禁的系统,需要应用到射频技术。
(2)  传感技术
传感技术也是当今应用比较多的一门技术,也被认为是无线通信技术的基础技术,传感技术与计算机技术以及通信技术被公认为信息技术的三大支柱产业,通过查阅相关资料和请教指导老师得知,从无线通信角度来看,传感技术也是衡量一个国家信息化水平高低的一个重要标准,从原理角度来说,传感技术就是从自然信源获取信息,并根据实际应用需要对所获取到的信息进行处理与变换,最终目的就是把抽象的信号转换为可以度量的信号,同时传感技术也是一门多学科交叉的现代工程技术,涉及到的关键技术主要有传感器技术、信息处理与变换技术、信号的优化与改善等。同时,传感技术也是本系统的关键技术,系统的核心功能就是在线监测与能效分析,这就需要系统可以实时采集电力信息流各个方面的信号,所以传感技术是信号采集的基础,从这个角度看,传感技术是系统的关键技术。
2.5 相关电力技术分析
由于本系统所针对的对象是基于WSN的电力信息流路由软件的的在线监测,所以在本系统的设计过程中还需要用到一些电力技术,根据实际情况,本系统涉及到的站内一次设备主要有变压器、断路器、隔离开关、避雷器、容性设备等,下面对这些设备的状态监测系统做简单的介绍,一般来说,状态监测的一般原理就是通过传感器将采集到的能反映设备状况的信息参量送入计算机进行相关处理,最后输出表征设备状态的参数,以此来监测设备是否正常,再利用计算机强大的信息处理能力,把大量的参数做成状态检测表,然后设置一定的阈值,如果超过阈值就可以判断设备出现故障,需要检修, 音乐教学论文,通过这种方式,大大解放了人力,带来了巨大的经济效益。
(1)  变压器
变压器是电力信息流的核心设备,对变压器进行在线监测,及时发现故障,对整个电力信息流的正常运行具有十分重要的作用,一般来说对变压器的在线监测主要包括色谱分析、局部放电在线监测、温度监测、绝缘监测等,限于论文篇幅,具体的监测方法可以查阅相关文献资料,在这里不再累述。
(2)  断路器
断路器故障导致电力信息流瘫痪也十分常见,所以断路器的状态监测也十分重要,根据实际调研发现,断路器故障主要表现在断路器拒分、拒合,合闸误闭锁、分闸误闭锁,断路器偷跳或误跳等外在表现。其诱因主要是雷电冲击、传动机构失灵或外电路短路电流等因素导致的设备绝缘水平降低或气密性降低等机械类原因和各种线圈、继电器烧坏,控制回路或同步回路短路等电气类两种原因,具体的监测方法可以查阅相关文件,在这里不再累述。
(3)  隔离开关
    电力信息流内的隔离开关和开关柜设备运行中承载着较大电流,其接头、接触面
发热是生产中的难题,发热严重时可能导致接头溶断,产生突发性故障。状态监
测能够及时发现隐患,防止超高温烧毁和导致绝缘老化击穿引发的短路事故,实
现温度远程监控和异常报警,提高供电可靠率,便于实现状态监测和配网自动化。
(4)  避雷器
    容性设备及避雷器部分的故障主要表现在容性设备击穿、相对介损降低以及避雷器设备外部爆裂、绝缘特性降低、对地电流过大等。需要在线监测的信息有:
(1)CT 电流互感器的三相泄漏电流、介质损耗、等值电容:通过上述监测
信息确定 CT 电流互感器的绝缘特性;
(2)CVT 电压互感器的三相泄漏电流、介质损耗、等值电容:通过上述监
测量确定 CVT 电压互感器的绝缘特性;
(3)OY 耦合电容器的三相泄漏电流、介质损耗、等值电容:通过上述监
测的数据确定 OY 耦合电容器的绝缘特性;
(4)避雷器漏电流、容性电流、阻性电流、计数器动作次数、雷击次数:
通过上述电流及雷击次数等确定避雷器的绝缘特性,从而实现避雷器绝缘状态的
在线监测。
(5)  容性设备
容性设备是指其物理性质呈容性,有时由于静电和电磁作用,容性设备也需要监测,具体方法可以查阅相关文献。
2.6 本章小结
本章主要介绍分析了在系统的设计过程中涉及到的关键技术,本章首先介绍了设备能效和建筑能效的考核及其监测计算技术,本章给出了常用的计算技术并结合系统实际给出了适合系统的方案,接下来分析了系统的核心应用技术即无线传感器网络技术,本文先给出了无线传感器网络的架构和层次介绍,结合本系统的实际给出了本系统的无线传感器网络的设计方案,由于系统需要用到无线通信技术,系统经过对比选择了ZigBee技术, 班级管理论文,主要从ZigBee技术分析、ZigBee组网技术介绍、无线通信技术在本系统中的应用等三方面介绍了本系统的无线通信技术,最后简单介绍了射频和传感技术,结合系统实际应用场合,介绍了相关的电力技术,本章为下一章系统的总体设计打下了基础。
 
 
 
第三章 基于WSN的电力信息流路由软件的系统总体设计
本章主要对系统进行总体设计,系统采用模块设计法,对系统的功能模块进行硬件和软件的总体设计,本文主要从基于WSN的电力信息流路由软件的系统架构及其功能分析、基于WSN的电力信息流路由软件的系统总体设计方案、基于WSN的电力信息流路由软件的能效分析系统总体设计方案等三大方案对系统进行总体设计,本章采用的方法是先给出实际总体设计方案,给出硬件电路图和软件总体流程图,总后对系统的总体设计方案可行性进行论述。
3.1 基于WSN的电力信息流路由软件的系统架构及其功能分析
本小节主要论述基于WSN的电力信息流路由软件的系统的架构和功能,通过查阅相关资料和请教指导老师,经过比较对比,基于WSN的电力信息流路由软件的系统采用总线式的分布式分层架构,下面分系统总体架构分析和系统总体功能设计两方面来介绍。
3.1.1 电力信息流路由软件系统的架构分析
本文借鉴现在已经广泛使用的电力信息流整体通信结构,系统的整体架构分为过程层、间隔层、站控层等三层,系统的整体架构如图3.1所示:

 
 
 

图3.1 系统总体架构图
    下面简单介绍各层的功能,过程层一般安装变压器等一次设备的在线监测装置,采用 Modbus、IEC  61850等不同协议与间隔层装置通信,用于采集变电设备的状态信息并将一次设备的模拟信号转换为数字信号。对于不符合 IEC  61850 的在线监测装置,在接入到间隔层的综合监测单元时需要进行规约转换。
间隔层中按照一次设备类别,设置对应的综合监测单元,通过协议转换功能汇集过程层中采用不同通信规约的在线监测装置,并按照 IEC  61850 标准构建一次设备的统一监测数据模型,实现与站控层装置的标准通信以及监测数据加工、阈值比较和监测预警等功能。如果监测装置都符合 IEC 61850 通信标准,则不用设置综合监测单元,监测装置直接与站端监测单元通信。 站控层中设置站端监测单元,与过程层中符合 IEC  61850 标准的在线监测装置及间隔层中的各综合监测单元通信,实现整个在线监测系统的数据采集和运行控制。同时,站端监测单元整理采集的在线监测数据,并参照 Q/GDW 534标准中给出的变电设备在线监测数据接入规范进行存储,实现整个电力信息流的监测预警、数据展示、综合分析和故障诊断,并通过 CAC 实现与网省端的数据通信。
3.1.2 基于WSN的电力信息流路由软件的系统功能分析
综合系统的需求分析和相关技术文档,确定基于WSN的电力信息流路由软件的系统的功能模块,本文把系统分为四大功能模块即上位机控制模块、信息采集群模块、无线传感器网络模块、设备能效和建筑能效分析模块,系统总体功能模块示意图如图3.2所示:

 
 

图3.2 系统总体功能示意图
其中信息采集群模块是系统的核心功能模块,该模块最重要的单元就是综合检测单元,综合检测单元是在线监测装置和站端监测单元的数据交互和控制节点,其主要的功能简介如下:
(1)汇聚在线检测装置发送的数据,结合 IEC 61850 监测数据模型生成站端监测单元可以直接利用的标准化数据,并通过抽象通信服务接口(ACSI)提供模型访问、数据获取和设置服务,完成数据的接入和下装。
(2)支持监测数据告警和周期性上传。对于告警类数据,使用缓存方式,对于测量类数据,采用非缓存方式。该功能主要通过 ACSI 提供的报告服务实现,通过设置报告控制块的参数控制监测数据上传功能。
(3)下发站端监测单元的控制、参数设置、数据总召和对时的操作命令, 这些功能通过 ACSI 提供的控制服务、定值服务、报告服务和时间同步服务来实现。 站端监测单元在电力信息流内负责在线监测系统的全局运行控制及监测数据采集,同时与网省端的数据采集装置通信完成数据上传,具备以下功能:
(1)注册和管理在线监测装置和综合监测单元,对其参数进行配置;
(2)使用召唤和定时轮询的方式采集在线监测数据;
(3)按照在线监测数据接入规范建立数据库,将采集的监测数据转换存储到数据库中,实现监测数据的集中管理以及图形化展示;
(4)提供 CAC 功能与网省平台通信,同时提供与站内信息一体化平台的交互接口; 
(5)实现变电设备监测数据综合分析、故障诊断及预警功能。
3.2 基于WSN的电力信息流路由软件的系统总体设计方案
本节给出基于WSN的电力信息流路由软件的系统总体设计方案,本文从基于WSN的电力信息流路由软件的系统测试方案、基于WSN的电力信息流路由软件的系统软件自动化测试技术研究、基于WSN的电力信息流路由软件的系统硬件总体设计等三个方面给出系统的总体设计方案,下面做详细介绍。
3.2.1基于WSN的电力信息流路由软件的系统测试方案
通过查阅相关文献资料和请教指导老师后得知现阶段对于在线监测系统的测试主要依据IEC 61850-10 规范,本文借用商用的或者自主研发的客户端对系统通信性能进行模拟测试,IED 通信模拟器、配置工具和协议分析工具构建测试仿真系统完成对电力信息流通信的一致性测试。上述方案将IEC 61850-10服务器或者客户端作为被测设备,通信模拟器作为客户端或服务器,向被测装置发送符合IEC 61850-10标准的通信请求并记录响应结果,使用协议分析仪采集以太网上的协议数据包来监控在通信过程中出现的错误。使用配置工具完成IED 配置文件、系统配置文件的编辑、导出、导入、传送等功能,并根据 IEC 61850标准对配置文件进行校验。为了进行在线监测系统的测试,需要建立一个最小测试环境,对站端监测单元、综合监测单元进行一致性和功能测试。
3.2.2基于WSN的电力信息流路由软件的系统软件自动化测试技术研究
本小节对系统软件自动化测试技术进行分析研究,对系统进行一致性测试,可以分为静态一致性测试和动态一致性测试,详细介绍如下:
1)静态一致性测试
静态一致性测试验证制造商提供的说明文件是否与被测监测单元的硬件和软件版本相符;检验监测单元的模型文件是否符合 SCL 的 XML 模式;检验监测单元模型的正确性,主要包括 LN 的必备对象是否存在、有条件的对象是否存在以及对象的数据类型以及来自设备的数据属性值是否在规定范围内。
2)动态一致性测试
主要进行 ACSI 服务的实现程度测试,使用 IEC 61850 客户端通信模拟器生成请求报文,接收和分析综合监测单元的响应报文,对比与监测单元的配置文件中给出的功能是否一致。测试用例包括肯定测试用例和否定测试用例,肯定测试用例表示正常条件下的验证,否定测试用例表示异常条件下的测试。下文主要给出了模型访问和数据查询以及监测数据的告警、召唤和周期上传的测试用例描述,如表 3-1和表3-2所示。
表3-1 模型访问和数据查询测试用例
 
 
表3-2 数据的告警、召唤和周期上传

3.2.3基于WSN的电力信息流路由软件的系统硬件总体设计
本小节对系统的硬件进行总体设计,结合系统的四大功能模块,为了清晰,本文分别设计系统的四大功能模块的硬件电路,具体方法为给出器件选择和原因,最后给出各个模块的电路图。由于系统对精确性和实时性要求很高,所以系统在硬件器件的选择上必须考虑器件的延迟时间和精确度,鉴于硬件系统对系统的重要作用,本小节最为全文的重点章节论述,详细介绍如下。
(1)  上位机控制模块硬件设计
    顾名思义,上位机就是可以与人直接交互的高级视觉系统,本系统核心功能就是可以在线实时监测基于WSN的电力信息流路由软件的的各项参数和能效分析,本文经过分析对比后选择STM32作为系统的主控芯片,对于STM32简单介绍如下:由于本系统采用的是意法半导体的STM32F103系列的产品。在这里选用的芯片为STM32F103,该芯片是意法半导体的增强型为芯片,该芯片是基于Cortex-M3 CPU内核开发的,芯片自带512K的FLASH,丰富的GPIO资源,其复用引脚功能有USB、CAN、IIC、SPI、11个定时器、3个ADC和13个通信接口[9]
本次设计用到了GPIO、IIC、SPI、定时器、ADC这几个功能。最小系统板的原理图如图3.3所示:

图3.3 控制系统最小系统图
一个好的在线监测系统除了自身结构设计等原因外,还有一个重要的原因就是采用了恰当的电源技术,不但增加了电源供应时间,而且使检测器轻巧,减轻了重量。下面对其论证如下
方案一:采用传统的LM7805进行三端稳压电路设计,该方案很经典,而且应用很广泛,7805内部有防止过热,过流及调整管的保护电路,使用过程中非常省心和方便,采用7805构成的三端稳压电源,外围电路很少,只需要一个电桥即可,是小功率变压稳压的最佳选择。但是在线监测系统在检测过程中功率较大,容易烧毁7805三端稳压电源。
方案二:采用开关电源LM2596开关电源模块,该模块是美国TI公司主打的稳压芯片,它内含两个振荡器即固定频率振荡器和基准频率振荡器。具有很完善的功能,如保护断流,过压保护,自动屏蔽无线电等功能。在该芯片的基础上,添加很少的辅助器件就可以构成稳定,使用的稳压电源,可以提供5V,3.3V,12N,等电压,其最大的亮点为可以连续调节所需要的电压,调节准确,范围广。效率高,是打算实现长时间在线监测的最佳选择。
方案三:采用AMS1117作为稳压器件,该系列芯片具有固定式和可调式几种,该芯片的压差最多不超过1.3V,其设计电路较为复杂,而且只能提供很低的电压,所以该芯片所提供的电源较低,但是稳定,绝度不会出现偏差,但是,在大电流的情况下芯片会发热,该芯片不适合做在线监测系统的供电芯片,功率较低,使检测试卷时间缩短。
综上所述,经过考虑,本论文选择方案二。
(2)    信息采集群模块
信息采集群模块是系统检测信号的来源,本系统主要实现基于WSN的电力信息流路由软件的系统,结合电力信息流实际,系统需要采集的信号类型主要有静电信号、干扰信号、屏蔽信号以及温度信号等,本文主要通过各类传感器采集信息,然后通过无线传感器网络传输信号到上位机端进行处理后显示在系统面板上,系统的电路图如图3.4所示:

图3.4 温度传感器电路图
(3) 无线传感器网络模块
无线传感器网络模块是系统的通信模块,对于把传感器采集到的信号稳定的传到系统的信号处理单元具有重要作用,下面给出系统的无线传感器网络模块的硬件原理图,如图3.5所示:

图3.5 系统无线传感器网络拓扑图
(4)设备能效和建筑能效模块
本模块是系统的两大主要功能之一,限于论文篇幅,本功能不作为系统的重点论述,下面仅简单介绍如下:设备能效和建筑能效的分析主要包括变压器损耗、站内损耗已经建筑损耗、空调损耗等,下面仅给出变压器损耗的分析拓扑图,如图3.6所示:

图3.6 变压器损耗监测原理图
3.3 基于WSN的电力信息流路由软件的能效分析系统总体设计方案
本节进行基于WSN的电力信息流路由软件的能效分析系统的总体方案设计,主要内容包括在分析研究国内外能效分析系统的研究现状和常用方法的基础上,结合实际情况给出系统的能效分析方案、然后给出能效分析系统的软件设计总体方案和硬件总体设计方案,下面详细介绍。
3.3.1 基于WSN的电力信息流路由软件的能效分析系统分析方案
通过查阅相关资料和请教指导老师得知,现在国内外在能效分析领域常用的方法主要有设备能效比较法、前后能源消耗比较法、产品单耗比较法、模拟分析法等,国内用的比较多的主要有前两种,其中设备能效比较法和产品单耗比较法是电力信息流能效分析领域最常用的两种方法,本文结合系统实际情况,经过对比分析,提出了一种综合性的电力信息流能效分析系统的测试方案,该方法涉及数学建模、最优化函数确立、多参数整合等多种技术和理论,基本思路就是把系统能效所涉及到的多个参数经过预处理后输入多参数比较器,通过比较器的筛选,最后给出最优化方法,实际证明,本方法理论基础扎实、实用性好、结果准确。
3.3.2 基于WSN的电力信息流路由软件的能效分析系统软件采集分析技术
本小节给出本文所采用的综合能效分析法所对应的软件设计,在这里利用JAVA语言编写,实际代码如下:
  public class Communication
    {
        public static Socket socket;
        private Thread receiveThread;
        private Thread receiveTextThread;
 
        public event EventHandler<MessageNotifyEventArgs> MessageNotify;
        //   public delegate void MessageNotifyEventArgs(object sender, MessageNotifyEventArgs e);
 
        private bool connected;
        public bool Connected
        {
            get { return connected; }
        }
 
        private bool initialized = false;
 
        //多参数输入
        public void Connect(string server, int port)
        {
            if (!connected)
            {
                socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
                socket.Connect(new IPEndPoint(IPAddress.Parse(server), port));
 
                this.connected = true;
            }
        }
 
        //给出参数比较标准
        private static ServerSendInfo ui;
        public static ServerSendInfo Ui
        {
            get { return ui; }
            set { ui = value; }
        }
 
        private static string userLName;
        public static string UserLName
        {
            get { return userLName; }
            set { userLName = value; }
        }
 
        public void Authorizate(UserInfo message)
        {
            if (connected)
            {
                SendMessage(message);
                string rece = ReceiveMessage();
                if (rece.Substring(0, 2) == "ON")
                {
                    throw new Exception("经过比较,能效最优方法为:");
                }
                else if (rece.Substring(0, 2) == "OK")
                {
                    this.initialized = true;
                    this.StartReceiveMessage();
                    XmlSerializer xs = new XmlSerializer(typeof(ServerSendInfo));
                    using (StringReader reader = new StringReader(rece.Substring(2)))
                    {
                        ui = (ServerSendInfo)xs.Deserialize(reader);
                        userLName = ui.UserRealName;
                    }
                }
                else if (rece.Substring(0, 2) == "RE")
                {
                    throw new Exception("增加参数或者改变标准!");
 
                }
            }
 
        }
3.3.3 基于WSN的电力信息流路由软件的能效分析系统硬件总体设计
本小节给出基于WSN的电力信息流路由软件的能效分析系统的总体硬件设计,为了做到准确,系统以10KV高压配电系统图为分析实例,给出能效分析系统的总体硬件设计,分析实例涉及到的配电图如图3.7所示:

 

图3.7 系统分析实例配电图
系统结合实例用配电图,给出基于WSN的电力信息流路由软件的系统的总体硬件设计方案,限于论文篇幅,在这里仅给出系统的硬件电路图,系统硬件电路图如图3.8所示:
 
 
 

图3.8 系统能效分析总体硬件图
3.4 本章小结
本章是全文的重点章节,主要给出了系统的总体设计方案,涉及到主要内容主要有基于WSN的电力信息流路由软件的系统架构及其功能分析、基于WSN的电力信息流路由软件的系统的总体设计方案(包括在线监测系统的软件总体设计和硬件总体设计以及系统总体测试方案)、基于WSN的电力信息流路由软件的能效分析系统总体设计方案(包括能效分析系统软件总体设计方案和能效分析系统硬件总体设计方案以及总体测试方案),本章采用的研究方法是在分析前人研究成果的基础上,综合本系统实际,给出本系统的总体设计方案,并对系统可行性进行论证分析,本章为下一章系统的详细设计打下了理论基础。
 

 
第四章 基于WSN的电力信息流路由软件的系统详细设计
本章在上章总体设计的基础上对系统的功能模块进行详细设计,主要对无线传感器网络的构建、无线通信网络的构建(包括ZigBee协议栈、ZigBee网络节点类型、ZigBee网络拓扑结构)、设备能效和建筑能效的考核及其监测计算技术的实现,接下来对以上功能模块做详细设计。
4.1 无线传感器网络的构建
本系统经过比较得知,利用无线通信技术可以使系统变的智能化,总体来说,本系统采用传感器对设备状态经行监测,利用无线传感器网络进行通信和交互,根据实际调研得知,现代电力信息流都是通过有线方式进行通信和连接,有线连接有其自身的优点,但是缺点也是明显的,比如会造成旧电力信息流升级改造时网络安装、升级、扩展带来了很大的不便,就目前电力信息流的规模和容量以及电力信息流的发展趋势来看,传统的有线连接方式已经不适应当今的发展需求,在这种背景下,无线传感器网络是现在应用很多的一种新兴的通信技术,与传统的有线通信方式有很多优势,主要表现在以下几点:
(1)组网十分方便,限制很小:无线传感器网络在安装时避免了电缆布线、铺设等繁琐工作,大大减轻了施工工作量,由于数据通过无线通信方式进行传输,避免了电缆的使用,大大减少了监测成本。
(2)部署灵活。没有有线介质的限制可以使通信终端设备在监测区域内自
由地布置或移动。
(3)覆盖范围广。无线传感器网络可以在不易进行布线的地方进行数据通
信,并可以通过构建树形、网状等拓扑结构来延长通信距离和扩大网络覆盖范围,
这使得网络能够遍及有线通信所到达的区域。
(4)可扩展性。
当网络中增加新的无线传感器节点时,也不需要其它外界条件,原有的无线
传感器网络可以有效地融纳新增节点,使新增节点快速融入网络,参与全局工作。
这有效的解决了电力信息流使用有线介质通信所遇到的监测布线不方便、成本高、不
易扩展等问题。
除了上述的四个优点外,本文选用 ZigBee 作为主要应用的无线传感器网络
技术,采用 IEEE 802.15.4 标准作为底层协议,提供了数据的完整性检查功能可以有效降低数据传输的误码率。ZigBee 提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了 AES-128 的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。ZigBee 采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。最重要的是 ZigBee
无线传感器网络本身具有很强的健壮性,当某些节点出现通信故障时其他节点可
以重新选择其他节点路径进行数据的传输,这避免了由于某单个节点的故障而造
成整个网络的瘫痪,大大提高了网络通信的可靠性。
4.2 无线通信网络的构建
无线通信网络是保证系统信号稳定传输,确保基于WSN的电力信息流路由软件的系统系统检测信号实时获取和显示提供了一种有效的通信方式,详细介绍如下:
监测系统的整体结构应符合智能化的要求,采取分层分布式结构,采用IEC61850 标准进行建模和通信,提供灵活的传感器及软件接口模式。因此,将智能电力信息流一次设备状态监测系统的站内部分划分为三层结构,分别为釆集层、汇聚层和站控层。三层之间通过两个网络进行通信,其中站控层与汇聚层由站控层网络连接,主要通过站内现有的光纤以太网,汇聚层与采集层之间通过无线传感器网络连接。电力信息流设备监测系统总体可分为以下三个部分:
(1)基于传感器终端节点的无线数据采集部分,主要是选取适用的传感器
终端节点对电力信息流设备的各状态信息量进行采集。
(2)基于 ZigBee 技术的无线传感器网络数据通信部分,这部分主要是实现将终端节点将采集到的数据通过无线通信方式传送到协调器节点,再由协调器节点将数据汇聚后通过串口发送至主机以达到监测的目的,并且可以通过布设路由器节点来扩展通信距离,从而扩大无线传感器网络的覆盖范围。
(3)基于软件的监测界面部分,这部分功能主要是将通过串口接收的网络传送的设备状态数据,在界面中直观的显示出来,监测界面中提供了对实时数据的展示,历史数据查询,设备状态评价,设备状态告警等功能,使工作人员可以在站控层及时掌握设备的运行状态。无线通信网络示意图如图4.1所示:

图4.1 无线通信网络示意图
经过实际比较,结合系统实际,系统最终选择ZigBee技术作为系统无线通信的技术,接下来从ZigBee协议栈、ZigBee网络节点类型、ZigBee网络拓扑结构等三个方面对ZigBee技术进行介绍。
4.2.1 ZigBee协议栈
    ZigBee堆栈是在IEEE 802.15.4标准基础上建立的,定义了协议的MAC和PHY层。ZigBee设备应该包括IEEE802.15.4(该标准定义了RF射频以及与相邻设备之间的通信)的PHY和MAC层,以及ZigBee堆栈层:网络层(NWK)、应用层和安全服务提供层。图4.2给出了这些组件的概况。每个ZigBee设备都与一个特定模板有关,可能是公共模板或私有模板。这些模板定义了设备的应用环境、设备类型以及用于设备间通信的簇。公共模板可以确保不同供应商的设备在相同应用领域中的互操作性。设备是由模板定义的,并以应用对象(Application Objects)的形式实现(见图4.2)。每个应用对象通过一个端点连接到ZigBee堆栈的余下部分,它们都是器件中可寻址的组件 图4.2zigbe堆栈框架从应用角度看,通信的本质就是端点到端点的连接(例如,一个带开关组件的设备与带一个或多个灯组件的远端设备进行通信,目的是将这些灯点亮)。端点之间的通信是通过称之为簇的数据结构实现的。这些簇是应用对象之间共享信息所需的全部属性的容器,在特殊应用中使用的簇在模板中有定义。每个接口都能接收(用于输入)或发送(用于输出)簇格式的数据。一共有二个特殊的端点,即端点0和端点255。端点0用于整个ZigBee设备的配置和管理。应用程序可以通过端点0与ZigBee堆栈的其它层通信,从而实现对这些层的初始化和配置。附属在端点0的对象被称为ZigBee设备对象(ZD0)。端点255用于向所有端点的广播。端点241到254是保留端点。所有端点都使用应用支持子层(APS)提供的服务。APS通过网络层和安全服务提供层与端点相接,并为数据传送、安全和绑定提供服务,因此能够适配不同但兼容的设备,比如带灯的开关。APS使用网络层(NWK)提供的服务。NWK负责设备到设备的通信,并负责网络中设备初始化所包含的活动、消息路由和网络发现。应用层可以通过ZigBee设备对象(ZD0)对网络层参数进行配置和访问。
IEEE 802.15.4标准为低速率无线个人域网(LR-WPAN)定义了OSI模型开始的两层。PHY层定义了无线射频应该具备的特征,它支持二种不同的射频信号,分别位于2450MHz波段和868/915MHz波段。2450MHz波段射频可以提供250kbps的数据速率和16个不同的信道。868/915MHz波段中,868MHz支持1个数据速率为20kbps的信道,915MHz支持10个数据速率为40kbps的信道。MAC层负责相邻设备间的单跳数据通信。它负责建立与网络的同步,支持关联和去关联以及MAC层安全:它能提供二个设备之间的可靠链接。ZigBee堆栈的不同层802.15.4 MAC通过服务接入点(SAP)进行通信。SAP是某一特定层提供的服务与上层之间的接口。ZigBee堆栈的大多数层有两个接口:数据实体接口和管理实体接口。数据实体接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务。管理实体接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。安全机制由安全服务提供层提供。然而值得注意的是,系统的整体安全性是在模板级定义的,这意味着模板应该定义某一特定网络中应该实现何种类型的安全。每一层(MAC、网络或应用层)都能被保护,为了降低存储要求,它们可以分享安全钥匙。SSP是通过ZD0进行初始化和配置的,要求实现高级加密标准(AES)。ZigBee规范定义了信任中心的用途。信任中心是在网络中分配安全钥匙的一种令人信任的设备。根据ZigBee堆栈规定的所有功能和支持,我们很容易推测ZigBee堆栈实现需要用到设备中的大量存储器资源。 不过ZigBee规范定义了三种类型的设备,每种都有自己的功能要求:ZigBee协调器是启动和配置网络的一种设备。协调器可以保持间接寻址用的绑定表格,支持关联,同时还能设计信任中心和执行其它活动。一个ZigBee网络只允许有一个ZigBee协调器。
ZigBee路由器是一种支持关联的设备,能够将消息转发到其它设备。ZigBee网格或树型网络可以有多个ZigBee路由器。ZigBee星型网络不支持ZigBee路由器。ZigBee端终设备可以执行它的相关功能,并使用ZigBee网络到达其它需要与其通信的设备。它的存储器容量要求最少。然而需要特别注意的是,网络的特定架构会戏剧性地影响设备所需的资源。NWK支持的网络拓扑有星型、树型和网格型。在这几种网络拓扑中,星型网络对资源的要求最低。ZigBee堆栈应该可以提供ZigBee规范要求的所有功能,因此制造商的重点工作是开发实际的应用。为了更加容易实现,如果制造商使用某种公共模板,那么可用大多数现成的配置。如果没有合适的公共模板,则可以充分利用其它模板已经做过的工作创建自己的模板。ZigBee协议栈体系包含一系列的层元件,其中有IEEE802.15.4 2003标准中的MAC层和PHY层,当然也包括ZigBee组织设计的NWK层。每个层的元件有其特定的服务功能。本说明描述内容涉及ZigBee协议栈的各层元件,但侧重于描述最具实际和理论探讨性的APL应用层和NWK网络层。图4.2为ZigBee栈结构框图。

图4.2 ZigBee栈结构框图
4.2.2 ZigBee无线网络结构
    ZigBee 无线网络通常主要由一个协调器节点、若干个路由器节点和终端节
点组成,大量的传感器节点根据要求部署在监测区域内部,并通过自组织的方式
构成无线网络。传感器节点采集到的数据沿着路由器节点逐跳地进行传输,在传
输过程中监测数据经过一到多个节点处理后,经过多跳传输至协调器节点,最后
通过串口到达主机。操作人员通过站控层的监测界面收集监测数据并分析设
备运行状态。 根据电力信息流内一次设备分布的状况,结合无线传感器网络的基本结构和监测系统的设计需求,对监测系统进行如下设计,其中无线传感器网络部分由终端节点、路由器节点和数据传输基站构成。终端节点和路由节点的数量根据实际监测的需要确定,监测网络采用网状拓扑结构,通过在监测区域部署终端节点来完成各一次设备运行状态数据的采集,各节点以自组织方式构成无线网络,如图所示为系统总体结构。其中无线传感器网络终端节点负责电力信息流设备运行状态数据的采集,并将采集的数据发送到数据传输基站,路由器节点主要起到转发其它终端节点数据的功能,使终端节点采集到的数据能够通过路由器节点完成多跳式的传输,从而扩大通信距离以及无线传感器网络的覆盖范围。各传感器终端节点收集到的数据通过无线网络传输至数据传输基站,经数据传输基站汇聚后通过串口将数据发送到控制主机,再传送至平台服务器进行存储和显示,供操作人员观测、查看与分析,从而完成了对电力信息流内给设备运行状态状况的实时监测。监测平台利用软件编写,负责接收、显示和存储协调器节点通过 RS232 串行总线发给主机的电力信息流一次设备运行状态的各个数据信息。结构图如图4.3所示:

图4.3 ZigBee无线网络结构图
4.2.3 ZigBee网络拓扑结构
监测装置一般布置于被监测设备本体或周围。每台变压器配置 1 台油色谱监测装置、1 个铁芯接地监测装置;每只避雷器配置 1 个避雷器绝缘监测装置;HGIS的 SF6 微水密度监测装置则按气室进行配置,每个气室配置 1 个;环境温湿度传感器只需全站配置 1 只即可。传感器一端直接与 ZigBee 的终端节点通过电路相连,另一端嵌入安装在变压器的箱体内或与相应监测部位的变压器箱体相连接,根据实际检测的需要针对不同的应用来配置不同类型的传感器。 无线数据传输基站用于收集各类传感器的无线信号,并通过数据通信总线将采集数据传送给控制主机。无线数据传输基站由 2.4GHz 数字射频(Radio Frequency,RF)收发器、宽输入 DC/DC 直流稳压电源和高增益定向天线等组成。高增益定向天线可保证与射频功率为 0dbm 的传感器节点,在开阔地的通信距离大于 300m,通信距离的扩大可大幅度减少数据传输基站的数量,降低系统总成本,有利于无线传感器网络的普及与推广。2.4  GHz  RF 收发模块接收传感器节点发来的数据,并产生中断信号,微处理机控制单元(Microprocessor  Control Unit,MCU)立即读取该数据,进行分类处理、并保存到内存和 FLASH  ROM中。一个无线数据传输基站可管理多达 65536 个传感器。主机通过串行通信总线查询传输数据传输基站,将数据传输基站收集的各节点传感器信息发送到主机,进行进一步处理。
在搭建网络之前,应根据监测需求,进行详细的网络规划。根据电力信息流主接线图确定传感器网络的拓扑结构,应实现一次设备和终端节点一一对应,并将对应关系录入后台数据库中,这样一旦哪个节点检测出的状态数据与正常值偏离过多,马上就能定位到具体设备。这种预先规划完全避开了传统无线传感器网络节点随机播撒造成的定位困难,既简洁又高效,符合实际应用的要求。在路由节点开始加入网络前,应该已经通过厂商设置取得了网络认证所需密钥。路由设备形成簇树状网络的过程如下:
a)待加入路由节点持续扫描网络中的可用信道,直到成功收到网关节点发出的信标;
b)待加入路由节点选择信标发出设备作为临时父设备,使用信标中的时间信息完成时间同步;
c)待加入路由设备向临时父设备发出加入请求,临时父设备将此加入请求转发到网络管理者;
d)待加入路由节点收到临时父设备转发来的确认信息,如果确认信息是负响应,待加入路由设备将重新开始加入过程。如果确认信息是正响应,加入过程成功结束;
e)已加入网络的路由节点开始广播信标。 终端节点加入过程如下: 在终端节点开始加入网络前,应该己经通过厂商设置取得了网络认证所需密明,将网络地址烧录到 ROM 中,注册到某一个路由节点或网关节点之上。终端节点加入族的过程如下:
a)终端节点依次监听网络内的可用信道,直到成功收到路由节点或网关节点发出的信标;
b)终端节点选择与自己父节点匹配的节点作为簇首,根据信标内的时间信息完成时间同步;
c)终端节点向选定的簇首发出加入请求;
d)收到加入请求后,簇首根据自身的通信资源情况向终端节点发出响应;
e)终端节点收到簇首发出的响应后加入网络;
f ) 终 端 节 点 加 入 网 络 后 , 网 络 管 理 者 预 分 配 给 现 场 设备 一 个Publisher/Subscriber 类型的 VCR,用于组态等应用信息的写入。ZigBee网络拓扑结构如图4.4所示:

图4.4 ZigBee网络拓扑结构示意图
4.3设备能效和建筑能效的考核及其检测计算技术的实现
本小节主要介绍设备能效和建筑能效的考核及其监测计算技术的实现方法,为了使介绍清晰,本文分别介绍设备能效的考核及其监测计算技术的实现和建筑能效的考核及其监测计算技术的实现,检测技术在上文已经介绍过,所以本节主要介绍设备能效和建筑能效的考核技术和标准,接下来详细介绍。
4.3.1设备能效的考核及其监测计算技术的实现
设备能效的检测技术在上文中已经详细介绍过,在这里不再累述,本小节主要介绍设备能效的考核技术和标准,结合国家电网颁布的标准,结合本系统的实际介绍如下:
(1)  基本要求
1.1 除空载损耗和负载损耗外,油浸式配电变压器其他参数应符合GB 1094.1和GB/T 6451的有关规定,油浸式非晶合金铁心变压器还应符合GB/T 25446的有关规定,立体卷铁心配电变压器还应符合GB/T 25438的有关规定。
1.2除空载损耗和负载损耗外,干式变压器其他参数应符合GB 1094.11和GB/T 10228的有关规定,干式非晶合金铁心变压器还应符合GB/T 22072的有关规定。
1.3 按照配电变压器铁心材质的不同,变压器能效参数按电工钢带和非晶合金分类。
1.4年贴现率通常高于银行现行贷款利率(至少不低于贷款利率)。年贴现率可根据投资者对投资回报的期望进行取值,包括对未来通货膨胀的综合考虑;也可参照国家发布的行业基准年贴现率取值,宜采用现时零风险利率作为年贴现率。
1.5油浸式配电变压器(电工钢带)能效限定值应满足表4.1规定,油浸式配电变压器(非晶合金)能效限定值应满足表4.2规定。
 
表4.1  油浸式变压器能效限定值(电工钢带)

额定容量
kVA
空载损耗
W
负载损耗
W
短路阻抗
%
Dyn11
Yzn11
Yyn0
30 80 630 600 4.0
50 100 910 870
63 110 1090 1040
80 130 1310 1250
100 150 1580 1500
125 170 1890 1800
160 200 2310 2200
200 240 2730 2600
250 290 3200 3050
315 340 3830 3650
400 410 4520 4300
500 480 5410 5150
630 570 6200 4.5
800 700 7500
1000 830 10300
1250 970 12000
1600 1170 14500
 
 

表4.2油浸式变压器能效限定值(非晶合金)
额定容量
kVA
空载损耗
W
负载损耗
W
短路阻抗
%
Dyn11
Yzn11
Yyn0
30 33 630 600 4.0
50 43 910 870
63 50 1090 1040
80 60 1310 1250
100 75 1580 1500
125 85 1890 1800
160 100 2310 2200
200 120 2730 2600
250 140 3200 3050
315 170 3830 3650
400 200 4520 4300
500 240 5410 5150
630 320 6200 4.5
800 380 7500
1000 450 10300
1250 530 12000
1600 630 14500
 
4.3.2建筑能效的考核及其监测计算技术的实现
建筑能效的检测技术在上文中已经详细介绍过,在这里不再累述,本小节主要介绍建筑能效的考核技术和标准,结合国家相关部门颁布的标准,结合本系统的实际介绍如下:国外一些国家较早开展了建筑节能工作,取得了显著的成效。根据经验,推动建筑节能除了要在规划、设计、施工、产品等技术层面做工作,还应从政策、法规、标准、机制等管理层面进行创新。建筑能效标识制度是近年来发展起来的一种基于市场的建筑节能管理方式,其广泛应用促进了建筑节能工作的进展。我国在2004年正式启动了能效标识制度,但仅局限于少数家用电器产品,而建筑领域的能效标识制度还未建立。在当前严峻的节能减排形势下,有必要开展建筑能效标识制度的研究,探索建筑能效评估与标识的技术、方法和标准,通过机制创新来推动我国建筑节能工作的深入开展。既有建筑能效评估技术目前国内还没有建立完整的建筑能效标识制度,需要首先从建筑能效评估技术入手,建立起建筑能效标识基础。
建筑能效标识制度是推动建筑节能工作深入开展的一项非常有效的创新机制和管理模式,而建筑能效评估则是保证建筑能效标识顺利实施的基础和依据。我国的建筑能效标识工作尚处于探索试点阶段,还未形成完善的能效评估体系。本文以既有建筑为主要对象,初步建立了上海地区既有建筑能效评估方法,该方法将现场实测与计算机模拟技术相结合,以无量纲的相对能耗值作为评估依据,以简洁、直观的“能效指数”和“能效等级”作为评估指标,可以为既有建筑的能效标识提供量化依据,通过上述介绍我们从大体上总结出建筑能效的考核标准,也就是环境友好化、能耗降低化、效率提高化。
4.4 本章小结
本章主要在上一章基于WSN的电力信息流路由软件的系统总体设计的基础上,本章对基于WSN的电力信息流路由软件的系统进行了详细设计,本章主要涉及无线传感器网络的构建、无线通信网络的构建(包括ZigBee协议栈、ZigBee网络节点类型、ZigBee网络拓扑结构)、设备能效和建筑能效的考核及其监测计算技术的实现等几个方面对系统进行了详细设计,本章的完成意味着系统总体设计方案和详细设计方案以及系统硬件的设计取得了预期效果,为下一章基于WSN的电力信息流路由软件的系统的软件设计打下了基础。
 
 
 
 
 
第五章 基于WSN的电力信息流路由软件系统的软件设计
本章在上文提到的总体设计和详细设计的基础上,结合系统实际,讨论系统的软件系统设计,本文主要从系统的软件需求分析、系统的软件详细设计、系统的软件数据库设计、系统的软件实现等几个方面对系统的软件设计做较为全面的分析介绍。
5.1 软件需求分析
   变电设备状态监测与故障诊断系统是智能电网建设的重要内容,变电设备状态监测技术是实现智能电力信息流建设的关键支撑技术,是智能电力信息流建设的核心内容。站控层的变电设备状态监测与评估系统要能够依据获得的电力设备状态信息,采用基于多信息融合技术的综合评估模型,结合设备的结构特性和参数、运行历史状态记录以及环境因素,对电力设备工作状态和剩余寿命作出评估;对已经发生、正在发生或可能发生的故障进行分析、判断和预报,明确故障的性质、类型、程度、原因,指出故障发生和发展的趋势及其后果,提出控制故障发展和消除故障的有效对策,达到避免电力设备事故发生、保证设备安全、可靠、正常运行的目的。
站控层的软件系统要为智能电力信息流提供在线监测的整体解决方案。系统可对
变压器温度及负荷、油中溶解气体、油中微水、套管绝缘、铁芯接地电流、局部
放电、辅助设备(冷却风扇、油泵、瓦斯继电器、有载分接开关等)、断路器及
GIS 中 SF6 气体密度及微水、GIS 局部放电、断路器动作特性、GIS室内 SF6 气
体泄露、电流互感器及容性电压互感器绝缘、耦合电容器绝缘和避雷器绝缘等信
息进行综合监测。
5.2 软件详细设计
    根据站控层软件系统的需求分析,根据历史查询显示。设备状态评估如果异
常应能直接实时推送到系统界面,通知站控层工作人员设备运行异常。软件系统
的详细设计如图 5.1所示。

图5.1 软件详细设计图
系统的流程图如图5.2所示。
                                                
图5.2 系统的软件流程图
5.3 软件数据库设计
系统的总体 E-R 图设计如图5.3所示。
 
图5.3 系统的数据库E-R图
根据系统总体 ER 图,可以对数据库表进行设计,电力信息流设备个监测单元
的数据库表的设计如表5.1和表5.2所示。
表5.1变压器局部放电接入数据规范

表5.2断路器局部放电接入数据规范

5.4 软件实现
5.4.1 软件技术支持
(1)SSH 框架
SSH 框架的系统从职责上分为四层,分别为:表示层、业务逻辑层、数据持
久层和域模块层。系统分层有助于开发人员在短期内构建结构清晰、可复用性好、
维护方便的 Web  应用程序。其中将 Struts2 框架作为系统的整体基础架构,负责MVC 的分离。在 Struts2 框架的模型部分,利用 Hibernate 框架提供对持久层的支持,利用 Spring 提供对业务层的支持。具体做法是:用面向对象的分析方法根据需求设计模型,将这些模型实现为基本的 Java 对象,并编写基本的 DAO 接口,用 Hibernate 框架实现 DAO,利用 Hibernate 架构实现的 DAO 类进行 Java类与数据库之间的转换与访问,最后由 Spring  完成业务逻辑。SSH 集成框架与技术结构如图5.4所示。

图5.4 SSH集成框架与技术结构图
SSH 框架主要有以下几点优势,一是基于 MVC 的设计模式,构建清晰的结构体系,减轻了开发人员的负担,提高了开发效率;二是由于 SSH 框架是目前
最流行的 Java EE 轻量级开发框架,拥有强大的技术保障,这也使得在未来不会因为技术问题阻碍了系统的扩展性;三是 SSH 框架使得系统具有更高的可维护性,它的分层架构体系将各个层级之间合理的分离,有效地降低了系统层级间的耦合度,降低了将来系统重构以及需求修改的实施风险,并且提高了系统构建的速率。四是,SSH 框架具有良好的解耦性,四层架构之间只需要通过接口进行耦合,具体的实现过程都彼此隔离开来,部分的业务逻辑发生改变不会影响到其他部分。综上所述,SSH 框架是一种高效的,合理的开发框架。
(2)服务器推送技术
服务器推送技术是 Web 技术中较为流行的一个术语,也是继 Ajax 之后备受关注的又一项 Web 技术。它保持浏览器和服务器建立的 Http 长连接,当有新事件到达服务器或服务器端的数据发生了变化时,不需要客户端再次向服务器端发送请求,服务器会主动将新事件或数据“推送”到客户端。当服务器发送一批数据时,浏览器显示数据并保持连接,以后服务器仍可以通过这个连接向客户端批量发送数据,这样可以大大节省建立连接和关闭连接的时间。这种低延时特性的技术特别适合用在实时性强的系统中。 在电力信息流设备监测软件系统中,设备的告警信息要求在第一时间通知工作人员。因此告警信息的传送对实时性要求很高。由于服务器推送技术能保证数据传送的实时性,因此十分适用于系统软件设备告警的应用当中。由于系统的平台是基于 Java 开发,选用的服务器推送的具体技术是 Pushlet。Pushlet 是 Java  技术、动态网页技术、Ajax 技术、Java Servlets 技术等多种 Web 技术相互融合共同发展的成果,是实现服务器推送技术的一个开源框架。
(3)设备状态诊断方法
在线监测的最终目的即是故障诊断,因此设备状态诊断是综合性平台的核心功能。如何通过利用设备监测数据获得设备运行状态是该功能的关键所在。计算机技术和人工智能技术的发展,为设备诊断技术开拓了新的途径。人们将专家经验和标准规则转化成机器可以理解的知识库,伴随时间的推移,不断完善和更新知识库,并结合先进的推理过程,就可以得到理想的诊断结果,进而提高了设备诊断的效率和准确性。 系统软件采用的设备诊断的基本方法是专家系统和神经网络的结合。专家系统是以逻辑推理为基础模拟人类思维的符号主义人工智能方法。设计一个专家系统需要经历知识获取、知识表示、推理机设计、知识库和数据库维护等阶段,需要较长时间。神经网络是以连接结构为基础,通过模拟人类大脑结构来模拟人类形象思维的一种非逻辑、非语言的人工智能途径。它能够从捕获的大量事件中,迅速做出所容许的精确响应。专家系统和神经网络各具特点,把二者结合起来可以更好地发挥彼此的特长,扬长避短。基于该方法建造的设备诊断系统也是一个功能更完善、更实用的人工智能应用系统。
5.4.2 软件功能实现
(1)系统登录界面
出于信息安全的考虑,电力信息流设备监测系统平台只能由内部工作人员查看,在系统登录页面,工作人员输入自己的用户名和密码即可登录系统平台,查看电力信息流设备在线监测的相关信息。如图5.5所示为系统用户登录界面。

图5.5 系统登录界面
(2)电力信息流主界面
用户登录后,进入系统的主界面。界面左侧为电力信息流设备的树形列表,界面右侧为电力信息流一次接线图。用户可以通过点击左侧树形列表的变电设备节点,或者点击右侧电力信息流一次接线图中的电力信息流设备图标,查看设备的详细信息10KV电力信息流系统主界面如图5.6所示。
 

图5.6 系统主界面
(3)变压器监测系统界面
在系统主界面,选择设备可以查看设备的详细监测信息。以变压器为例,如
图5.7所示为变压器监测系统界面。在界面中,展示了变压器的监测类型,监测类型的具体参数,图标标示各参数的状态,以及设备整体的运行状态。其中各监测类型参数的状态图标,绿色代表安全,黄色代表预警,红色代表告警。

图5.7 变压器监测系统
5.5 本章小结
    本章针对基于WSN的电力信息流路由研究系统的设计与实现要求,分析了监测系统软件的功能。并对设计的10KV电力信息流路由研究系统的功能进行了具体的介绍,本文先给出了软件的需求分析,接下来给出软件的详细设计以及数据库设计,最后给出了软件的实际实现过程。
 
 
第六章 全文总价和前景展望
    本文介绍了基于WSN的电力信息流路由软件系统的设计过程,为实现国家电网公司提出的设备状态监测的目标,设计并实现了基于无线传感器网络的电力信息流设备在线监测系统。无线传感器网络具有无需布线、施工简单、易扩展等特点在电力信息流中具有广泛的应用前景。但目前无线传感器网络在电力信息流内的应用较少主要是因为电力信息流内复杂的电磁环境对无线通信的影响的研究还相对缺失,这也是本课题的研究难点。本文的主要工作点如下:
(1)分析电力信息流设备在线监测现状,结合目前比较先进的无线通信技术完成了基于无线通信的电力信息流设备在线监测系统的需求分析。
(2)电力信息流内设备环境复杂,方案在实际应用中如何避免电力信息流内的干扰因素是关键。本文分析了干扰来源并给出了相应措施的网络结构设计来避免干扰。
(3)通过上述前期工作完成系统详细设计,包括功能设计图、系统流程图、数据库规范等工作。
(4)编程实现了基于无线传感器网络的智能基于WSN的电力信息流路由软件的系统,经过系统上线运行,效果良好。尽管目前对基于无线传感器网络的电力信息流设备在线监测有一定的研究,但在实际应用中还面临着诸多困难,没有得到实际应用。下一步的研究工作需要通过在电力信息流内的实际运行,充分考虑电力信息流内电磁信号的干扰,进行抗干扰设计。还要进行软件界面的优化,使功能得到进一步的扩展。

 
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致谢
在本次毕业设计中,我得到了很多人的帮助,其中既有同学,也有在一个实验室的朋友,当然帮助最多还是我的指导老师某某,某老师不管在生活上还是学习上都对我很关心,特别在撰写论文阶段,某老师不止一次的关心鼓励我,使我在科研的征途上越战越勇,最终完成本文的写作。这里特别想对某老师说一声,老师,您辛苦了。
不知不觉,三年已经过去了,留下的只有回忆,在这三年中,我要感谢的人太多了,我要感谢某某老师把我带进创新实验室,正是因为有了创新实验室的平台,我才能参加很多比赛并获奖,才让更多的人认识了我,才使我从一个对相关知识一无所知的研一学生,一步一步的认识软件,走进软件的世界,正是有了软件设计和电子才使我获得了自信,有了人生的目标。我还要感谢我的辅导员老师,某老师平时对我严格要求,让我养成了很好的生活习惯,我还要感谢我的女朋友,在我做毕业设计的日子里对我的照顾。
最后,感谢某某大学,感谢我的母校,感谢母校给了我一个难忘的三年。使我从一个无知的少年蜕变成了一个有责任,有技能的社会主义接班人。
 
 
 
 
附录
系统的核心测试代码:
#include "OSAL.h"
#include "ZGlobals.h"
#include "AF.h"
#include "aps_groups.h"
#include "ZDApp.h"
 
#include "SampleApp.h"
#include "SampleAppHw.h"
 
#include "OnBoard.h"
 
/* HAL */
#include "hal_lcd.h"
#include "hal_led.h"
#include "hal_key.h"
 
/*********************************************************************
 * MACROS
 */
 
/*********************************************************************
 * CONSTANTS
 */
 
/*********************************************************************
 * TYPEDEFS
 */
 
/*********************************************************************
 * GLOBAL VARIABLES
 */
 
// This list should be filled with Application specific Cluster IDs.
const cId_t SampleApp_ClusterList[SAMPLEAPP_MAX_CLUSTERS] =
{
  SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID,
  SAMPLEAPP_FLASH_CLUSTERID
};
 
const SimpleDescriptionFormat_t SampleApp_SimpleDesc =
{
  SAMPLEAPP_ENDPOINT,              //  int Endpoint;
  SAMPLEAPP_PROFID,                //  uint16 AppProfId[2];
  SAMPLEAPP_DEVICEID,              //  uint16 AppDeviceId[2];
  SAMPLEAPP_DEVICE_VERSION,        //  int   AppDevVer:4;
  SAMPLEAPP_FLAGS,                 //  int   AppFlags:4;
  SAMPLEAPP_MAX_CLUSTERS,          //  uint8  AppNumInClusters;
  (cId_t *)SampleApp_ClusterList,  //  uint8 *pAppInClusterList;
  SAMPLEAPP_MAX_CLUSTERS,          //  uint8  AppNumInClusters;
  (cId_t *)SampleApp_ClusterList   //  uint8 *pAppInClusterList;
};
 
// This is the Endpoint/Interface description.  It is defined here, but
// filled-in in SampleApp_Init().  Another way to go would be to fill
// in the structure here and make it a "const" (in code space).  The
// way it's defined in this sample app it is define in RAM.
endPointDesc_t SampleApp_epDesc;
 
/*********************************************************************
 * EXTERNAL VARIABLES
 */
 
/*********************************************************************
 * EXTERNAL FUNCTIONS
 */
 
/*********************************************************************
 * LOCAL VARIABLES
 */
uint8 SampleApp_TaskID;   // Task ID for internal task/event processing
                          // This variable will be received when
                          // SampleApp_Init() is called.
devStates_t SampleApp_NwkState;
 
uint8 SampleApp_TransID;  // This is the unique message ID (counter)
 
afAddrType_t SampleApp_Periodic_DstAddr;
afAddrType_t SampleApp_Flash_DstAddr;
 
aps_Group_t SampleApp_Group;
 
uint8 SampleAppPeriodicCounter = 0;
uint8 SampleAppFlashCounter = 0;
 
/*********************************************************************
 * LOCAL FUNCTIONS
 */
void SampleApp_HandleKeys( uint8 shift, uint8 keys );
void SampleApp_MessageMSGCB( afIncomingMSGPacket_t *pckt );
void SampleApp_SendPeriodicMessage( void );
void SampleApp_SendFlashMessage( uint16 flashTime );
 
/*********************************************************************
 * NETWORK LAYER CALLBACKS
 */
 
/*********************************************************************
 * PUBLIC FUNCTIONS
 */
 
/*********************************************************************
 * @fn      SampleApp_Init
 *
 * @brief   Initialization function for the Generic App Task.
 *          This is called during initialization and should contain
 *          any application specific initialization (ie. hardware
 *          initialization/setup, table initialization, power up
 *          notificaiton ... ).
 *
 * @param   task_id - the ID assigned by OSAL.  This ID should be
 *                    used to send messages and set timers.
 *
 * @return  none
 */
void SampleApp_Init( uint8 task_id )
{
  SampleApp_TaskID = task_id;
  SampleApp_NwkState = DEV_INIT;
  SampleApp_TransID = 0;
 
  // Device hardware initialization can be added here or in main() (Zmain.c).
  // If the hardware is application specific - add it here.
  // If the hardware is other parts of the device add it in main().
 
 #if defined ( SOFT_START )
  // The "Demo" target is setup to have SOFT_START and HOLD_AUTO_START
  // SOFT_START is a compile option that allows the device to start
  //  as a coordinator if one isn't found.
  // We are looking at a jumper (defined in SampleAppHw.c) to be jumpered
  // together - if they are - we will start up a coordinator. Otherwise,
  // the device will start as a router.
  if ( readCoordinatorJumper() )
    zgDeviceLogicalType = ZG_DEVICETYPE_COORDINATOR;
  else
    zgDeviceLogicalType = ZG_DEVICETYPE_ROUTER;
#endif // SOFT_START
 
#if defined ( HOLD_AUTO_START )
  // HOLD_AUTO_START is a compile option that will surpress ZDApp
  //  from starting the device and wait for the application to
  //  start the device.
  ZDOInitDevice(0);
#endif
 
  // Setup for the periodic message's destination address
  // Broadcast to everyone
  SampleApp_Periodic_DstAddr.addrMode = (afAddrMode_t)AddrBroadcast;
  SampleApp_Periodic_DstAddr.endPoint = SAMPLEAPP_ENDPOINT;
  SampleApp_Periodic_DstAddr.addr.shortAddr = 0xFFFF;
 
  // Setup for the flash command's destination address - Group 1
  SampleApp_Flash_DstAddr.addrMode = (afAddrMode_t)afAddrGroup;
  SampleApp_Flash_DstAddr.endPoint = SAMPLEAPP_ENDPOINT;
  SampleApp_Flash_DstAddr.addr.shortAddr = SAMPLEAPP_FLASH_GROUP;
 
  // Fill out the endpoint description.
  SampleApp_epDesc.endPoint = SAMPLEAPP_ENDPOINT;
  SampleApp_epDesc.task_id = &SampleApp_TaskID;
  SampleApp_epDesc.simpleDesc
            = (SimpleDescriptionFormat_t *)&SampleApp_SimpleDesc;
  SampleApp_epDesc.latencyReq = noLatencyReqs;
 
  // Register the endpoint description with the AF
  afRegister( &SampleApp_epDesc );
 
  // Register for all key events - This app will handle all key events
  RegisterForKeys( SampleApp_TaskID );
 
  // By default, all devices start out in Group 1 
  SampleApp_Group.ID = 0x0001;
  osal_memcpy( SampleApp_Group.name, "Group 1", 7  );
  aps_AddGroup( SAMPLEAPP_ENDPOINT, &SampleApp_Group );
 
#if defined ( LCD_SUPPORTED )
  HalLcdWriteString( "SampleApp", HAL_LCD_LINE_1 );
#endif
}
 
/*********************************************************************
 * @fn      SampleApp_ProcessEvent
 *
 * @brief   Generic Application Task event processor.  This function
 *          is called to process all events for the task.  Events
 *          include timers, messages and any other user defined events.
 *
 * @param   task_id  - The OSAL assigned task ID.
 * @param   events - events to process.  This is a bit map and can
 *                   contain more than one event.
 *
 * @return  none
 */
uint16 SampleApp_ProcessEvent( uint8 task_id, uint16 events )
{
  afIncomingMSGPacket_t *MSGpkt;
 
  if ( events & SYS_EVENT_MSG )
  {
    MSGpkt = (afIncomingMSGPacket_t *)osal_msg_receive( SampleApp_TaskID );
    while ( MSGpkt )
    {
      switch ( MSGpkt->hdr.event )
      {
        // Received when a key is pressed
        case KEY_CHANGE:
          SampleApp_HandleKeys( ((keyChange_t *)MSGpkt)->state, ((keyChange_t *)MSGpkt)->keys );
          break;
 
        // Received when a messages is received (OTA) for this endpoint
        case AF_INCOMING_MSG_CMD:
          SampleApp_MessageMSGCB( MSGpkt );
          break;
 
        // Received whenever the device changes state in the network
        case ZDO_STATE_CHANGE:
          SampleApp_NwkState = (devStates_t)(MSGpkt->hdr.status);
          if ( (SampleApp_NwkState == DEV_ZB_COORD)
              || (SampleApp_NwkState == DEV_ROUTER)
              || (SampleApp_NwkState == DEV_END_DEVICE) )
          {
            // Start sending the periodic message in a regular interval.
            osal_start_timerEx( SampleApp_TaskID,
                              SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT,
                              SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_TIMEOUT );
          }
          else
          {
            // Device is no longer in the network
          }
          break;
 
        default:
          break;
      }
 
      // Release the memory
      osal_msg_deallocate( (uint8 *)MSGpkt );
 
      // Next - if one is available
      MSGpkt = (afIncomingMSGPacket_t *)osal_msg_receive( SampleApp_TaskID );
    }
 
    // return unprocessed events
    return (events ^ SYS_EVENT_MSG);
  }
 
  // Send a message out - This event is generated by a timer
  //  (setup in SampleApp_Init()).
  if ( events & SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT )
  {
    // Send the periodic message
    SampleApp_SendPeriodicMessage();
 
    // Setup to send message again in normal period (+ a little jitter)
    osal_start_timerEx( SampleApp_TaskID, SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT,
        (SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_TIMEOUT + (osal_rand() & 0x00FF)) );
 
    // return unprocessed events
    return (events ^ SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT);
  }
 
  // Discard unknown events
  return 0;
}
 
/*********************************************************************
 * Event Generation Functions
 */
/*********************************************************************
 * @fn      SampleApp_HandleKeys
 *
 * @brief   Handles all key events for this device.
 *
 * @param   shift - true if in shift/alt.
 * @param   keys - bit field for key events. Valid entries:
 *                 HAL_KEY_SW_2
 *                 HAL_KEY_SW_1
 *
 * @return  none
 */
void SampleApp_HandleKeys( uint8 shift, uint8 keys )
{
  if ( keys & HAL_KEY_SW_1 )
  {
    /* This key sends the Flash Command is sent to Group 1.
     * This device will not receive the Flash Command from this
     * device (even if it belongs to group 1).
     */
    SampleApp_SendFlashMessage( SAMPLEAPP_FLASH_DURATION );
  }
 
  if ( keys & HAL_KEY_SW_2 )
  {
    /* The Flashr Command is sent to Group 1.
     * This key toggles this device in and out of group 1.
     * If this device doesn't belong to group 1, this application
     * will not receive the Flash command sent to group 1.
     */
    aps_Group_t *grp;
    grp = aps_FindGroup( SAMPLEAPP_ENDPOINT, SAMPLEAPP_FLASH_GROUP );
    if ( grp )
    {
      // Remove from the group
      aps_RemoveGroup( SAMPLEAPP_ENDPOINT, SAMPLEAPP_FLASH_GROUP );
    }
    else
    {
      // Add to the flash group
      aps_AddGroup( SAMPLEAPP_ENDPOINT, &SampleApp_Group );
    }
  }
}
 
/*********************************************************************
 * LOCAL FUNCTIONS
 */
 
/*********************************************************************
 * @fn      SampleApp_MessageMSGCB
 *
 * @brief   Data message processor callback.  This function processes
 *          any incoming data - probably from other devices.  So, based
 *          on cluster ID, perform the intended action.
 *
 * @param   none
 *
 * @return  none
 */
void SampleApp_MessageMSGCB( afIncomingMSGPacket_t *pkt )
{
  uint16 flashTime;
 
  switch ( pkt->clusterId )
  {
    case SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID:
      break;
     
    case SAMPLEAPP_FLASH_CLUSTERID:
      flashTime = BUILD_UINT16(pkt->cmd.Data[1], pkt->cmd.Data[2] );
      HalLedBlink( HAL_LED_4, 4, 50, (flashTime / 4) );
      break; 
  }
}
 
/*********************************************************************
 * @fn      SampleApp_SendPeriodicMessage
 *
 * @brief   Send the periodic message.
 *
 * @param   none
 *
 * @return  none
 */
void SampleApp_SendPeriodicMessage( void )
{
  if ( AF_DataRequest( &SampleApp_Periodic_DstAddr, &SampleApp_epDesc,
                       SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID,
                       1,
                       (uint8*)&SampleAppPeriodicCounter,
                       &SampleApp_TransID,
                       AF_DISCV_ROUTE,
                       AF_DEFAULT_RADIUS ) == afStatus_SUCCESS )
  {
  }
  else
  {
    // Error occurred in request to send.
  }
}
 
/*********************************************************************
 * @fn      SampleApp_SendFlashMessage
 *
 * @brief   Send the flash message to group 1.
 *
 * @param   flashTime - in milliseconds
 *
 * @return  none
 */
void SampleApp_SendFlashMessage( uint16 flashTime )
{
  uint8 buffer[3];
  buffer[0] = (uint8)(SampleAppFlashCounter++);
  buffer[1] = LO_UINT16( flashTime );
  buffer[2] = HI_UINT16( flashTime );
 
  if ( AF_DataRequest( &SampleApp_Flash_DstAddr, &SampleApp_epDesc,
                       SAMPLEAPP_FLASH_CLUSTERID,
                       3,
                       buffer,
                       &SampleApp_TransID,
                       AF_DISCV_ROUTE,
                       AF_DEFAULT_RADIUS ) == afStatus_SUCCESS )
  {
  }
  else
  {
    // Error occurred in request to send.
  }
}

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