无线通信技术在城市电网监控系统中的应用分析与设计毕业论文

1、无线通信技术在城市电网监控系统中的应用分析与设计无线通信技术在城市电网监控系统中的应用分析与设计 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

2、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：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。通信组网方

3、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。zigbee 通信设备的开发，设计硬件电路及画 pcb 板。 zigbee 通信设备的嵌入式软件开发。wifi 设备的选型。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 : analyse and design of wireless communications network for urban power grid morniting and control system specialty : the application of comp

4、uter name : fengbo cheng (signature) instructor : shangfu gong (signature) abstract core purposes to building a complete power grid monitoring system is to make the electricity sector timely surveillance operation of the power grid and constantly optimize the operation of power grids, in turn guaran

5、tee the quality of power supply. in this paper, the study is wireless communications subsystems in the urban power grid monitoring system. analysis and design uses wifi and zigbee mixed networking equipment in a hierarchical architecture. communications systems can be divided into three layers: the

6、underlying communications network equipments which powered by zigbee technology scattered around the grid secondary equipment side; middle layer communications network equipments used wifi technology installed in the power grid to connected underlying layer communications network; center layer of th

7、e communication network composing by the necessary fiber optic transmission machine, switches, routers. finally, the article also gives the reliability of the system and anti-jamming measures, allowing the system to be stable and reliable work. the main work and research as follows: analysis the spe

8、cific communication needs for the power grid monitoring system. communications network programming. zigbee communications equipment development. zigbee communications equipment embedded software development. wifi equipment selection. online debugging and system optimization. keyword : urban power gr

9、id morniting and control system wifi zigbee embedded microcomputer anti-jamming thesis : application research 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

10、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 4.1 zigbee 技术

11、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 4.4.1 cc2430 芯片.17 4.4.2 rs485 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 5.1 iar embedded 开发系统介绍.27 5.2 ieee 802.15.4 协议栈和标准 zigbee协议介绍.28 5.3 ieee 802.15.4 协议栈的移植 .31 5.4 精简

12、 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 6.3 zigbee 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 7.1.1 rs485-rs232 通信协议转换装置.40

13、7.1.2 rs232-ethnet 协议转换装置 .41 7.2 wifi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 9.4.1 zigbee 通信模块的功率控制优化.46 9.4.2 wifi 设备的无线链路调整.

14、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

15、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

16、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

17、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

18、、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

19、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

20、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

21、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： 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。 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。 zigbee 通信设备的开发，设计硬件电路及画 pcb 板。通过 protel dxp 软件绘 制硬件电路原理图和 pcb 图 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

22、发。 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。 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

23、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 12 座 330kv 变电站 和 68 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

24、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

25、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

26、， 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

27、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

28、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

29、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

30、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

31、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

32、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

33、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

34、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。 因此，为满足自动化电量集抄信息的通信需求，这部分通信需要保证使用 rs232 通信，如有可能应优先考虑使用太网网络接口进行通信。同样，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，

35、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。 2.3.3 其他自动化管理信息的通信需求 这部分通信需求，主要为满足班站合一情况，即运行单位值班场所正好处于电网 中心站所内。运行单位值班需要接入电力企业的管理信息系统(mis 系统)中，完成日常 的办公自动化、浏览控制系统 web 发布界面等等。这就需要保证站端到企业 mis 系 统的宽带网络连接。为保证自动化管理信息的访问有效性，通信带宽应保证至少不低 于 2mbps。而且，为保证自动化控制系统的信息安全，自动化管理信息和同一站所内 的

36、自动化远动、电量信息应该存在安全隔离措施。 2.4 城市电网监控系统的通信系统环境分析 另外，设计城市电网监控系统的通信系统方案时，还必须要考虑通信系统的应用 环境，比如能否获得可靠的系统电源，通信链路的架设走廊是否具备，如果采用无线 通信方式，则还需考虑国家无线电管理委员会的频点管理规定。 2.4.1 通信系统工作电源条件 对于通信系统的系统电源问题，从以上的描述中我们可知：城市配电网线路一般 采用辐射式供电方式运行，不同的线路可以通过联络开关或开闭所进线进行互连。不 论是架空线路还是电缆化线路，抑或开闭所供电方式，在柱上开关、环网柜/高压分支 箱内开关、开闭所内的一次设备均能够提供 220

37、v 交流电源，且与一次设备配合的二次 设备基本都能够提供 24v 的直流电源输出接口。因此，在线路处于投运状态时，通信 系统能够获得工作电源。但如果某处的电网因故处于停运状态，则无法保证该处通信 系统的工作电源。 因此，通信系统的电源需求综合要求如下： (1)主用电源 同时具备交流 220v 和直流 24v 外部电源的输入接口，交流 220v 和直流 24v 外 部电源的输入接口需要具有选择性，确保不同电源情况下，系统均能获得可用工作电 源。 (2)备用电源 系统内部需要具备 3.6v 锂离子电池后备直流电源，保证在无法获得外部电源的情 况下，保证系统仍能够正常运行。后备电源的容量，以保证系统

38、在失去外部电源的情 况下能够全负载运行 12 小时为标准。 2.4.2 通信系统架设走廊条件 对于通信系统的链路架设走廊问题，根据前述的电网地理分布特点与城市电力负 荷的契合关系，一般来讲，电网的线路常见架设路径与城市的主要街道重合，并且由 于北方城市街区规整的市井分布格局，保证了线路各点基本能保证可视(这一点，对于 采用无线通信方式尤为重要5)。对于电网架空线路部分，线路沿途的电力杆塔(常见的 电力杆塔均能保证 5 米以上的架设高度)为通信系统的链路提供了良好的架设走廊；对 于电网电缆化线路部分，线路沿途的各个环网柜一般建设在城市主要街道的路边，能 提供不小于 2.5 米的架设高度，也可以为

39、通信系统的链路提供了良好的架设走廊；而各 个开闭所、变电站，一般能够为通信系统提供架设位置，但个别位于地下或建筑物内 部的开闭所、变电站不能为通信系统提供架设位置，但因为数量少，并且可以通过延 长通信线路或无线天馈线的方式或得通信系统架设位置，可以不必过多考虑其技术难 度。 2.4.3 通信系统使用无线信道的频率许可 关于采用无线通信方式时，国家无线电管理委员会的通信频点规定则已经明确将 2.4ghz 至 2.483ghz 的频段作为开放频段，可以供工业、科技、医疗等领域开放使用， 只是为保证各个通信设备不造成过多干扰，对使用该频段通信的无线设备规定了信号 发射功率不得超过 100mw 上限。

40、2.4ghz 至 2.483ghz 频率段可以为无线通信设备提供 80mhz 强的频率范围选择，常见的无线通信制式有：wifi3,6，采用 dsss 调制方式， 使用 22mhz 的频率占用宽度，可以保证 3 个分布式信道不重叠，在此范围内获得至少 3 个信道可供选择；zigbee12通信制式，采用 dsss 调制方式，每信道使用 3mhz 的频 率占用宽度，信道之间预留 2mhz 的频率隔离宽度，可以保证 16 个分布式信道不重叠， 在此范围内获得至少 16 个信道可供选择可以灵活选择不同信道；其他的如蓝牙等常见 无线通信方式，一般作为很短距离的通信，不会对周围造成过多干扰。各种无线通信 的

41、频率使用方式如图 2.1 所示： 图 2.1 无线通信的频率使用方式 由上述可知，各种无线通信方式，特别是 wifi 和 zigbee 之间的确存在相互干扰 79的可能，并且随着无线局域网的兴起，城市中 2.4ghz 频段的电磁环境越来越复杂， 避免或最大程度减少环境干扰成为无线通信必须考虑的问题。 但因为 wifi 和 zigbee 均有空闲信道可供选择，如果能够处理好空闲信道选择的 机制4(原理如图 2.2 所示)，则干扰还是能够避免的。 图 2.2 zigbee 空闲信道选择的机制 2.5 本章小结 根据城市电网的自动化通信需求和电网地理分布特点分析，可以得出结论：城市 电网监控系统对通

42、信系统的通信流量需求具有一定的区域分布特征，即电力线路沿线 的通信设备节点较多，通信流量不大，而电网的中心站所(开闭所、变电站和重要环网 柜)则通信流量较大，但多处于电网的区域中心，可以汇接线路沿线的通信设备通信流 量。 同时，电网可以为通信系统提供必要的通信链路架设走廊和外部电源，结合通信 设备内部的后备电源，通信设备可以获得基本的工作条件。 其次，采用无线通信方式，虽然存在电磁干扰的潜在威胁，但通过加强通信信道 的自适应选择或引入跳频技术，则可以避免复杂电磁环境下的信号干扰。 以上分析结论，为城市电网监控系统采用分层规划的无线通信系统提供了支持， 证明采用分层规划的无线通信系统基本可行，可

43、以开展后续的方案研究。 。 。 。节略。 10 结论 经过一年多的研究和开发，在导师的指导帮助下，终于完成了开题报告中确定的 任务。本课题针 zigbee 和 wifi 无线通信技术在城市电网监控通信系统的应用开展分 析和设计，是对单片机、通信技术、电子技术和自动化等专业知识的综合运用。 本课题的设计通过实际工程应用的考验，证明课题设计实际可行，课题设计在经 济性方面有突出优势，并且代表了技术的发展趋势，同时也符合课题研究领域内城市 电网监控通信系统的客观发展方向，为城市电网监控通信系统的建设提供了新的技术 路线和工程应用方案。 10.1 本课题所做工作 （1） 应用分析 本课题通过对城市电网

44、监控通信系统的实际需求和面临的诸多困难进行分析，进 行了 wifi 和 zigbee 无线通信技术的应用分析和系统设计。课题论证了无线通信技术 的应用可行性，提出采用 wifi 和 zigbee 设备分层次混合组网的体系结构。 （2） 系统总体方案设计 采用 wifi 和 zigbee 设备分层次混合组网的体系结构，将通信系统可以分为底层、 中间层、中心层通信子网络。这种通信结构的实际符合城市电力监控系统的实际情况， 并且具有较强的可实施性和经济性。 （3） zigbee 无线通信模块开发 zigbee 无线通信模块开发工作完成了模块的硬件的原理图和电路设计，同时完成 了完整 zigbee 协

45、议栈的分析和精简 zigbee 协议栈的软件开发工作，使课题设计具备 客观评估测试条件。 （4） wifi 设备的合理选型 wifi 设备的合理选型使得通信系统总体的设计能够得以完善，根据选型结果， 可以设计完整的系统，为进一步的设计和应用奠定了基础。 （5） 网络安全设备选型 网络安全设备选型解决了中心层通信系统的安全可靠运行难题，保证通信系统能 够符合实际应用行业的相关规程规定，最终得以应用。 （6） 工程应用设计 结合城市电力监控系统的实际需求，对网络的通信功能性、实时性、可靠性等相 关参数进行了一般性的明确，给出了典型参数配置。使得设计具备实际应用条件。 （7） 具体工程应用验证和优化

46、 本课题最终获得实际工程应用，通过实际工程应用的验证和不断优化，课题设计 日臻完善，证明具有较好的应用前景。 10.2 下一步要做的工作 本课题还需要继续深入开展的工作有以下几方面： (1) 继续跟踪无线通信技术的最新发展 重点关注具备高传输带宽、具备多种业务接入能力的相关技术热点30，不断完善 课题设计，力争能够为城市电网监控系统提供数据、语音、视频等综合通信接入能力 支持。 (1) 系统可靠性的继续深入研究 zigbee 通信模块各组成部分采用单独设计的方式虽然带来了一定的灵活性，但实 际工程应用已经暴露出可靠性方面的隐患；zigbee 通信模块抵抗电磁干扰的能力还需 继续提高，可以尝试将

47、跳频技术引入其中；zigbee 通信网络还存在一定程度的可靠性 瓶颈协调器，需要探讨消除网络可靠性瓶颈的方法。 (2) zigbee 通信网络拓扑继续完善 实现对其他网络拓扑和路由算法31的支持。 致 谢 衷心感谢导师龚尚福教授。三年来，导师在学业上的精心指导，在生活上的热情 关怀都令我难以忘怀。龚教授不仅传授给我理论知识和实践经验，而且他勤奋严谨的 治学作风、诲人不倦的教学态度、高度的责任感，使我不仅学到了知识，而且学会了 做人。值此论文完成之际，谨向他致以崇高的敬意和诚挚的感谢！ 感谢在三年的学习生活中，给予我帮助和鼓励的老师和同学们！ 衷心感谢前来指导的所有专家和评委！ 参考文献 1 王

48、锐华,于全.浅析zigbee技术j. 北京:电视技术, 2003,6(6):33-35. 2 zigbee alliance. emerging standards -where does zigbee fit s. 2000.http:/www.zigb/en/resources. 3 ieee std 802.11b.part 11:wireless lan mac and phy specifications s. 2001. /11/. 4 ieee std 802.15.4.wireless mac and phy specifi

49、cations for low-rate wireless personal area networks s.2003. /iel5/11012/34697. 5 theodore s rappaport.无线通信原理及应用m.北京:电子工业出版社, 1998.82-91. 6 howitt i.wlan and wpan coexistence in ul band j. transactions on vehicular technology, 2001,50(4):1114-1124. 7 kamerman a.coexistence between bluetooth and ieee 802.1