（通信与信息系统专业论文）基于m3000的无线电力负荷管理终端的设计.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文对电力负荷管理系统通信特殊性及现有负荷管理终端产品进行了分析，针 对现有终端产品中存在的价格较高、体积庞大、数据安全性考虑不多等不足，设计 了一种基于m 3 0 0 0 的新型电力负荷管理终端。 m 3 0 0 0 是一款基于m o b t e x 无线窄带网络技术的通信模块，具有强大的数据处 理和控制功能。本设讨以m 3 0 0 0 为控制核心，详细阐述了各功能模块的硬件设计， 数据采集与存储的软件开发，以及电力负荷管理系统数据传输规约的软件实现。本 文设计的基于m 3 0 0 0 的电力负荷管理终端在完成基本功能的同时，具有结构小巧、 内部模块高集成化等特点。采用m o b i t e x 无线网络技术保证了数据传输的可靠性、 安全性、实时性，具有良好的推广价值。 关键词：电力负荷管理终端，m o b i t e x ，m 3 0 0 0 ，m p a k ，通信规约 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , a f t e ra n a l y z i n gt h ep a r t i c u l a r i t yo ft h ee l e c t r i cp o w e rl o a dm a n a g e m e n t c o m m u n i c a t i o ns y e t e ma n dt h ee x i s t e de l e c t r i cp o w e r1 0 a dm a n a g e m e n tt e r m i n a lp r o d u c t s ， c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n gt e r m i n a lp r o d u c t sw i t hh i g hp r i c e ，h u g ev o l u m ea n dt h el a c k o fc o n s i d e r a t i o no fd a t as e c u r i t y ，w ed e s i g nan e we l e c t r i cp o w e rl o a dm a n a g e m e n t t e r m i n a lb a s e dm 3 0 0 0 m 3 0 0 0i sac o m m u n i c a t i o nm o d u l a rb a s e dm o b i t e xr a d i on a r r o w b a n dn e t w o r k t e c h n o l o g y , i th a st h es t r o n gf u n c t i o no fd a t ap r o c e s s i n ga n dc o n t r 0 1 t h i sd e s i g nu s e s m 3 0 0 0a st h ec o n t r o lc e n t r e i th a sb e e ne l a b o r a t e dt h a tt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ef u n c t i o n m o d u l a r , t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to fa c q u i r i n ga n ds a v i n gd a t aa sw e l la st h es o f t w a r e d e s i g no fe l e c t r i cp o w e rl o a dm a n a g e m e n ts y e t e md a t at r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 c o m p a r e d w i t h c o n g e n e rp r o d u c t ，t h ed e s i g n e de l e c t r i cp o w e rl o a dm a n a g e m e n tt e r m i n a l b a s e d m 3 0 0 0f i n i s h e st h eb a s i cf u n c t i o n sa sw e l la sh a st h ef e a t u r e ss u c ha sc o m p a c ts t r u c t u r ea n d h i g h1 e v e lo fi n t e g r a t i o nw i t h i ni n t e m a lm o d u l e i ta l s oe n s u r e st h er e l i a b i l i t y s e c u r i t ya n d r e a l t i m eo ft h ed a t at r a n s m i s s i o n ，s ot h ed e s i g n e de l e c t r i cp o w e rl o a dm a n a g e m e n t t e r m i n a lb a s e dm 3 0 0 0h a sg o o ds p r e a dv a l u e l iy a n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f q ib i n g k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rl o a dm a n a g e m e n tt e r m i n a l ，m o b i t e x ，m 3 0 0 0 ，m p a k ， c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 华北电力人学硕士学位论文 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于m 3 0 0 0 的无线电力负荷管理 终端的设计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：生e !日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：查l 立导师签名：銎i 墅： 日期：2 1 ：! ：!日期：押引7 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 电力负荷管理系统的意义 随着全国电网向现代化方向发展，必须提高电力调度自动化和电力营销管理现 代化的实用水平，这就对电力负荷管理系统提出了更高的要求。电力负荷管理系统 是根据电力供应情况，对电力用户的用电时段与负荷指标实行统筹安排，并采用技 术手段进行管理的系统。系统能根据电力供应情况，做好负荷预测、负荷控制和错 峰避峰，而且可以现场监测企业用电负荷、提高用电效率，发布供电信息等，是对 电力用户进行管理的必要手段随着我国开始逐步执行避峰电价，电力负荷管理系 统也是实施可中断电力负荷的重要技术措施。电力负荷管理系统与配电调度自动化 系统相结合，促进了电网管理向现代化方向发展，提高了电力调度自动化、办公自 动化和电力营销管理现代化的实用水平。 在我国人均用电水平还很低的情况下，电力负荷管理不仅缓解了电力的短缺， 而且把电力资源的配置和合理利用提高到了新的水平。因此，负荷管理系统的广泛 应用是电力企业自动化技术发展的趋势，对当前电力企业的生产经营具有十分重要 的意义嘲。 1 1 2 电力负荷管理系统组成 电力负荷管理系统是一种集中控制系统，一般由系统主站、负荷管理远方终端 和主站与终端间的通信信道组成。 系统主站是电力负荷管理系统运行和管理的指挥中心，它由主站硬件设备和相 应的系统软件组成“。在对终端实现数据采集和负荷管理的基础上，为需求侧管理 的实施提供技术手段，为电力营销管理业务提供服务和技术支持。 通信信道是系统的通信线路，用于在系统主站和负荷管理终端之间传送信息， 通信信道的质量直接影响着该系统功能的实现。在系统中通信信道的选择，可以视 当地具体情况( 包括地形、地貌、噪声源、频率复用等) 来选择无线、微波通道或 载波通道等。 负荷管理终端由具有数据采集及处理能力的微处理机系统和通信模块系统组 成，能够实时采集用户的用电信息、供电状况、电量信息、电表计量数据等各项用 电数据，实现对用户负荷的控制。并能将采集的数据和信息通过通信信道发送到系 华北电力大学硕士学位论文 统主站。 本课题所设计的无线负荷管理终端位于电力负荷管理系统的底层，是整个系统 的重要组成部分。负荷管理终端工作的可靠性、实时性将直接影响整个电力负荷管 理系统的性能。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 国外负荷管理发展情况 发达国家使用电力负荷管理装置已有六十多年的历史，是在不缺电的情况下发 展起来的。目前国际上已有几十个国家采用了电力负荷管理技术，安装使用的终端 己有几千万台，控制的总负荷约占世界发电总装机容量的1 0 以上。电力负荷管理 技术在国际上已成为一项成熟的实用技术。发达国家使用这项技术主要目的是改善 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”1 。 1 2 2 国内负荷管理发展现状 我国从1 9 7 7 年底开始了电力负荷控制技术的研究和应用，随着电力供需矛盾 趋向缓和，电力负荷控制系统的作用逐步转向了建立正常的供电秩序、保障电网安 全、营销管理等方面。系统增加了用电管理的功能，包括用电信息管理、远程抄表、 用电信息服务等功能。这些扩展的功能，提高了电力负荷控制系统的经济价值。在 系统的数据处理方面也打破了以前的局限性，扩展了网络功能。电力负荷实现了从 控制到管理的转变。目前，电力负荷管理中心可以通过数据库和网桥与不同的系统 网络连接，将负荷管理系统的大量数据信息发送到电力系统的管理网、调度网、营 业网等，这对于电网管理的科学化和现代化是不可或缺的。 目前，负荷管理技术在全国已处在实用化和较完善阶段，下一步将大力发展配 网自动化、远程抄表、用电负荷综合管理等，很多工作直接深入千家万户。随着用 户数量和需要传输的用电参数的增加，要不断地提高整个系统的可靠性和抗干扰能 力，开发新的功能，以适应若干年后新形势的挑战o 】。 1 3 电力负荷管理系统远程终端 电力负荷管理系统远程终端是电力负荷管理系统中的重要设备之一，位于整个 系统的最底层，主要用于对用户的电力负荷管理。终端一般安装在台区配电变压器 华北电力大学硕士学位论文 附近，其输入信号是配电变压器低压侧的a 、b 、c 三相电压信号，a 、b 、c 三相 电流信号及配电变压器的开关状态等，可以输出开关量控制外部开关。 终端按照主站下发的计划用电指标实旌当地功率和电量控制，而且可以将用户 的电参数和执行计划用电的结果随时按主站的命令上传至主站。终端还可以接受主 站的命令来控制用户的负荷，从而最大限度地提高用电的社会经济效益。终端通过 内置的电压电流互感器，对用户的电压电流信号进行高速采样，根据采样结果，计 算出电压电流的瞬时值、有效值、有功功率、无功功率、功率因数，并检测出电压 断相、逆相序等。这可以为电力部门的专业分析，如负荷预测、负荷控制、故障判 断等提供数据，进而从技术上和管理上提高了电网运行的经济性和安全性，实现良 好的经济效益和社会效益。因此负荷管理终端对于用电质量的监控作用越来越重 要，在配电网系统中的地位也越来越高。 1 3 1 终端的基本功能 负荷管理终端应具有遥控、遥测、遥信、抄表、事件记录等基本功能，具体如 下： ( 1 ) 数据采集和处理。采集三相交流输入电压、电流等模拟量，实现三相电 压、三相电流、实时有功功率、无功功率、功率因数、实时总有功功率、总无功功 率等的测量。具备日电量、月电量、日极值、电能质量分析以及防窃电分析等多种 数据处理功能，以满足电力营销及需求侧管理的需要。 ( 2 ) 自动抄表。兼容国内外主流电能表厂商的规约并具有抄表功能。 ( 3 ) 设置。包括在当地和远方进行时钟校时和参数设置，如功率控制参数、 电能量控制参数、终端参数、抄表参数、费率时段等参数的设置。 ( 4 ) 控制功能。实现功率定值闭环控制、电能量定值闭环控制，遥控等控制 功能。 ( 5 ) 记录功能。能够记录重要事件和一般事件的事件类型、发生时间和相关 情况，并主动上报至主站。 ( 6 ) 数据传输。能够接受主站的命令，并按照主站要求，定时或随机向主站 发送终端采集和存储的各类信息。 ( 7 ) 终端维护和本地功能。具有自诊断、自恢复和当地显示等功能。 1 3 2 终端产品国内发展现状及未来方向 2 0 0 3 年后，由于发电建设长期滞后于电网和经济的发展，造成全国范围的缺电 现象，部分地区甚至全年性缺电。因此，负荷管理系统又得到高度重视，但思想观 念已从“拉闸限电”转变为“有序用电、错峰用电”，从“负荷控制”转变为“远 华北电力大学硕士学位论文 方抄表、异常监测和用电服务”，这对应用系统和负荷管理终端都提出了更新更高 的要求“。传统无线负荷管理终端因其功能和性能指标的限制已很难满足上述新的 需求，具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 通信手段较为单一落后。传统负荷管理终端使用专用2 3 0 m h z 频段电台进 行通信，集中式点对点传输，半双工不支持主动上传，f s k 调制速率仅为1 2 0 0b i t s 或2 4 0 0b i t s 。开放式链路没有任何安全措施。 ( 2 ) 功能定位不能满足电力营销管理需求。传统负荷管理终端以开关控制为 主，抄表、监测为辅，很难向以抄表、监测、用电服务为主，控制为辅的思想转变。 ( 3 ) 终端软硬件平台设计相对落后。传统负荷管理终端系统资源非常有限， 已不能满足兼容多种电表规约、兼容多种通信方式、在线远程升级和维护等多种功 能需求。 ( 4 ) 产品价格较高，体积庞大，且大部分产品功能不齐全，兼容性和通用性 差。不同类型终端很难互联、互通、互换，不符合开放式发展潮流。 随着电子技术和通信技术的高速发展及配电自动化的要求，未来负荷管理终端 设备应朝着集成化高、可靠性好、实时性强、兼容性高的方向发展。 1 4 本文的主要工作 本课题通过对电力负荷管理系统通信特殊性及现有负荷管理终端产品的分析， 针对现有终端产品中存在的价格较高、数据安全性考虑不多等不足，引入m o b i t e x 无线窄带网络技术。m 3 0 0 0 是一款基于m o b i t e x 技术的无线通信模块，具有强大的 数据处理和控制能力。本课题提出了基于m 3 0 0 0 的无线负荷管理终端的设计方案， 增强了终端的功能性和数据安全性，同时降低了成本。设计主要分为硬件设计、软 件设计和通信规约解析，其中m 3 0 0 0 作为主控模块，通过1 2 c 总线控制其它外围设 备。为了保证交流信号采样后数据计算分析的快速和稳定，选用了t i 公司的 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机进行模拟量数据处理。 根据课题所要实现的目标，论文共分为六章，各章节安排如下： 第一章，前言综述电力负荷管理系统，并阐述了无线电力负荷管理终端在电 力负荷管理系统中的功能、作用及国内外发展状况。 第二章，设计方案。阐述了m o b i t e x 技术并提出了基于m 3 0 0 0 的电力负荷管理 终端设计方案。 第三章，硬件设计。研究负荷管理终端的硬件设计方案，包括各功能模块主要 芯片的应用及硬件接口连接图等。 第四章，软件设计。研究负荷管理终端的软件设计方案，重点研究数据采集与 存储的软件设计。 华北电力大学硕士学位论文 第五章，通信规约实现。研究了数据传输规约的帧格式，规约层次化设计，以 及解帧的软件实现。 第六章，总结。回顾整个课题设计，并对课题下一步工作提出展望。 华北电力大学硕士学位论文 第二章基于m 3 0 0 0 的负荷管理终端设计方案 2 1 终端通信方式的选择 通信方式的选择是建设电力负荷管理系统的关键技术，通信技术的优劣很大程 度上决定了电力负荷管理系统的优劣。电力负荷管理系统需要借助有效的通信手 段，将主站的控制命令准确下发到各个远方终端，同时将远方终端采集到的数据信 息上传到主站。 一 目前负荷管理终端中较为常见的无线通信方式有：2 3 0 m h z 电台无线通信和通 用无线分组业务( g p r s ) 通信等。下面对此两种无线通信方式进行比较。 2 3 0 m h z 电台无线通信属于超短波无线通信，是利用2 2 3 2 3 1m h z 超短波频 段电磁波进行的无线电通信。由于地面吸收较大且电离层不能反射，只能靠直线方 式传输，传输距离约5 0k m ，远距离传输时需经中继站分段传输。随着技术的不断 发展，整个2 3 0m h z 无线信道系统日益完善。目前国内已有几十个基于2 3 0m h z 无线通信技术的大规模负荷管理系统投入正式运行。2 3 0m h z 通信系统具有建设方 便、覆盖面大等优点，但同样也存在着超短波通信的技术问题，如覆盖受地形影响 大，易受突发电磁波干扰，传输速率低等。 应用g p r s 无线通信技术进行电力负荷管理系统组网，在网络覆盖面、通信技 术的先进性等方面具有明显的优势，并且建设费用相对较少。但g p r s 为语音优先 的公用网络”1 ，在话音高峰时，如果没有为数据通信配置专用信道，网络无法保证 负荷管理系统的独占性，可能造成数据的延时和拥塞嘲；另外通信的安全性也全部 依赖服务商。特别是g p r s 是一项新的通信技术，网络的建设和技术的应用都处于 发展阶段。从全国的试点情况看，应用g p r s 技术的负荷管理终端产品总体上还处 于不断改进完善阶段。 针对电力负荷管理系统中的无线数据通信业务都是数据量非常稳定，且处于 长期连续发送的状态，本课题设计采用m o b i t e x 无线网络技术。 2 2m o b i t e x 技术概述 2 2 1m o b i t e x 简介 m o b i t e x 技术是由瑞典爱立信公司开发的一种无线窄带数据专网技术。经过二 十多年的发展，已经非常成熟。m o b i t e x 采用分组交换的方式进行无线数据传输睁， 频谱利用率高、信息传送安全快捷。它是一个开放式系统，支持基于i p 的移动数据 华北电力大学硕士学位论文 应用。m o b i t e x 综合使用多神露效方式来确保所有类型的数据均可磷分之百交彳寸， 不荔发生误传帮曩氆戆瑗象，瓷数豢黄输撬供了高安全彀耧可靠馥环境。在整秀范 围内融经广泛应用于金融机构、公安部门、救援和医疗机构等。 2 2 。2m o b i t e x 翔络结构 m o b i t e x 网络由网络控制中心( n n c ) 、燕交换机( m h x ) 、区域交换机( m o x ) 、 基站( b s s ) 和通信终端组成“”，如图2 1 示。网络控制中心( n n c ) 用于网络 熬设爨、整控、管毽秘操终，嗣辩也提供逶镶爨窝告警静绫诗功裁；主交换穰i ( m 壬王x ) 为m o x 之阀传输的数据提供路由，连接m o b i t e x 网络鞍n c c ；区域交换祝( m o x ) 为基站之间传输的数据提供路由，连接固定用户f s t 的最终节点，鬓现m a i l b o x 功能；基站( b s s ) 为其所覆盏范围内的用户传输数据，移动用户联系的最终节点 黉徐速率8 k b p s ，每令b a s 霹登记2 5 潞令增户；逶信终端裁是各释移动或蠢是魏 数据终端设备。m o b i t e x 网络结构如图2 1 所示。 2 2 3o s i 系统模型 黧2 - 1m o b i t e x 瓣络绪棱嚣 m o b i t e x 是令鹈有数据专鼹。因照敷耀者在缀建翳络螽毒班囊邑维护溺终， 并可搬据自身的需黉来拓展网络耱开发舞缀应用，因两舆宥较好的缀嘲灵活性和较 宽广的应用空间。私有网络更方便组网者对网络进行配蹩和管理，丽专有网络更能 保诞数据传输的w 靠性和安全性。m o b i t e x 自身定义了蹰个协议，m a s c 协议朔 m p a k 协谈。它铂分弱对应o s i 系统模鳖串数据链爨簇饔秘络层兹瑟令渗议，熬瀚 2 2 所示。 华北电力大学硕士学位论文 k 熙一燕垡! 竺坐竺一 k 一i i _ i 无线移动终端 。 m o b i 怔 x 网络 蹰定终端。 强2 - 2m o b i t e x 对痘o s l 缝耨示意豳 m o b i e x 包含o s i 模型中l 3 层，应用殍发商完成第4 层及其竣t 各层酶服务 器端和客户端的任务。v 2 4 是光线m o d e m 妁p c 的物理接口，它们闯的通信接口 为m a s c 协议( m o b i t c xa s y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，即m o b i t e x 异步串纾 逶绩) 。m a s c 秘议楚链路层协议，主要逶行篙擎豹赣楚纛，薅傈圭瓤冬秃线m o d e m 闻的谁常通信。无线m o d e m 与m o b i t e x 网络间的接口为m p a k ( m o b i t e xp a c k e t ) 协议，它是第三层网络层协议，完成m o b i t e x 中的路由选择，将信息从发送者路由 蘩摇窥熬接浚者，处毽毒麓发受戆磐静交互臻谟。m a s c 秘m p a k 携议嚣痤蠲搜缮 数据猩阏络中被处躞的过程对离堪应用来说燎w 知的，高膳应用可黻邋过这种可知 性对被谣弃的数据浆取相应的黧传机制，在数据传输的熬个过程中保诞了数据传输 豹可靠性。 2 3m p a k 协议 淼m o b i t e x 礴终串，数摆罴以m p a k ( m o b i t e xp a c k e t ) 数据包豹形式送行传输。 根据m p a k 里包禽信息酶用途，可把m p a k 分成p s u b c o m 、d t e s e r v 和 p s o s c o m3 类。m p a k 包的帧格式“们如图2 - 3 所示。 彳 6 5 毒 善 2 l 华北电力大学硕士学位论文 4 7e n 础训：帅“神岬 l 婚眦w m l 槐s s h s t ： i l 嚣躲黑：躲一i 图2 3m p a k 包的帧格式 m a p k 有很多类型的数据包，以下是根据具体应用定义的m p a k 包通用部分 的格式及各字段的说明： 字节l 3 ：发送者，指信息的源地址，由3 个字节给出了发送者的m a n 号。 字节4 6 ：接收者，接收者是最初指定的目的地址，字节4 6 中给出了接收者 的删号。 字节7 ：状态字节，其结构如图2 4 所示。 字节，区三丑亚立翌 通信状态保留用户标志 图2 - 4 第7 字节的结构 第7 字节各位的功能如下： 1 4 位：用户标志，用户或移动终端可以在m p a k 的通用部分中设置标志，设 置“1 ”为有效。 第1 位，m a i l b o xf ，若为1 ，表示信息可被放置在网络邮箱中，当m p a k 包 由于接收者不能到达，而不能发送给接收者时，它将暂时被存放到邮箱里，等到接 收者可到达时，m p a k 包从邮箱发送给目的m o d e m ； 第2 位，p o s a c kf ，若为1 ，表示主动应答方式，每一个被传送的m p a k 包 都要得到应答确认后才进行下一包的传送： 第3 位，s e n d l i s t ，若为，表示包括地址列表；_ f 1m p a k 第4 位，u n k o n o w nf ，若为1 ，表示表示m o d e m 的m a n 号和终端的地址 列表中的地址不一致，在这种情况下该m p a k 包被返回发送端； 华北电力大学硕士学位论文 第5 位：保留，必须设置为o 。 6 8 位：这3 位说明了包通信的状态，有7 种可能状态，当发送包时，应将通 信状态设置为0 。 0 0 0 ：o k ，表示在交换时没有出现问题； 0 0 1 ：f r o mm a i l ，表示消息来自网络邮箱； 0 1 0 ：i n 0 1 1 ：n o ，表示信息既不能发送到接收者，也不能放入邮箱中；_transfer 1 0 0 ：i l l e g a l ，表示信息不能被网络传送； 1 0 1 ；c o n g e s t ，表示有线或无线通道拥塞； 1 1 0 ：e r r o r ，表示信息由于技术差错无法传送； 字节8 ：包类型字节，其结构如图2 5 所示。 字节8f i f 百百百习 包的种类外部 包的类型 标志 图2 5 第8 字节的结构 7 8 位指定了包的类型，共有三类：p s u b c o m 类( 0 0 ) id t e s t r v 类( 1 0 ) i p s o s c o m 类，未用。 第6 位为外部标志e x t e r n _ f ，如果为1 ，表示包会被用于外网( m o b i t e x 以外 的网络) 的传送； 1 5 位表示了包的种类，p s u b c o m 类中有5 种类型的包，分别为t e x t ，d a t a ， s 小i s ，h p d a t a ，e x t p ：a k ；d t e s t r v 类中共有3 2 种类型的包，这里不再赘述。 2 4 基于m o b i t e x 的电力负荷管理系统设计 m o b i t e x 技术专注于高可靠性、短时间突发数据的实时通信，非常适合于电力 负荷管理系统。m o b i t e x 基站的覆盖半径为城区1 0k i n 、开阔区域2 0k m 以上，每个 基站可注册2 5 0 0 个终端用户。目前国内每个3 5 k v 变电站的供电范围约为5 - 1 0 k m ， 该范围内需要进行抄表的变压器约为3 0 0 台。因此在相应的3 5 k v 变电站安装基站， 各变压器的负荷管理终端和基站通过无线方式进行通信，而基站通过电力系统的光 纤通信网与负荷管理主站系统连接，完全可以满足电力负荷管理系统的通信要求“。 下面以辽宁省鞍山市作为试点对基于m o b i t e x 的电力负荷管理系统的可行性进行论 述。 2 4 1 系统可行性分析 辽宁省鞍山市下辖3 县4 区，全市约有变压器1 万台，分属于各个3 5 k v 变电 1 0 华北电力大学硕士学位论文 站。在鞍山市组建基于m o b i t e x 的电力负荷管理系统时，根据鞍山市的地理和变电 站分布特点，结合m o b i t e x 网络的基站选址和频点规划原则，选定1 5 个变电站作为 基站安装点。由于每个基站最多可注册2 5 0 0 个终端用户，因此完全可以满足负荷 管理的需求。在鞍山市所辖的3 个县供电公司分别设置一个县级监控中心，在市区 供电公司设置一个市级监控中心。 m o b i t e x 采用的是小区分隔、频率复用的蜂窝通信技术，因此在实际组建 m o b i t e x 网络时，首先要考虑频率分配的问题。频率规划取决于m o b i t e x 的干扰灵 敏度，即系统的同频干扰抑制比。由于基站覆盖半径r 在市区为1 0k m ，郊区为2 0 k m ，因此建议干扰抑制比为1 8 d b 。根据频率复用模式主要是以同频干扰防护门限 为依据的原则，可得：当r = 1 0k m 时，n = 7 3 1 ；当r = 2 0k m 时，n = 5 1 6 。考虑到 地区终端的数量和以后扩容升级的需要，决定采用n = 7 。因此在鞍山市下辖的3 个 县各安装3 4 个基站，就可以达到总面积9 8 的m o b i t e x 无线信号覆盖率。 2 4 2 基于m o b i t e x 的电力负荷管理系统 基于m o b i t e x 的电力负荷管理系统采用分层分布式结构设计，充分考虑到电力 系统对监测数据和控制信息的通信要求，通过m o b i t e x 无线网络技术，将电网中各 个大用户变压器的负荷管理终端连接成一个整体，从而实现智能化管理。其系统结 构如图2 - 6 所示。 圈 困 夕k 基站l 专k 困基站2 以太两 图2 - 6 基于g o b i r e x 的负荷管理系统结构图 负荷管理终端和基站通过m o b i t e x 无线网络进行连接，它们之间通过m p a k ( m o b i t e xp a c k e t ) 数据包进行无线通信“”，而各个基站则通过电力系统的光纤网络 与m o b i t e x 网络的交换机通信控制单元( c c u ) 相连。一台c c u 交换机可以同时连 接8 台基站，一方面负荷管理主站系统的计算机通过基站向各个负荷管理终端下发 指令，另一方面c c u 把各个负荷管理终端的数据上传到主站系统的计算机，以供 存储、显示、和分析“”。各个县级负荷监控中心可以通过以太网连接市级监控中心， 从而实现信息共享。 华北电力大学硕士学位论文 2 4 3m 3 0 0 0 无线通信模块分析 在基于m o b i t e x 的电力负荷管理系统中，其终端都需要采用m o b i t e x 通信模块 进行通信，本设计采用的m o b i t e x 通信模块b o o m e r - i l l 为爱立信公司最新推出的一 款m 3 0 0 0 系列无线通信模块。 由于负荷管理终端要求传输的数据量多、内容繁杂，并且要求传输数据的网络 实时性好，可靠性高，因此，m o b i t e x 负荷管理终端中无线通信模块的性能直接决 定了整个电力负荷管理系统的实用性、可靠性和实时数据通信能力。m 3 0 0 0 系列无 线通信模块支持嵌入式j a v a 应用与c 语言开发，具有高端性能、小巧设计、低功耗、 低成本等特点，完全能够满足负荷管理终端的通信需求。 m 3 0 0 0 无线通信模块内置数字信号处理器( d s p ) 和微控制器( m c u ) ，大容 量的f l a s h 存储空间，以及看门狗、定时器等芯片，因此它不仅仅是传统意义上 的通信模块，更是一款功能强大的带通信功能的微处理器。m 3 0 0 0 具体指标如下： 内置d s p 和1 6 位m c u ； 大容量4 m 字节f l a s h 及1 2 8 k 字节e 2 p r o m ； 三个u a r t 串行通信端口和一个1 2 c 总线端口； 功率输出2 w ； 接收灵敏度1 2 1 d b m ； 自动漫游信道选择功能； 频率稳定度优于1 3 5k l - i z ； 输入电压：6 9 v d c ； 电流消耗：发射模式下1 6a ，接收模式下1 2 0m a 。 由于篇幅有限，本文将在第三章中详细介绍m 3 0 0 0 无线通信模块。 2 5 基于m 3 0 0 0 的负荷管理终端优势 目前，电力负荷管理系统中应用最为广泛的是基于2 3 0 m h z 电台通信的负荷管 理终端。该类终端基本上都是由2 3 0 m h z 电台、调制解调器、主控模块、大量存储 芯片( 如r a m 、e 2 p r o m 、f l a s h 等) 、大量接口电路、人机界面以及交流采样模 块等构成。其中主控模块大多采用a r m 7 或a r m 9 等微处理器，但a r m 的中断控 制设计不足以满足由中断主导的实时系统的要求，而且a r m 更新换代时间较快， 其后期维护和升级相对难度较大。由此可见，基于2 3 0 m h z 电台通信的负荷管理终 端内部结构较复杂、体积较大，且价格较高。其通信方式造成频点利用率低，通信 资源大量浪费。 本文设计的基于m 3 0 0 0 的负荷管理终端充分利用了m 3 0 0 0 强大的控制和数据 华北电力大学硕士学位论文 处理熊力。以m 3 0 0 0 作为主控模块，采用1 2 c 总线连接外强交流采榉模块和人机界 瑟，餐位7 终端豹接口电路，蒺瘫部4 m 譬繁f l a s h 究全满足终端游存储要求， 同时作为无线通信模块实现同童站的通信功能。因此，潦于m 3 0 0 0 的负荷管理终端 同传统2 3 0 m i - i z 负荷管理终端相比，大大减少了焊点和外围芯片数擞，节省了大爨 揍嚣资源，蠹蘩援块裹集藏缘，撵裹7 终壤熬稳定可纛援纛性蛰羲：。弱薅，采建 m o b i t e x 通信方式提高了数据佟输速率和安仝性。 本耄小结 本章根据现有光线负荷管溅终端功能和通信方式的缺陷，以降低终端成本和提 高终端传输可靠蚀与安全性为出发点，引入了m o b i t c x 觅线窄带通信技术。提出了 基予m o b i t c x 戆电力受蕊营莲系绞凌谤方寨，薅m 3 0 0 0 燹线逶蔼模块豹牲戆迸器分 析，阐述了基予m 3 0 0 0 的新藏无线负荷管瑷终端的优势。 华北电力大学硕士学位论文 第三章爨荷管理终端麓硬馋设计 髓着电力负荷管理技术的髓益发展，对其终端的测爨，控制、遇嵇等功能要求 越来鹣裹，特鬟怒薪一鼗受藜蛰毽终溃逐步淘毒集残度、全磅蕤纯戆穷囊发震。终 端的硬件结构是系统整体功能燕现的基础，磨接关系到系统能否安念、稳定的运行 以及备项性能。 3 。1 系统设计原剃 根据电力负荷管理终端对数据采集和处理较高的要求，在进行硬件设计时应遵 锤浚下覆鬻： 1 采用低功耗的硬件电路设计及芯片，同时能根据系统以后的成用需要，谶彳亍 模块和功能扩展 2 系统嚣要逃学大量匏数攒处理工终，鼹m 3 0 0 0 靛运算速疫要求银意，因她 需考虑在外围电路中设置一个辅助的微处理芯片，敷分拯m 3 0 0 0 静数据计算任务。 3 系统的应用环境决定了系统对可靠性要求很高，因此需精简外围工作电路的 设计，提高系统曩 # 的稳定可靠性。同时，也可以降低系统的设计成本。 3 2 系统需求分析 受薄管理终璇豹设 痤严掇按照现有的嗣家标准”“进行设计，纛要包括： 国家电弼公司企鼗标准q g d w1 2 9 。2 0 0 5 毫力负荷管理系统通用技术条 件； 国家电网公司企业标礁q g d w1 3 0 。2 0 0 5 电力负荷管理系统数据传输舰 夔； 中华人民熬和雷电力行嫩标准d w 6 4 5 1 9 9 7 彩功能电能表邋信规约。 3 2 1 系统功麓鬻求 负荷管理终端应以遥控、遥测、遥信技术为基础，并具备抄袭、对时、事件记 录等功能，具体耍口下： t 。模拟量絮袋：6 路。 2 。牙关状态精采集：5 黪。 3 遥控开关2 路。 华北电力大学硕士学位论文 4 本地控制：功控、电控、购电控、厂休控、时段控等。 5 显示：具有友好的汉字菜单界面。 6 参数计算：电量、功率、电能量、模拟量、功率因数等。 7 数据存储：电量、功率、需量、抄表量、模拟量、事件记录等。 8 事件记录：纪录运行的故障及事件，如停电次数、上电时刻，复位的累积 次数及复位时刻。 9 事件上报：上传主站指令设置的各种事件。 1 0 复位自检：自复位、遥控复位、故障自检。 11 r s 4 8 5 接口( 1 2 0 0 b p s 9 6 0 0 b p s ) ，支持d l t 一6 4 5 等规约；能存储各种类 型电能数据和瞬时量数据等；存储间隔1 分钟4 5 天任意设置： 1 2 远方参数设置；时钟、时段、定值参数、采样间隔、上传参数、计量参数 等。 3 2 2 系统性能要求 1 2 3 4 5 硬件可靠性：平均无故障工作时间( m t b f ) 2 0 0 0 0 小时； 电源电压输入范围：a c 2 2 0 v 3 0 ；频率5 0 h z ，允许偏差6 + 2 ； 电量、功率测量精度：优于0 5 ； 高精度时钟：时钟走时精度l s 8 h ， 时； 外壳及其防护性能：机箱外壳防尘、 i p 5 5 级( 防尘、防喷水) 要求； 停电后实时时钟运行时间5 0 0 0 0 小 防潮、防锈、防腐蚀，防护性能符合 6 电磁兼容性：机械结构、电源、p c b 走线、去耦、滤波、接地、光电隔离等 方面，能够适应高低温和高湿等恶劣运行环境。采用全封闭金属壳体工艺 和多层电路板布线设计，与外部接口均采用电磁隔离和光电隔离技术，具 有很高的抗电磁干扰能力和可靠性； 7 工作环境条件：大气压力6 6 k p a 1 0 8 k p a ，t 作环境温度2 5 + 5 5 ， 工作环境相对湿度1 0 9 5 ( 包括凝露) 。 3 3 系统硬件总体设计 根据以上对负荷管理终端功能与性能的要求，为了更好满足系统稳定性、实时 性、精确性的要求，本课题按照系统功能需求采用自上而下的分层模块化设计。 m 3 0 0 0 无线通信模块内置数字信号处理器( d s p ) 和微控制器( m c u ) ，4 m 字节的 f l a s h 存储空间，以及看门狗、定时器等芯片，完全可以认为是一个功能强大的微 处理器，具有强大的控制和数据处理能力。因此本设计将m 3 0 0 0 作为系统的主控模 1 5 - 华北电力大学硕士学位论文 块。m 3 0 0 0 内置3 个u a r t 串行通信接口、1 个1 2 c 总线接口和8 个i o 接口，可 以充分利用这些接口资源，特别是1 2 c 总线可以连接大量的外围芯片和设备，系统 的硬件结构如图3 - 1 所示。 电压3 m 3 0 0 0 主控模块 图3 1 系统硬件结构图 该系统硬件主要由m 3 0 0 0 主控模块、交流采样模块、遥信遥测模块、r s - 4 8 5 抄表模块、人机交互模块、时钟模块、电源模块等构成。 m 3 0 0 0 主控模块是整个系统的心脏，通过1 2 c 总线控制协调其他各功能模块的 正常工作，并完成抄表、遥信和遥测的处理。m 3 0 0 0 还实现与主站的通信功能，通 过m o b i t e x 无线网络上传各种终端数据，并且接收主站下发的参数设置和对时等命 令。 考虑到系统需要对采集到的模拟量数据进行大量的计算，如有功能率、无功功 率、电能量等，因此不宜将此任务交由m 3 0 0 0 主控模块完成。本设计采用单独的微 处理器对模拟量数据进行处理，从而提高整个系统的工作效率与稳定性。 人机交互模块用于系统实现必要的数据、信息显示以及响应键盘的输入等功 能。为了降低设计成本，采用从生产厂家定制的具有1 2 c 接口的集成产品。为保证 系统提供精确时间，采用p c f 8 5 6 3 作为实时时钟芯片对m 3 0 0 0 内部时钟进行校时。 3 4m 3 0 0 0 主控模块设计 瑞典爱立信公司生产的m 3 0 0 0 系列无线通信模块支持嵌入式j a v a 应用和c 语 言开发，便于集成到新的终端产品之中。因此，采用m 3 0 0 0 设计的负荷管理终端具 有设计小巧、内部结构模块化，维护方便等特点。本设计采用的是最新推出的m 3 0 0 0 系列第二代产品b o o m e r - i i i 。在我国m o b i t e x 网络工作在8 0 0 m h z 频率上，因此本 设计选用的m 3 0 0 0 发送频率为8 1 9 8 2 5 m h z ，接收频率为8 6 4 8 7 0 m h z 。m 3 0 0 0 外观如图3 2 所示。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 2 m 3 0 0 0 外观图 3 4 1m 3 0 0 0 结构功能 m 3 0 0 0 主要由m o b i t e x 通信数字信号处理器( d s p ) 、微控制器( m c u ) 、无线 收发器、存储器、看门狗、定时器等构成，其主要结构原理如图3 3 所示嘲。 艇 幽3 - 3m 3 0 0 0 功能结构原理图 m c u 为1 6 位微控制器，是m 3 0 0 0 的核心，控制和协调m 3 0 0 0 的其它部分， 用来对m o b i t e x 异步串行通信( m a s c m o b i t e xa s y n c h r o n o u ss e r i a l c o m m u n i c a t i o n ) 协议进行处理，按照m a s c 协议完成与数据终端的通信，并且实 现空中接口、漫游和切换工作模式。 d s p 用于实现m 3 0 0 0 中数据的分析处理，完成复杂的双向交换，并按照c c i t t 的规定完成数据压缩、编码解码，差错控制、传真参数、压缩协议、控制数据传输 速度和协议调节。 无线收发器由发射机和接收机构成，用于接收和发送m p a k 数据包，采用最小 高斯相移键控( g m s k ) 调制方式。发射机用于接收d s p 传来的串行数据，以m p a k 数据包的形式向无线基站发射数据；漫游时切换无线基站；从快速工作模式切换到 节电模式等。接收机的主要功能是接收m p a k 数据包和控制中心下发的控制命令。 存储器由f l a s h 和e 2 p r o m 等构成。其中f l a s h 容量为4 m 字节，负荷管理 终端采集和计算得到的各种大量数据都可以存储在该芯片中；e 2 p r o m 为1 2 8 k 字 节，用于存储系统的各种程序和配置数据。 华北电力大学硕士学位论文 m 3 0 0 0 内置3 个u a r t 串季予通信端日釉个1 2 c 总线端日，2 个1 6 位豹定对嚣 t i m e r _ 0 、t i m e r1 霸看门獬苍笄。 m 3 0 0 0 与m o b i t e x 网络通信时采用半