基于无线传感器网络技术的用电信息采集系统Word格式文档下载.docx

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AbstractII

1绪论1

1.1选题背景和意义1

1.2电力用户用电信息采集的发展历史及现状2

1.2.1国外发展史及现状2

1.2.2国内发展史及现状3

1.3本课题的研究内容与目标6

2系统关键技术研究7

2.1无线传感器网络技术（wirelesssensornetwork,WSN）7

2.1.1WSN的网络架构及其特点7

2.1.2WSN网络结构7

2.2电力用户用电信息采集系统9

2.3无线传感器网络技术在用电信息采集系统中的应用10

3系统相关架构设计14

3.1总体架构设计14

3.1.1系统逻辑架构14

3.1.2系统物理架构15

3.1.3应用部署模式16

3.2软件架构17

3.3系统功能结构设计18

3.4本章小结19

4系统硬件设计20

4.1系统的总体设计20

4.2系统工作流程21

4.3系统硬件电路设计21

4.3.1ARM微处理器LPC213821

4.3.2采集器硬件电路设计23

4.3.3集中器模块的设计31

5系统安全设计35

5.1系统存在的安全隐患及解决措施35

5.1.1系统存在的安全隐患35

5.1.2解决措施36

5.2系统其他设计37

结　　论38

致　　谢39

参考文献40

1绪论

1.1选题背景和意义

随着经济的飞速发展和国家“两改一同价”及“一户一表”工程政策的全面实施，用电量的需求越来越大，电度表的数量也迅速增加；

同时，居民住宅的质量和档次越来越高，住户对住宅环境、物业管理水平的要求也日益提高。

而传统的抄表采集方式存在许多弊端，如入户麻烦、管理费用过高、存在安全隐患等，已经不适应现代物业管理的需要。

如何既满足新形势下人民群众日益增长的用电需求，又可将供电成本限制在供电企业能够承受的合理范围之内，是目前摆在各基层供电部门的一个崭新课题。

电力用户用电信息采集系统旨在采集所有电力用户的用电信息，电力用户指国家电网公司范围内对其供给电力的所有用电户，包括专线用户、各类大中小型专变用户、各类380/220V供电的工商业户和居民用户、公用配变考核计量点，并要求覆盖率100%。

该系统的采集范围涵盖现有的负荷管理系统、配变监测系统和集中抄表系统。

电力用户用电信息采集系统是“SG186”信息系统工程的重要组成部分，电力用户用电信息采集系统的建设，实现计量装置在线监测和用户负荷、电量、电压等重要信息的实时采集，及时、完整、准确地为“SG186工程”营销业务应用提供电力用户实时用电信息数据。

为建立适应市场变化、快速反映客户需求的营销机制，从客户用电信息的源头提供数据支持，为“分时电价、阶梯电价、全面预付费”的营销业务策略的实施提供技术基础，从技术上支持提升国家电网公司企业集约化、精益化和标准化管理水平的管理要求。

当前，电力行业的发展面临投资效率不高、供电可靠性不高、灵活应变能力不强、环境破坏严重等诸多问题的挑战。

美国、欧盟等发达国家认为最佳的解决途径是建设一个基于全新技术和架构的“智能电网（smartgrid）”。

智能电网概念一经提出，就立即风靡全球，在各国得到了蓬勃发展，成为下一代电网的发展趋势[1-2]。

同时，关于智能电网的文献层出不穷，多集中在智能电网概念、发展历程、体系结构等方面，关于具体实现技术的研究报道很少。

要实现智能电网的开放、互动的目标，必须具备一个可靠、高效的通信网络。

智能电网的功能覆盖电能传输的各个环节，数据在发电、输电、配电和用户等不同主体及各类应用系统之间的传递必须依靠通信载体。

常见的通信载体包括铜芯线、光纤、电力线通信、无线通信等，它们在不同的应用环境下具有各自的优势。

无线传感器网络（wirelesssensornetwork,WSN）作为通信领域的新兴技术，具有分布式处理系统的高监测精度、高容错性、覆盖区域大、可远程遥测遥控、自组织、多跳路由等优点，在多目标、短距离通信方面得到广泛应用，在建设智能电网的过程中也将扮演非常重要的角色。

经过多年的建设，国家电网公司系统各个省市己分别建设一系列和电能信息采集相关的系统。

其中，比较典型的有电能量计量系统（主要采集各级上网、下网关口计量点）、负荷管理系统（采集大型专变用户计量点并完成负荷管理和控制）、集中抄表系统（主要采集低压居民用户用电量）、配变监测系统（完成公用配变考核计量点采集并实现配变运行监测），这些系统分别从不同的角度实现电能信息的采集。

由于缺少整体统一协调，现有运行的系统分部门、分专业建设，根据单一专业的需求设计相应的业务流程，按照单一专业需求的数据类型、频次等进行数据采集，未考虑其它专业管理的信息需求和管理需求，数据信息未能实现共享与综合利用，应用范围受到限制。

在某一采集系统范围内仅实现上述一种或几种功能，未能实现充分整合，实现多种功能应用，大多数系统还未实现与营销系统连接，不便于采集系统数据在营销业务中的应用。

随着电力体制市场化改革进程的不断推进，国家电网公司提出建设“一强三优”现代公司的战略目标。

根据《国家电网公司“十一五”电力营销发展规划》总体目标，为加快营销计量、抄表、收费标准化建设和公司信息化建设，进一步提升国家电网公司集约化、精益化和标准化管理水平，需要全面建设电力用户用电信息采集系统。

实现公司系统范围内电力用户的“全覆盖、全采集”，才能有效改变长期以来无法及时、完整、准确掌控电力用户用电信息的局面，满足国家电网公司系统各层面、各专业对于电力用户用电信息的迫切需求，对推动国家电网公司在现代化管理方面实现历史性跨越具有重要意义。

本文旨在设计一种基于无线传感网络技术的用电信息采集系统，即一种集中式抄表系统。

此系统可对用户用电信息进行及时、完整、准确的采集，以适应居民阶梯电价的全面实行，有效提高电能计量、自动抄表、预付费等营销业务处理自动化程度和电力营销管理整体水平。

1.2电力用户用电信息采集的发展历史及现状

1.2.1国外发展史及现状

（1）国外发展史

国外从20世纪30年代，就开始应用负荷管理技术。

英国最早采用开关钟切换电度表，分别统计峰谷电费。

20世纪40年代，西欧一些国家应用音频控制装置。

法国、德国、瑞士等国家大量使用音频电力负荷控制，并很快向世界其它地区发展。

东欧的匈牙利、亚洲的日本相继引进音频控制设备的生产专利，马来西亚、阿拉伯各国也逐渐使用音频控制技术进行电力负荷控制。

美国在世界性石油危机以后，为减少调峰油耗，才开始重视电力负荷控制技术，1975年装用第一套音频电力负荷控制系统，接着又研制发展无线电电力负荷控制技术和电力线载波负荷控制技术。

发达国家使用电力负荷控制装置，己有六十多年的历史，在不缺电的情况下发展起来。

发达国家使用这项技术的主要目的是改善电网负荷曲线，削峰填谷，提高电网运行的经济性、安全性和发电设备投资的效益，推迟电力设施的建设投资。

国外正把注意力从一般的负荷控制转向配电自动化、需求侧管理和对电力市场的技术支持，更加注意采集用户的用电数据，进行自动远方抄表，同时进行负荷控制。

（2）国外研究现状

在能源日趋紧张、用电需求迅速增长、供电服务要求日益提高的形势下，美国、英国、意大利、法国等发达国家，以及印度等新兴发展中国家都在积极发展自动化表计系统或智能电表，相继大规模开展了用电信息采集相关系统建设，在电力用户用电信息的专业化应用和集成化应用方面均取得良好的应用效果。

美国的加里福尼亚和弗吉尼亚州的公用事业委员会己经批准进行大规模用电信息采集系统建设，提供抄表和上网等业务；

英国己基本实现了工商用户和部分居民用户的用电信息自动采集；

意大利主要电力运营商于2001~2004年间，安装和改造了3000万只智能电表，建立起了智能化计量网络，实现了全国95%以上用电用户电能信息的自动采集，每年节省约5亿欧元管理成本，降低费用40%以上；

法国正准备实施40万只智能电表试点计划；

印度己开展众多项目来改善国内电力服务，计划投资1000亿美元，于2012年实现户户通电，同时将更换1亿只电能表，建成电力线载波远程抄表及预付费系统，解决电费流失问题，提升管理水平。

1.2.2国内发展史及现状

（1）国内发展史

我国从1977年底开始电力负荷控制技术的研究和应用，过程大致可分为以下几个阶段。

1977~1986年为探索阶段，研究国外电力负荷控制技术所采用的各种方法，并自行研制音频、电力线载波和无线电控制等多种装置，同时由国外引进一批音频控制设备安装在北京、上海、沈阳等地。

1987~1989年为有组织的试点阶段，主要试点开发国产的音频和无线电负荷控制系统，分别在济南、石家庄、南通和郑州安装使用，都获得成功。

在试点成功的基础上，1989年底在郑州召开全国计划用电会议，要求首先在全国直辖市、省会城市和主要开放城市重点推广应用，然后在所有地（市）级城市中全面推广。

1990~1997年是全面推广应用的阶段，经过7年多的努力，全国已有近200个地（市）级城市供电系统规模不等地建立负荷控制系统，还有部分县级城市也开展这项工作。

这些系统普遍采用无线电作为组网信道，有些系统部分采用音频或电力线载波，也有采用分散性装置来补充无线电信道达不到当地用户的控制。

1996年7月，重庆市首先通过电力部组织的负荷控制实用化达标验收。

同年12月，烟台和郑州也通过电力部组织的正式验收。

1997年，又有绍兴、合肥、武汉、福州、张家口等五城市也相继通过电力部实用化达标验收。

这标志着我国负荷控制的推广应用工作进入一个新的阶段。

电力负荷控制在各地的投入运行，使各地区的负荷曲线具有很好的改善。

1997年以后，电力负荷控制系统进入从单一控制转向管理应用的发展阶段。

上世纪九十年代，电力供需矛盾趋向缓和，电力负荷控制系统的作用逐步转向建立正常的供电秩序、保障电网安全、营配管理等方面。

系统增加用电管理的功能，包括用电信息管理、远程抄表、用电信息服务等，这些扩展功能提高电力负荷控制系统的经济价值和生命力。

在系统的数据处理方面也打破以前的局限性，扩展网络功能。

为更确切地表述这个系统，电力负荷控制系统更名为电力负荷管理系统。

同时，很多省市也陆续开展居民集中抄表系统，采集居民用电数据。

从上世纪90年代开始，我国各省市电力公司陆续开展用电信息采集系统试点建设，包括负荷管理系统、集中抄表系统等相关系统。

经过多年营销信息化的工作推进，用户用电信息自动采集覆盖率逐年提高，应用范围和效果逐步扩大。

（2）国内研究现状

自上世纪90年代起，国内电力系统逐步开展了电力负荷管理、集中抄表等用电信息采集系统的试点建设与应用。

国家电网公司系统不同层面根据各自的应用需求，也陆续开展了不同规模的用电信息采集系统试点建设，在实际应用中取得了一定效果。

同时，经过试点探索和经验积累，用电信息采集技术已趋于成熟应用。

通过文献调研截止2009年9月底，国家电网公司经营区域内共有电力用户17339.26万，其中：

低压三相一般工商业用户1472.54万，低压单相一般工商业用户181.9万，居民用户15542.67万。

低压三相一般工商业用户中己实现信息采集179.18万户，覆盖率为12.17%；

低压单相一般工商业用户中己实现信息采集8.79万户，覆盖率为4.83%；

居民用户中己实现信息采集533.1万户，覆盖率为3.43%；

公用配变考核计量点数142.15万个，己实现信息采集7.61万个，覆盖率为5.35%。

国家电网公司低压集中抄表系统建设现状如表1.1。

由于国家电网公司各网省公司低压集中抄表系统建设经历了小规模试点应用和单一功能方案的过程，缺少整体统一协调，现有运行的系统分部门、分专业建设，根据单一专业的需求设计相应的业务流程，按照单一专业需求的数据类型、频次等进行数据采集，一般未考虑其它专业管理的信息需求和管理需求，数据信息未能实现共享与综合利用，应用范围受到限制，在某一采集系统范围内仅实现上述一种或几种功能，未能实现充分整合，实现多种功能应用，大多数系统还未实现与营销系统连接，不便于采集系统数据在营销业务中的应用。

表1.1低压集中抄表系统建设现状表

采集对象

总数（万户）

已采集数（万户）

采集率（%）

未采集数（万户）

低压三相一般工商业户

1472.54

179.18

12.17

1293.35

低压单相一般工商业户

181.90

8.79

4.83

173.11

居民

15542.67

533.10

3.43

15009.57

公用配变考核计量点

142.15

7.61

5.35

134.54

合计

17339.26

728.68

4.20

16610.57

各类采集系统主站操作系统多样，采用各个版本windows系统Unix、或Linux操作系统，数据库类型以SQL和ORACLE数据库为主，各个己运行小规模系统54%建成于2005年以前（其中81%电力负荷管理系统和57%的低压集中抄表系统建成于2005年以前），受需求、建设资金及当时软件技术水平等因素的制约，主站应用软件开放性不足，数据接口不规范，数据库结构不统一，造成系统功能升级困难，维护不便。

各种类型采集终端设备技术标准的不统一，导致设备多样化，在功能与性能等方面的设计存在较大差异，给系统运行维护带来诸多不便。

低压集中抄表系统建设是一项复杂的系统工程。

经过多年电力营销信息化的工作推进，在部分省级电力公司层面或地市级供电公司层面己试点建设了低压集中抄表系统，而且部分单位的试点建设取得一定成效，总结了大量宝贵的经验。

但是多年来低压集中抄表系统仍是各省级电力公司、地市级供电公司自行建设，受系统规划、运行管理及资金投入等各方面因素制约，以往的建设、应用模式己无法满足当前国家电网公司发展的迫切需要。

对于数量众多、抄表工作量极大的低压电力用户自动抄表，在90年代初期开始了探索。

由于该项技术的主要难点是在通道建设上，即要用较低的成本实现电能量数据的远距离传输，才能得以使这项技术实用。

经过多年的实践，其实现方法从开始的RS-485总线、无线、自制总线等方式，到低压电力线载波方式，目前较多集中在低压电力线载波和基于RS-485接口的双绞线方式。

自从90年代初期以色列Unique公司的电力线载波抄表技术及产品进入我国，为集中抄表的发展展示了良好的前景。

载波通讯以其无需布线、施工维护工作量相对较小等特点，在居民用户远程集中抄表中有独特的优势。

但是，该技术存在电力线传输信道间歇噪声大、阻抗随负载变化大、信号衰减大等问题，故实现难度较大。

由于电网的复杂程度不同，国外成熟应用的技术在我国应用并不理想。

国内自有技术经过10余年的发展，到2004年后一些厂家的技术逐渐成熟，产品水平己超过国外产品并达到实用，但各厂家产品性能差异很大。

基于RS-485接口的双绞线方式，该方式从技术实现上来说相对容易，在居民用户远程自动抄表实现的早期为最有效的方式。

但是随着应用的扩大，其布线复杂、工程量大、维护困难、综合成本高等问题逐渐显现并难以解决，目前其应用范围很小，已无推广价值。

其他方式主要有无线方式和有线电视网。

无线方式：

无线方式由于依靠空间传输，无需线路的特点在自动抄表占有一席之地。

但由于其功率小了易受阻挡和干扰，功率大了要受无委会的限制，以及成本等问题，推广应用较少，并且运行很不稳定。

有线电视网：

供电部门有自己的电力网，没有必要租用别人的网络资源。

若每个表箱均要加装有线电视网接口设备，设备成本当然高，运营成本也高，并且施工难度极大。

根据近几年中国电力科学研究院配用电自动化系统设备检测实验室统计的数据显示，目前低压电力线载波抄表在居民用户远程集中抄表系统送检中所占应用比例为各种通讯方式（无线、485总线、载波）之首，约为85%。

这也说明低压载波抄表方式目前最具有推广价值[3]。

1.3本课题的研究内容与目标

本文分为五章，第一章绪论，指出本课题的研究背景、意义和现状；

第二章主要对系统中的关键技术给出了理论分析，同时得到系统的网络拓扑结构图；

第三章研究系统的设计构架，主要包括系统逻辑构架和系统物理构架；

第四章是对系统硬件组成的一一阐述，讲述了各部分的硬件电路图和功能作用；

第五章阐述了系统的可存在问题及相关处理措施。

最后一章是该课题的结论，从总体上对用电信息采集系统进行了总结。

2系统关键技术研究

2.1无线传感器网络技术（wirelesssensornetwork,WSN）

2.1.1WSN的网络架构及其特点

WSN通常是指由一组带有嵌入式处理器、传感器以及无线收发装置的节点以自组织的方式构成的无线网络，通过节点间的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的目标信息。

图2.1是经常被引用的一个典型的WSN网络架构。

图2.1WSN的典型网络架构

在图2.1中，传感器节点部署在一个目标区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。

传感器节点测得的信息通过多跳的方式传送到汇聚节点，通过汇聚点连入Internet或卫星，最后接入任务管理节点。

传感器节点是一个具有测量能力、处理能力、存储能力、通信能力的嵌入式系统，兼顾传统网络节点终端和路由的双重功能，不仅进行信息的收集与处理，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合。

汇聚节点是拥有较强通信能力、计算能力和丰富资源的系统，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种通信协议之间的转换，负责将管理节点的监控任务下发，并将收集到的数据转发至外部网络，它可以是一个增强功能的传感器节点，也可以是一个没有监测功能的专用网关设备。

任务管理节点具有人机界面，可以进行干预、遥控和管理。

WSN与无线自组网（mobilead-hocnetwork）有许多相似之处，但也具有其自身很多的特点，主要体现在大规模、自组织、动态性、可靠性、应用相关、以数据为中心等方面。

2.1.2WSN网络结构

无线传感网络是利用各种信息传感设备，利用RFID、无线数据通信等技术，按约定的协议，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种巨大网络。

无线传感网络互联技术具有低成本、低功耗、网络自组织等特点。

在组网性能上，无线传感网络支持星型结构（Star）、簇状结构（Clustertree）和网状结构（Mesh）[4]。

如图2.2所示。

图2.2无线传感网络结构

（1）星型网络拓扑

对于高可靠性和高实时性的数据可以采用星形拓扑结构组网（如图2.2a所示），同时采用多址接入的方式，对每一数据单元分配专用的通信资源（如频段，时隙等）。

在星型网络中，中心节点负责网络的管理：

网络建立，为数据节点分配通信资源，网络同步，安全认证，数据转发等等。

而部署在外围的数据节点负责数据采集和上传。

这种网络拓扑的优点是：

①分配专用的数据资源给特定需求的数据对象，可以避免网络拥塞，保证数据的实时和可靠采集并上传；

②数据节点直接与中心节点通信，