本文是一篇电气自动化论文，本论文以某330kV变电站为基础，总结变电站内辅助设备的数量及设备分布的位置特点，分析确定无线通信终端的网络的组建方式，提出了终端设备对辅助设备的监测方案，分析终端设备设计需求，针对不同终端设备提出所需实现的各项功能。
1 绪论
1.1 选题背景及意义
为响应十三五规划，国家电网提出建设“三型两网”，打造泛在物联，智能运维的电力网络目标[1]。十四五规划之中也强调将持续推进电网工程向智能化方向改造和建设，将智能电网的布局列为国家占据未来低碳经济发展优势的重要战略抢夺点[2]。变电站作为电网中变电、输电、配电的重要枢纽，其智能化水平与智能电网的建设休戚相关[3]。目前，变电站对于各类主设备智能自动化水平建设较为突出[4]。而要实现建立坚强型的输变电环节，节约人力管理成本，进而完全实现变电站无人值守，站内辅助设备的智能一体化监控不可或缺。变电站内辅助设备主要包括照明设备、门禁设备、风机设备、窗帘设备、排水设备、温室度检测以及烟雾检测设备。但目前众多变电站内温湿度检测、照明设备、门禁管理等辅助设备的监控管理系统，大多数仅限于监控同类设备，且彼此之间独立运行，应用不同的数据上传通道，以致于每套系统通信不一，难于实现多套系统的综合管理，使系统的可扩展性及集成可用性显著降低，无形中增加了管理资源的投入[5]。特别是用于控制辅助设备的传统终端，对辅助设备的操作方式较为单一，即只能通过实地手动操作，无法通过它建立对于辅助设备的监控管理；同时，传统的控制终端对于辅助设备隔离控制，各个辅助设备之间也是独立运行，无法进行模块化管理。另外，传统的控制终端在建立监控时，受线缆束缚，需要额外增加电气线路才可达到监控目的，此方法耗时费力且经济性差，故而取代传统的辅助设备控制终端对于监控系统的建立起着至关重要的作用。
无线通信终端可以很好弥补传统终端在建立监控方面的不足。短距离无线通信技术广泛应用于组建监控系统的底层架构[6]。终端通信频段使用ISM标准段，全球通用且免费[7]，保证经济性的同时可全面适用于各变电站。终端采用无线传感器网络思想[8]，将各类辅助设备的信息集中组建于一个无线网络之中，再与监控平台之间交换信息，通过监控终端模块的信息，从而达到对各辅助设备的监视以及控制。无线通信终端对辅助设备除了可实现手动操作之外，更可实现传统控制终端无法实现的计算机、手机等遥控操作方式。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 变电站辅助设备监控技术研究现状
在变电站辅助设备一体化监控[9]的提出及实施领域，国外的发展相对较早。上世纪80年代起，以美国为首的一些发达国家首先开始了对变电站内电力设备状态检测的相关研究和应用[10]，在1989年，Rosner M.Weenen提出了变电站综合监控系统的概念，他提出将变电站视频监控系统与安防系统进行整合的思路[12]。1990年，德国西门子公司利用集中与分散相结合的特点，开发了第一台分散式变电站综合自动化系统LSA678[11]，将辅助设备的管理囊括其中。后续随着变电站内使用的各类传感器技术的逐渐成熟[13]，美国、日本等国家开始研究利用传感器实现火灾自动报警，法国、瑞士等国家利用计算机和传感器实现对灯光照明的智能控制[14]。目前，随着工业以太网以及短距离无线通信技术的成熟，变电站不断向无人值守的方向发展。
对于变电站辅助设备智能化领域的研究，我国相对较晚，前期的研究及应用多数集中在对于视频监控和安防系统之中[15]。2009年，国家电力发展规划中首次提议“建设坚强智能电网”, 由此我国智能变电站的前期发展研究工作拉开了序幕。随着智能变电站建设步伐的推进以及物联网技术的发展，国内对变电站综合智能化的研究工作逐渐增多[16]。其综合自动化的过程主要分为三个阶段：阶段一：变电站站内“四遥”功能实现，但利用RTU技术实现此功能的系统，其稳定性功能较差。阶段二：利用集中分布式控制技术对系统的功能进一步细化，有效提高了系统的各部分性能。阶段三：互联网技术的快速革新与现场总线技术的发展完善，使自动化系统实现分层分布式管控，并广泛应用于变电站一体化监控系统之中[17]。
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2 终端需求分析与总体方案
2.1 终端电路需求分析
2.1.1 无线通信节点监测方案
首先对变电站的基本情况作简要介绍，以某330kV变电站为例，变电站占地南北方向长约150m，东西方向长约200m。变电站内需控辅助设备分布在三个区域：主控楼内区域、前庭院区域以及户外设备区。数量最多的辅助设备主要为照明设备，共175组，主控楼区域内149组，前庭院区域内6组，户外设备区共18组。另外包括风机设备、门禁设备、电动窗帘设备、温湿度及烟雾检测设备若干。变电站设备区域分布见图2.1。
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2.2 终端天线需求分析
天线是无线通信系统的重要构件，在无线通信系统之中，信息传输完全依赖于系统中的天线[36]。无线通信终端天线与终端设备两者相辅相成，终端设备促进天线技术发展，天线技术革新推动终端更新，互相推动。当天线在自由空间中，以独立单元使用时，其技术研究已有成熟的理论[37]。但当同一尺寸的天线加载于不同的终端时，其性能与自由空间中相对比会产生较大差别[38]。从图2.4所示的无线电通信系统的基本框架图中可明晰的凸显出天线在无线通信中的重要作用，因此天线的选型和设计是否合理，并适用于终端，对整个无线通信系统性能有巨大影响[39]。故而需要针对终端所处的独特环境，分析提取其特点以及限制条件，重新设计天线。
天线在将其按工作性质来进行区分时，可分为发射天线以及接收天线[40]。在变电站辅助设备监控系统中，终端模块既需要上传数据信息至监控平台也需要接收监控平台下发指令信息，也即既需要发射无线电信号又需要接受无线电信号。由于天线处于发射工作时，是将高频电流能量转换为无线电能量，而天线用作接收时，与发射时的作用相反[41]。所以，天线的发射与接收工作过程为互易过程，也就是说发射与接收天线具有互易性[42]。根据互易定理，同一款天线在用于发射或是接收不同的工作之中时，其自身性能特征互通，如阻抗性能、方向性能、辐射性能等都保持不变[43]。因此设计终端天线时不严格区别发射端与接收端设计终端天线。
基于天线基本工作信息传递过程以及对变电站内设备情况和终端功能的各项分析，在无线传感网络之中，各无线通信节点终端设备所加载的天线应满足以下需求：
(1) 天线小型化。根据开关终端电路的小型化需求，进而确认天线的尺寸。在保证天线性能完善的基础上，确认天线在电路板上的所占空间不超过整个终端电路板尺寸的百分之三；
(2) 天线辐射方向。根据变电站内辅助设备的分布位置，与网关节点的相对位置较为分散，各个方向都有覆盖，因此天线的辐射方向需要呈现出全向性；
(3) 天线带宽。监控系统的无线通信网络通信频段工作于2.4GHz，因此天线的频带宽度至少大于100MHz且覆盖通信频段，即2.4GHz到2.485GHz；
(4) 天线传输效益。天线的增益良好，天线与芯片电路之间易于匹配且应达到良好匹配。
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3 无线通信终端天线设计与研究 ................................. 11
3.1 终端天线理论 .......................................... 11
3.1.1 倒F天线衍变 .............................. 11
3.1.2 天线理论分析 ....................... 11
4 无线通信终端电路设计 .................................. 28
4.1 终端总体模块分析 .................................. 28
4.1.1 主控单元电路 .................................. 29
4.1.2 开关终端结构分析 .......................... 28
5 无线通信终端功能测试 ....................................... 46
5.1 终端程序简析 ...................................... 46
5.2 组网及无线通信 ................................. 47
5 无线通信终端功能测试
5.1 终端程序简析
变电站辅助设备监控系统中，程序设计包括底层终端模块程序的设计以及上层计算机监控端软件的设计。本文只对终端模块的数据处理程序进行简要分析。终端模块软件开发工具主要由电路的主控单元决定，因此通过IAR for 8051对以CC2530为主控单元的终端模块进行程序设计。
根据终端电路类型及功能分析，分别对其进行数据处理流程设计。由于终端模块作为监控系统底层架构，其功能实现依附于无线传输功能以及协调器组成无线通信网络。因此终端模块作为无线通信节点加入ZigBee网络，为终端模块监控功能实现的首要条件。开关终端与检测终端的入网流程一致，上电后依次执行初始化配置、硬件、端口、程序、检查VDD电平信号、关闭中断等一系列指令，然后通过协议栈网络MAC配置进行无线电信号广播，节点发送申请入网的信息帧，等待协调器节点同意请求并为其分配识别地址，网络组建之后，终端设备根据功能分类运行各自程序。开关终端的程序数据处理基本流程见图5.1。在开关终端中，节点入网成功后，通过OSAL层配置进入轮询状态，等待事件产生中断信号，其中断事件包括外部中断事件以及无线电信号监听事件。外部中断为I/O端口电平信号中断，可为开关按键输入或声光检测信号输入，由硬件设置决定输入类型。两中断事件中，设置外部中断事件为较高优先级，优先执行调用其事件处理程序，执行指令反转设备状态并返回设备状态改变的数据；无线电信号监听事件，为处理网络中所接收无线电信号，若终端设备以末端节点即终端节点入网，则只处理执行协调器下发指令，并在执行成功后返回数据，若终端设备以路由节点加入ZigBee网络，则无线电事件还包括转发所接收到末端节点与协调器节点之间的通信信息。检测终端入网之后，设备进入空闲状态，传感器工作采集数据，进行数据转换处理，定期通过无线通信上传至协调器节点，协调器通过串口传输给计算机监控平台。检测终端设备所加载传感器采集数据的具体信息处理流程由所采集传感器类型不同而不同，其采集周期的刷新率由程序设定，可根据具体情况进行调节，基本流程见图5.2。
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结论
本文以横向课题变电站辅助设备智能监控系统为研究背景，结合ZigBee无线通信技术及终端控制技术，研发应用于辅控系统的无线通信终端，其中包括开关无线通信终端及检测无线通信终端。主要研究工作为：
(1) 论文以某330kV变电站为基础，总结变电站内辅助设备的数量及设备分布的位置特点，分析确定无线通信终端的网络的组建方式，提出了终端设备对辅助设备的监测方案，分析终端设备设计需求，针对不同终端设备提出所需实现的各项功能。
(2) 根据终端电路无线通信距离需求，结合小型化可实现低成本等天线技术，确定了适用于终端电路天线为倒F印刷天线，基于天线基本理论，计算设计天线基本结构参数，利用HFSS按实际板材尺寸及材料建立天线分析模型，分析天线S11参数、输入阻抗、驻波比等基本性能，并利用控制变量法，改变天线结构参数，分析对其性能影响。结合终端对天线基本需求，采用拟牛顿算法，优化天线参数，得到小尺寸、输入阻抗约为50Ω、带宽覆盖通信频段2.4GHz、全向辐射以及与终端电路良好匹配的天线。
(3) 基于终端电路功能需求，确定电路主控芯片为CC2530，采用模块分析法，设计各功能模块电路，分别对供电模块、按键控制模块、无线通信模块、声光控制模块、传感检测模块、显示驱动模块进行电路设计，完成终端电路原理图设计，依据PCB电路设计规则，完成终端PCB电路设计，并对总体电路进行传输线及阻抗控制分析，完成电路总体设计。
(4) 基于所设计终端电路，制作组装。搭建整体监控系统作为终端电路功能测试平台，分别对开关终端及检测终端的各项功能进行测试。测试结果表明，所设计天线满足终端通信需求，所设计终端电路功能实现，满足辅控系统需求及变电站内应用标准。
参考文献（略）