基于无线传感器网络的电力变压器监测系统本科毕业论文.docx
《基于无线传感器网络的电力变压器监测系统本科毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于无线传感器网络的电力变压器监测系统本科毕业论文.docx（32页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于无线传感器网络的电力变压器监测系统本科毕业论文
毕业设计说明书（论文）
作者：
学号：
学院：
专业：
题目：
基于无线传感器网络的电力变压器监测系统
指导者：
（姓名）（专业技术职务）
评阅者：
（姓名）（专业技术职务）
毕业设计说明书（论文）中文摘要
在现代电力系统中，220kV及以上的发电厂变电站停运和局部电网解列事故中，变压器故障造成的电网故障所占比例较大，随着变电站自动化等级的提高，变压器在线监测研究成为电力设备在线监测体系中的重要组成部分。
本课题将无线ZigBee技术和GPRS技术相结合，设计了基于ZigBee和GPRS的电力变压器监测系统，提出了以ZigBee无线传感器网络为核心，以GPRS移动网为骨干网，采用CC2430芯片为电力变压器信号采集节点的方案。
本设计既实现了系统的灵活性，也解决了由于ZigBee是一种近距离传输技术而使监测数据传输不远的问题，是一种技术结合的创新，在监测领域将有广阔的应用前景。
关键词：
无线传感器网络；ZigBee技术；电力变压器
毕业设计说明书（论文）外文摘要
TitleThePowerTransformerMonitoringSystemBasedOnInfiniteSensorNetworkTechnology
Abstract
Intheaccidentof220kVpowerplant,substationandlocalpowergridsolutionservice,thereisalargeproportionthattransformerfaultscausethepowergridfailure.Withtheimprovementofsubstationautomationlevel,theon-linemonitoringresearchofTransformerhasbecameanimportantpartofthepowerequipmenton-linemonitoringsystem.ThesubjectcombinedwirelessZigBeetechnologywithwirelessGPRStechnology,designedthePowertransformermonitoringsystembasedontheZigBeeandtheGPRSnetwork,putforwardaplanwhichisbasedonZigBeeinfinitesensornetworkandGPRStechnology.Thedesignhasnotonlyrealizedtheflexibilityofthesystem,butalsosolvedtheproblemofZigBee’sclosetransmission,isakindofinnovativecombinationofthinkingandtechnology,andtherewillbeabroadapplicationalprospectsinthemonitoringarea.
Keywords:
Wirelesssensornetwork;ZigBeetechnology;Powertransformer
目录
毕业设计说明书（论文）中文摘要i
毕业设计说明书（论文）外文摘要ii
第1章绪论-1-
1.1概述-1-
1.1.1课题研究背景、目的与意义-1-
1.1.2国内外研究现状分析-1-
1.2课题研究内容与拟解决的关键问题-2-
第2章无线传感器网络与无线通信技术-4-
2.1无线传感器网络的体系结构-4-
2.1.1通信体系结构-4-
2.1.2网络拓扑结构-5-
2.2ZigBee技术-7-
2.2.1ZigBee技术概述-7-
2.2.2ZigBee技术的特点-7-
2.2.3ZigBee技术与其它接入技术的比较-7-
2.3GPRS技术-9-
2.3.1GPRS技术概述-9-
2.3.2GPRS技术的特点-9-
第3章系统的总体设计-11-
3.1系统的总体设计原则-11-
3.2系统的技术优势-11-
3.3系统的总体结构-12-
第4章系统的硬件设计-13-
4.1采集节点的硬件设计-13-
4.1.1CC2430主要特点-13-
4.1.2CC2430外围电路设计-14-
4.1.3采集节点的电路设计-14-
4.2汇聚节点的硬件设计-15-
4.2.1MC39i芯片介绍-15-
4.2.2汇聚节点的电路设计-16-
4.3接收终端的设计-17-
4.4电源模块的设计-17-
4.5串口转换电路设计-18-
第5章系统的软件设计-20-
5.1系统软件的总体设计-20-
5.2采集节点的软件设计-21-
5.3汇聚节点的软件设计-22-
总结与展望-23-
参考文献-24-
致谢-25-
第1章绪论
1.1概述
1.1.1课题研究背景、目的与意义
电力变压器是电力系统中重要的高压电气设备，担负着电压、电流的转换以及功率传输的任务，其性能的好坏直接影响着电力系统的安全稳定运行，可以形象地将电力变压器视为电网的“心脏”。
因此，这对长期运行的电力变压器来说，确保它的运行可靠性是一个重要的问题。
电力变压器制造材料的改进、设计方法和制造技术的提高已经在一定程度上地提高了电力变压器运行的可靠性。
但是，由于电力变压器的运行环境以及现在的故障诊断手段还不够完善、评定电力变压器设备绝缘状态可靠性的可信度还不高，以至于电力变压器出现故障时，不能准确地判断出电力变压器的故障，所以，电力变压器的故障概率是比较高的。
在220kV及以上的发电厂变电站停运和局部电网解列事故中,变压器故障造成的电网故障所占比例较大,随着变电站自动化等级的提高,变压器在线监测研究成为电力设备在线监测体系中的重要组成部分[1].
1.1.2国内外研究现状分析
早在20世纪60年代，国内就开始了对电力变压器安全监测系统的研究和开发，国内有些企业也涉足此类系统的研究工作，但是由于技术和成本等原因都鲜见成功[2]。
到20世纪90年代后期，计算机、通信技术的迅速发展促进了监测系统在各行业的应用。
国内各企业也在研究和开发方面有了新的进展。
迅速发展起来的微波技术，可以很容易将数据传送到千里之外，电力技术人员也希望利用这一技术来实现生产的远程监测。
利用微波技术来进行远程通信不仅速度快，而且传送距离远。
但是，在电力基地实现这一技术就必须利用卫星通道或较大功率的微波站，其投资成本非常大，暂不现实。
随着小功率微波通信技术的发展，使得小范围内的电力远程监测成为可能，而且在国内已经出现利用小功率微波通信设备进行远程监测的系统。
小功率微波通信成本大大降低，在我国内地少数电力平台上已经开始采用这种设备进行监测。
但由于这种监测系统工作环境恶劣，盗窃破坏严重，产品化程度差等原因，这种技术没有得到广泛的推广应用[3]。
同期，在20世纪60年代，国外一些国家就开始了对在线监测技术的研究。
经过40多年的发展，在线监测已从理论研究发展到了实用阶段[4]。
国外学者在电力变压器在线监测以及故障诊断方面，在线监测主要包括：
油中气体含量在线监测（油色谱在线分析）、变压器绕组局部放电在线监测、变压器绕组变形在线监测等等，其中最成熟也最主要使用的方法是油中气体含量在线监测。
公认比较有效的方法为变压器油中气体的在线监测。
因此，基于油中溶解气体的变压器在线监测技术在变压器在线监测中占有重要的地位[5]。
许多国家（如德国、美国、日本及加拿大等）都对油中溶解气体监测方面进行了研究探讨，并生产了不少监测设备，如三菱TCG自动监测仪、东芝在线三组分色谱仪和加拿大H20lR型监测仪、美国的TrueGas等。
在国内也相继开发了一些类似的设备，如东北电力试验研究院于1994年研制的BSZ大型变压器油色谱在线监测装置、北京电子管厂生产的BGY一1型变压器在线监测装置的改进型装置—TRAN型变压器早期故障在线监测仪、中国电力科学研究院研制的DDG一1000变压器油中溶解氢气在线检测仪等。
这些装置按不同的标准可以有多种分类方式[6]，其功能由测单组分氢气、测可燃气总量发展为分别监测多组分的单独含量的设备。
变压器局部放电是反映高压电气设备状态的一个重要标志。
因为很多故障均产生局部放电。
一般情况下，如果变压器油中发现了特征气体，则表明其内部已经存在比较严重的局部放电。
目前广泛采用的是脉冲电流法。
随着传感器技术、数据采集技术等的不断发展，局部放电的检测向超高频和超宽频方向发展。
同时电力变压器局部放电超声检测也有很好的应用前景，光纤技术己经应用在局部放电超声探测上[7]。
国内外很多专家在变压器局部放电的在线监测及故障诊断上进行了深入的研究[8]。
变压器绕组热点温度的测量方法包括直接测量法和间接计算法。
直接测量法是在绕组靠近导线部分埋设传感器，由温度测量仪测温。
间接计算法是根据假设的变压器热模型，结合各国实践经验来估算变压器绕组的热点温度。
现在国内外已经把人工智能技术应用于变压器绕组热点的在线监测，如陈津，高立桐等人研制了智能型变压器温度保护装置[9]。
但由于电力变压器结构复杂,而且电力变压器的故障往往由多种原因引起，不同故障所表现出的征兆有时具有相似性、随机性、人为的干扰因素以及诊断设备和手段存在的误差等因素，因此，常规的电力变压器故障诊断方法远远不能满足现代故障诊断的要求[10]。
1.2课题研究内容与拟解决的关键问题
如图1.1所示是无线传感器网络整体结构。
传感器网络系统通常包括传感器节点（sensorNode）、汇聚节点（sinkNode）和管理节点。
大量的传感器节点部署在监测区域（SensorField）内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。
传感器节点监测的数据沿着其它传感器节点逐跳地进行传输，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网到达管理节点。
用户通过管理节点对传感器网网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。
本课题的目标是实现如图1-1所示的基于ZigBee技术和GPRS技术的无线传感器网络系统对电力变压器的监测。
图1-1无线传感器网络示意图
论文一共分为五章，具体的内容及结构安排如下:
第一章:
绪论。
介绍电力变压器在线监测的意义，国内外电力变压器监测的发展现状，结合我国目前的环境提出适合我国使用的电力变压器监测系统。
第二章:
介绍了设计系统中应用的相关技术信息，包括传感器网络的简单介绍，ZigBee技术与GPRS技术的工作原理和特点。
第三章:
整体给出系统的设计思路，并结合总体设计原则给出系统的总体结构框图。
第四章：
系统的硬件设计，介绍系统中各主要模块的硬件设计，如采集节点、汇聚节点、电源模块、串口转换电路等。
第五章:
给出系统的软件设计流程，包括了系统的总体设计流程、采集节点的软件设计流程和汇聚节点的软件设计流程。
第2章无线传感器网络与无线通信技术
2.1无线传感器网络的体系结构
目前，国际上具有代表性的无线传感器网络的体系结构分为两类，一类是基于分簇的层次结构模型;另外一类是水平结构。
分簇层次结构可以有效均衡各传感器网络负载，避免路由建立时出现的泛洪问题，具有一定的发展潜力。
整个网络中有若干无线节点组成，每个无线节点都具有感知、路由和动态自组织等功能，为了能够将这些节点的感知信息有效地传送给监控中心，系统将在一定区域内的节点分为一簇，簇与簇之间通过簇头转发节点进行簇间信息的转发，簇头转发节点再将感知信息通过有线网络传送到控制中心。
一个典型的无线传感器网络的体系构建包括分布式传感器节点、接收和发送器、互联网以及用户接口界面等。
其中传感器节点是基本和核心单元，负责传感和信息预处理，响应监控主机的指令和发送数据。
每个节点都能收集数据并利用自带的处理器对感知数据进行初级处理，由于节点功率的限制，其传递距离很有限，节点会寻找临近的节点作为传输中继，将相关信息通过多跳中继发送到汇聚节点。
汇聚节点是一种特殊节点，拥有相对较强的处理器和较大的存储器空间，具有更大的处理能力和发送范围，功能是先对网络中普通节点传输过来的数据进行初步处理（如计算、压缩、去除冗余等），然后与外部网络（互联网、移动通信网等）相联，将有用信息通过长距离或临时建立的sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理[11]。
2.1.1通信体系结构
无线传感器网络一般采用分层的通信体系结构，通信体系结构由通信协议、WSN管理以及应用支撑技术三部分组成，该结构清晰地阐述了传感器网络组成中各部分的逻辑关系和研究的主要内容。
1通信协议
无线传感器网络通信协议的研究包括:
（l）研究现有通信协议的性能，分析各种现有协议的优缺点并确定它们对于传感器网络的可用性:
（2）以数据为中心的新的通信协议的研究，包括通用能源有效性路由算法的研究、动态传感器网络的路径重建技术的研究和面向应用的能源有效性路由算法的研究等。
无线传感器网络的协议栈结构分为四层:
物理层、数据链路层、网络层和高层的应用。
建议增加的传输层的作用是确保与其他外部网络的连接。
物理层主要用于提供数据发送和接收的物理通道，完成信道能量检测、频率选择以及实现信号调制解调等功能。
可以采用无线射频传输技术，如正交频分复用（OFDM）、超宽带（UWB）、多输入多输出（MIMO）及码分多址（CDMA）技术等，也可以采用传统的红外线传输技术。
物理层使用动态功率管理、调整信号的频率和调制方法、动态电压调度等途径来满足WSN的要求。
数据链路层是建立可靠的点到点或点到多点的通信链路，保证物理层传输的数据尽量正确，同时提高系统频谱效率。
网络层的功能包括分组路由、拥塞控制，完成路由的发现和维护等。
传输层主要用于提供可靠的额外开销合理的数据传输服务。
应用层提供各种具体的增值业务应用，同时也提供时间同步和节点定位功能。
考虑通信效率、实时性等因素，协议结构可简化（例如省去传输层）。
图中任务管理、功率管理和移动管理是规划和实现协议栈时须重点考虑的问题，尤其需要针对无线传感器网络节点资源有限这一特点对协议进行优化设计。
2WSN管理
（1）能源管理
负责控制节点对能量的使用。
在WSN中，电池供给的能源是有限的，为了延长网络寿命，各个节点都必须有效地利用能源。
（2）拓扑管理
负责保持网络连通和有效传输数据。
由于大量传感器节点密集的部署于监控区域，为了节约能源，延长WSN的生存时间，部分节点将按照某种规则进入休眠状态。
拓扑管理的目的就是在保持网络连通和数据有效传输的前提下，协调WSN中各个节点的工作和休眠状态的转换。
（3）网络管理
负责网络维护、诊断，并向用户提供网络管理服务接口，通常包含数据收集、数据分析、数据处理和故障处理等功能。
需要根据WSN的能量受限、自组织、节点易损坏等特点设计新型的分布式管理机制。
（4）Qos支持与网络安全机制
QoS是指为应用程序提供足够的资源使它们以用户可以接受的性能指标工作。
通信协议中的数据链路层、网络层和传输层都可以根据用户的需求提供Qos支持。
WSN多用于军事、商业领域，安全性是重要的研究内容。
由于WSN中，传感器节点随机部署、网络拓扑的动态性以及信道的不稳定性，使传统的安全机制无法适用，因此需要设计新型的网络安全机制来满足WSN的应用。
3应用支承技术
（1）时间同步
在WSN中单个节点的能力有限，需要大量的节点相互配合协调工作，这些协同工作的节点需要全局同步的时钟支持。
目前对WSN时间同步的研究主要集中在两方面:
一是尽量减少同步算法对时间服务器及信道质量的依赖，缩短可能引起同步误差的“关键路径”;二是从能耗角度，研究节能高效的同步算法。
（2）节点定位
节点定位是指确定每个传感器节点在WSN系统中的相对位置或绝对的地理坐标。
节点定位功能在许多应用中都起着至关重要的作用。
如在军事侦察、火灾监测等应用中，传感器节点需要根据自身的位置信息来确定目标的位置;另外，通过节点定位，WSN系统可以智能地选择一些特定的节点来完成任务，这种工作模式可以大大降低整个系统的能耗，提高系统的生存时间。
（3）应用开发环境层
为各种传感器网络应用系统的开发提供有效的软件开发环境和软件工具。
（4）应用层
由各种面向应用的软件系统构成，研究各种传感器网络应用系统的开发，如作战环境侦查与监控系统、环境检测系统、民用和工程设施安全监测系统等。
2.1.2网络拓扑结构
常见的拓扑结构分类方法:
星型结构（star）、网状结构（Mesh）及混合网（星状网十网状网）。
每种网络结构都有自身的优、缺点，可以根据无线传感器网络不同的应用要求来选择不同的网络拓扑结构。
基本的星型拓扑结构（如图2-1所示）是一个单跳（single一hop）系统，支持点对点、点对多点通信。
中心节点为ZigBee协调器，终端节点为ZigBee终端设备;网络中所有无线传感器节点将中心节点作为一个中间点，都与中心节点进行双向通信，相互之间并不传输数据或命令。
在各种无线传感器网络中，星状网整体功耗最低，但节点与基站间的传输距离有限，通常ISM频段的传输距离为10～30米，适合圆形分散、距离较近的设备联网。
图2-1星状网络拓扑
网状拓扑结构是多跳（Multi一hop，即一次中继）系统，采用多跳式路由通信，所有无线传感器节点都相同，可以直接互相通信，也可与中心节点进行数据传输和相互传输命令。
由于每个传感器节点都有多条路径到达中心节点或其它节点，因此具有很强的网络健壮性和系统可靠性。
这种多跳系统比星型结构的传输距离远得多，可以跨越很大的物理空间，适合距离较远比较分散的结构，但功耗也更大，因为节点必须一直“监听”网络中某些路径上的信息和变化。
如图2-2所示。
图2-2网状拓扑结构
混合网力求兼具星状网的简洁和低功耗以及网状网的长传输距离和自愈性等优点。
在混合网中，网络协调器和中继器组成网状结构，而传感器节点则在它们周围呈星状分布。
中继器扩展了网络传输距离，同时提供了容故障能力。
由于无线传感器节点可与多个路由器或中继器通信，当某个中继器发生故障或某条无线链路出现干扰时，网络可在其它路由器周围进行自组[12]。
2.2ZigBee技术
2.2.1ZigBee技术概述
ZigBee联盟成立于2001年8月。
2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司共同宣布加入ZigBee联盟，研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准。
ZigBee联盟负责制作网络层以上的协议，目前标准制定工作己完成。
ZigBee协议比蓝牙、高速率个人区域网络或802.llx无线局域网更简单实用。
ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。
它此前被称作HomeRFLite或FireFly无线技术，主要用于近距离无线连接。
ZigBee传输距离为10～100m范围内，使用频段为免费的2.4GHz波段，采用跳频技术和扩频技术，传输速率为20～250Kb/s，网络架构具备Master/Slave属性，并可达到双向通信功用[13]。
2.2.2ZigBee技术的特点
ZigBee是为建立一种可靠的、高性价比的、低功耗的，可以实现监测和控制的无线网络而制定的，是一套完整的、开放的、全球统一的标准，是被全球公认的具有互操作性的解决方案，适用于家庭自动化与远程控制领域，，技术优势包括以下几个方面:
（1）协议简单。
ZigBee采用基本的主一从结构配合静态的星型网络，因此更加适用于使用频率低、传输速率低的设备;
（2）功耗低。
由于工作周期很短，收发信息功耗也较低，并且采用了多种节能方式，电池的使用时间最终决定于不同的网络应用，通常情况下，ZigBee两节五号电池可以支持长达6个月到2年的使用时间;
（3）时延短。
设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值为15ms，活动设备信道接入时延为15ms，这对某些时间敏感的信息至关重要，另外还节省了能量消耗，能够满足大多数情况下应用的时延要求;
（4）可靠。
由于ZigBee采用了防碰撞机制，同时对需要固定带宽的通信业务采用预留专用时隙的策略，避免了发送数据时的竞争和冲突。
在接入层采用确认的数据传输机制，每个发送的数据包必须等待接收点的确认信息，才可发送下一个数据包;
（5）成本低。
低数据速率、简单的协议和小的存储空间大大降低了ZigBee的成本，每块芯片的价格约为2美元，另外ZigBee协议不需要支付专利费;
（6）网络容量大。
每个ZigBee网络最多可支持255个设备，也就是说每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络;
（7）安全。
ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES一128加密算法，同时不同的应用可以依据各自的具体要求灵活确定其安全属性;
（8）工作频段灵活。
使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及gl5MHz（美国），均为免执照频段[14]。
2.2.3ZigBee技术与其它接入技术的比较
目前，市场上的短距离无线通信技术主要有蓝牙、无线局域网WiFi和一些专用标准（如Adhoc网）的产品。
一些公司为开拓市场和应用领域，也在积极研究和制定一些新的无线组网通信技术标准，如无线USB、超宽带通信UWB和WiMax等。
下面介绍几种常见技术并针对WSN的应用做相关比较。
（1）蓝牙（BlueTooth）
蓝牙主要用于通信和信息设备的无线连接，适合于语音业务和需要更高数据量的业务，如移动终端、耳机、PDA联网等。
它的工作频率为2.4GHz，能够在10m半径范围内实现单点对多点的无线数据和声音传输。
Bluetooth列入了IEEE802.15.1，规定了包括PHY、MAC、网络和应用层等集成协议栈。
为语音和特定网络提供支持，需要协议栈提供25OkB系统开销，从而增加了系统成本和集成复杂性。
另外，Bluetooth对每个Piconet（微微网）有只能配置7个节点，制约了其在大型传感器网络开发中的应用。
蓝牙技术发展从1999年起历经多年，一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。
目前主要应用在无线耳机等不需要很高传输带宽的领域，且互通性方面也存在问题。
与蓝牙技术相比，ZigBee技术的传输速率要低一些（ZigBee的峰值速率为250kbps，蓝牙的峰值速率为750kbps），但zigbee的待机功耗比蓝牙低l到2个数量级（ZigBee为3一40uA，蓝牙为200uA）。
（2）WiFi
Wi-Fi（（wirelessFidelity，无线高保真）也是一种无线通信协议。
IEEE802.H规范提出的主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技术标准，其工作频率也是2.4GHz。
IEEE802.II流行的几个版本包括：
（a）在5一SGHz波段带宽为54M
升级会员 