第 1 章 绪论
1.1 选题的背景及研究意义
随着社会的不断进步，世界经济发展越来越快，国内外的工业水平也得到了很大提高，电能作为清洁能源被广泛应用，使得整个社会的用电量一直处于上升状态。为了更好地向用户输送和分配电能，配电网的同步建设不可避免，配电线路是配电网的主要部分，在配电网建设的同时，导致配电线路的线路长度和送电容量变得越来越大。工业和经济对电能的依赖程度不断加深，对国家电力供应水平提出了更高的要求，一旦配电网发生故障，或者出现停电事故，将会给人民的生活和国家经济发展带来巨大影响，配电线路是电力系统安全稳定运行中的重要保证，对整个电网系统的稳定、可靠运行有着决定性的作用。
一般情况下，配电网在电力系统中主要起分配电能的作用，负责为用户提供电能[1]。和输电线路相比，配电线路有着鲜明的特征：电压等级较低，通常为10kV-110kV，直接与用户相连，传输距离较近，但是网络结构复杂，送电容量大，与用户的用电体验直接相关。配电线路广泛分布在城区、城郊，以及农村地区，在配电过程中，不仅要承担着输电线、金具以及线路保护装置等本身载荷，还要经受大风吹刮，雨水冲刷等自然因素的影响，甚至还会遭遇地理沉降，山体滑坡自然灾害的破坏。这些不可避免因素很有可能导致配电线路上的器具老化、设备磨损，甚至会造成杆塔倾斜或者倒塔事故；如果这些隐患不能及时被发现并采取有限养护措施，很可能就会导致电力系统分析出现停电现象，给经济发展带来巨大影响，所以针对于配电线路的在线监测和巡检，就显得十分有必要[2-6]。
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第 3 章 系统硬件设计...............................12
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
对于状态监测方面的研究，加拿大、美国等一些西方国家电力行业的发展新相对较早。在 20 世纪 60 年代美国最早开展以在线监测为前期的状态检修工作。20 世纪 80 年代后开始在电力系统中采用在线监测技术对电力设备进行状态监测和分析，随后欧洲很多国家也在电力设备检修中采用在线监测技术，从而提高工作人员对电力设备检修的工作效率。包括美国电科院在内的部分研究机构开始展开对无线传感器网络技术在电力设施监测领域的研究。到目前为止，国外在这方面已经取得了很多收获[28-36]。具体的有：通过视频监控技术采集配电线路上标记点的弧垂[33]，还有就是对配电线路的故障点的导线拉力、弧垂等参数进行监测然后利用通信网络对数据进行传输，为监控中心提供状态数据[34]，或者利用光纤网络通信等技术对系统采集到的监测数据进行传输，从而实现对整条配电线路的实时监测[35]，在监测方面较多的是对数据进行采集和传输。
此外，国外在对电力网络风险评估也展开了一些研究，主要是采用综合方法对电网系统的风险和可靠性进行评估，如采用模糊算法和蒙特卡罗法对输电线路设备的风险性进行了评估[37]，采用故障树方法对输电系统设备诊断研究[38-40]，电力系统状态评估信息的采集使用了先进的监测技术，如对导线风偏角的监测在国外状态评估中已经得到了应用[41,42]。
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利用传感器对配电线路杆塔倾斜角以及环境温湿度、环境光照强度等参数进行在线采集传输，通过对数据的分析计算，为配电线路杆塔工作状态监测和配电网规划提供有力的依据，同时也可以针对不同光照强度监测区域内太阳能光伏板的平均功率要求进行计算，可以为太阳能供电系统是否需要更换电池和为需随温度变化修正的参数提供依据，以保证系统中监测节点的安全稳定运行。
（2）配电线路监测数据的传输与分析
通过传感器技术对系统需要采集的配电线路运行状态检测量按照设置时间间隔进行周期性采集，然后通过无线通信网络对采集的配电线路状态数据进行即时传输，并在监控中心实现对监测数据的访问、下载和统计分析，最后通过分析实现及时掌握配电线路的运行状态，并对可能出现的隐患实现预警，为配电线路故障预测做出判断。
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2.2 通信方式的比较
由于配电线路主要工作在野外环境中，线路结构复杂，线路分支较多，传输距离比较远，地理跨度较大，所处的地理环境也比较复杂，导致系统设计的监测节点所覆盖被监测区域环境也十分复杂，不便于敷设光纤，并且光纤通信技术成本较高，不符合本系统节能降成本的要求，故不采用光纤有线通信。此外在目前的城区配电网中，电压等级主要为 10kV 和 35kV，在这种电压等级的配电网络中仅有极少部分线路开通了电力载波机，考虑到节约通信成本，本设计也不采用电力线载波通信等有线通信网络。基于以上分析，本在线监测系统的通信网络将采用无线通信网络，下面就目前主要的几种无线通信技术进行分析和比较，以选取最优的通信。
目前常见的无线通信技术主要有无线广域网、无线城域网、无线局域网、无线个域网、无线体域网等几种。它们具体的辐射范围和数据传输率图如图 2-1 所示。
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1.2.1 国外研究现状
对于状态监测方面的研究，加拿大、美国等一些西方国家电力行业的发展新相对较早。在 20 世纪 60 年代美国最早开展以在线监测为前期的状态检修工作。20 世纪 80 年代后开始在电力系统中采用在线监测技术对电力设备进行状态监测和分析，随后欧洲很多国家也在电力设备检修中采用在线监测技术，从而提高工作人员对电力设备检修的工作效率。包括美国电科院在内的部分研究机构开始展开对无线传感器网络技术在电力设施监测领域的研究。到目前为止，国外在这方面已经取得了很多收获[28-36]。具体的有：通过视频监控技术采集配电线路上标记点的弧垂[33]，还有就是对配电线路的故障点的导线拉力、弧垂等参数进行监测然后利用通信网络对数据进行传输，为监控中心提供状态数据[34]，或者利用光纤网络通信等技术对系统采集到的监测数据进行传输，从而实现对整条配电线路的实时监测[35]，在监测方面较多的是对数据进行采集和传输。
此外，国外在对电力网络风险评估也展开了一些研究，主要是采用综合方法对电网系统的风险和可靠性进行评估，如采用模糊算法和蒙特卡罗法对输电线路设备的风险性进行了评估[37]，采用故障树方法对输电系统设备诊断研究[38-40]，电力系统状态评估信息的采集使用了先进的监测技术，如对导线风偏角的监测在国外状态评估中已经得到了应用[41,42]。
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第 2 章 系统总体方案设计
2.1 系统功能及设计要求
2.1.1 在线监测系统功能
在线监测系统核心功能是实现对监测对象状态参数的不间断检测、传输、处理分析，继而完成越限报警[49]。在实际应用中往往根据设备状态综合判断的需要，在线监测系统一般应该釆取对多个状态量进行综合监测的方式，增加数据处理分析的准确性。
由于目前配电线路中一般都安装有配电开关监控终端（Feed Terminal Unit，FTU），FTU 可以与配电自动化主站通信，为主站提供配电系统运行时开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以及故障时的参数等信息。为了避免监测信息量的冗余，根据本系统针对的城区低压配电网地区地理位置特殊性，本系统主要功能包括：
（1）配电线路非电量和微气象在线监测2.1 系统功能及设计要求
2.1.1 在线监测系统功能
在线监测系统核心功能是实现对监测对象状态参数的不间断检测、传输、处理分析，继而完成越限报警[49]。在实际应用中往往根据设备状态综合判断的需要，在线监测系统一般应该釆取对多个状态量进行综合监测的方式，增加数据处理分析的准确性。
由于目前配电线路中一般都安装有配电开关监控终端（Feed Terminal Unit，FTU），FTU 可以与配电自动化主站通信，为主站提供配电系统运行时开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以及故障时的参数等信息。为了避免监测信息量的冗余，根据本系统针对的城区低压配电网地区地理位置特殊性，本系统主要功能包括：
利用传感器对配电线路杆塔倾斜角以及环境温湿度、环境光照强度等参数进行在线采集传输，通过对数据的分析计算，为配电线路杆塔工作状态监测和配电网规划提供有力的依据，同时也可以针对不同光照强度监测区域内太阳能光伏板的平均功率要求进行计算，可以为太阳能供电系统是否需要更换电池和为需随温度变化修正的参数提供依据，以保证系统中监测节点的安全稳定运行。
（2）配电线路监测数据的传输与分析
通过传感器技术对系统需要采集的配电线路运行状态检测量按照设置时间间隔进行周期性采集，然后通过无线通信网络对采集的配电线路状态数据进行即时传输，并在监控中心实现对监测数据的访问、下载和统计分析，最后通过分析实现及时掌握配电线路的运行状态，并对可能出现的隐患实现预警，为配电线路故障预测做出判断。
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2.2 通信方式的比较
由于配电线路主要工作在野外环境中，线路结构复杂，线路分支较多，传输距离比较远，地理跨度较大，所处的地理环境也比较复杂，导致系统设计的监测节点所覆盖被监测区域环境也十分复杂，不便于敷设光纤，并且光纤通信技术成本较高，不符合本系统节能降成本的要求，故不采用光纤有线通信。此外在目前的城区配电网中，电压等级主要为 10kV 和 35kV，在这种电压等级的配电网络中仅有极少部分线路开通了电力载波机，考虑到节约通信成本，本设计也不采用电力线载波通信等有线通信网络。基于以上分析，本在线监测系统的通信网络将采用无线通信网络，下面就目前主要的几种无线通信技术进行分析和比较，以选取最优的通信。
目前常见的无线通信技术主要有无线广域网、无线城域网、无线局域网、无线个域网、无线体域网等几种。它们具体的辐射范围和数据传输率图如图 2-1 所示。
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3.1 监测系统的硬件组成.........................12
3.2 硬件模块的选型..................................12
第 4 章 系统软件设计.......................................26
4.1 编程语言及软件开发介绍...................................26
4.1.1 IAR Embedded Workbench.......................26
4.1.2 Z-Stack 协议栈.......................... 26
第 5 章 系统能耗估算与性能测试...................................37
5.1 终端节点能耗估算...............................37
5.2 蓄电池容量估算...................................39
第 5 章 系统能耗估算与性能测试
5.1 终端节点能耗估算
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第 6 章 总结与展望
6.1 总结
本文主要做了以下工作：
（1）根据实际需要和配电线路在线监测标准要求，并对目前几种常见的无线通信技术进行比较以后，选取 ZigBee 技术和 GPRS 通信技术相结合的通信组合。并选取合适元器件完成监测系统总体设计和对 ZigBee 网络中三种设备和传感器组的软硬件设计。
（2）因地制宜，根据监测系统实际需要，对终端节点和传感器组釆用太阳能和蓄电池联合供电的供能方式，对协调器和路由器采用从变压器取电经过整流滤波以后直接供电的供能方式，并对两种供电模块进行了设计。为在线监测系统在各种环境下均能稳定可靠的运行提供了有力保障，以较低成本克服了目前配电线路监测技术的缺点。
（3）完成系统的设计工程以后，在实验室利用路由侠软件来映射模拟服务器，通过登录系统设计的在线监测系统，搭建实验平台，对本监测系统进行性能测试。通过性能测试得到的数据分析系统的可行性。然后针对不足之处进行改进，对硬件和软件程序进行进一步调试和完善。
（4）通过设计的在线监测系统，对配电线路运行的环境温湿度、光照强度、杆塔倾斜角等参数进行监测，然后根据系统设置的各监测量采集周期对各个终端节点进行能耗估算，同时也对蓄电池的容量进行估算，以此来确定不同工作状态下的蓄电池容量大小选择，为太阳能供电系统是否需要更换电池和为其他需随温度变化修正的参数提供依据。
参考文献（略）
6.1 总结
本文主要做了以下工作：
（1）根据实际需要和配电线路在线监测标准要求，并对目前几种常见的无线通信技术进行比较以后，选取 ZigBee 技术和 GPRS 通信技术相结合的通信组合。并选取合适元器件完成监测系统总体设计和对 ZigBee 网络中三种设备和传感器组的软硬件设计。
（2）因地制宜，根据监测系统实际需要，对终端节点和传感器组釆用太阳能和蓄电池联合供电的供能方式，对协调器和路由器采用从变压器取电经过整流滤波以后直接供电的供能方式，并对两种供电模块进行了设计。为在线监测系统在各种环境下均能稳定可靠的运行提供了有力保障，以较低成本克服了目前配电线路监测技术的缺点。
（3）完成系统的设计工程以后，在实验室利用路由侠软件来映射模拟服务器，通过登录系统设计的在线监测系统，搭建实验平台，对本监测系统进行性能测试。通过性能测试得到的数据分析系统的可行性。然后针对不足之处进行改进，对硬件和软件程序进行进一步调试和完善。
（4）通过设计的在线监测系统，对配电线路运行的环境温湿度、光照强度、杆塔倾斜角等参数进行监测，然后根据系统设置的各监测量采集周期对各个终端节点进行能耗估算，同时也对蓄电池的容量进行估算，以此来确定不同工作状态下的蓄电池容量大小选择，为太阳能供电系统是否需要更换电池和为其他需随温度变化修正的参数提供依据。
参考文献（略）