基于物联网的电能质量传输系统设计与实现

摘要

随着电网覆盖面积的日益扩大，智能电网建设的需求也日益攀升。对于电能质量的监测也成为电网建设的主要内容之一。本文通过分析智能电网中电能质量监测与传输的实际需求，设计并构建了一个基于物联网的电能质量信息监测与传输系统。系统采用无线传输、窄带物联网、嵌入式操作系统等物联网的核心技术，实现了对电力系统主要节点的电能质量信息的采集与传输，具有较好的实际意义。 论文首先在分析国内外现有电能质量传输方案的基础上，给出了基于物联网的电能质量传输系统的总体需求，对实现相关功能所使用的关键技术进行重点阐述。其次，根据传输系统的功能需求，设计了传输采集节点硬件电路实现总体方案，并对微处理器最小系统、存储器电路、通信模块、电源电路、印刷电路板布线及抗干扰等模块的设计进行详细介绍。同时，论文介绍了电能质量监测节点的软件设计方案，使用嵌入式实时操作系统FreeRTOS和轻量级网络协议栈LwIP，分别实现了任务调度和以太网传输的功能a最后，论文对设计出的电能质量传输系统进行测试，测试结果表明论文所设计实现的电能质量传输系统能够满足工程实践中的性能要求。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景和意义

1.3 国内外电能质量传输方式研究现状

1.4 论文主要内容及组织结构

1.4.1 论文主要内容

1.4.2 论文组织结构

2 系统需求分析与关键技术

2.1 电能质量传输系统需求

2.1.1 电能质量传输系统监测设备需求

2.1.2 电能质量传输系统应用软件需求

2.1.3 电能质量传输网络需求

2.2 电能质量传输系统设计方案

2.2.1 电能质量传输系统网络拓扑

2.2.2 传输节点设计

2.2.3 电能质量传输系统的平台组成介绍

2.3 电能质量传输系统关键技术

2.3.1 无线传输技术

2.3.2 嵌入式处理器及嵌入式实时操作系统

2.3.3 窄带物联网传输技术

2.4 本章小结

3 电能质量传输节点硬件设计

3.1 硬件总体设计方案

3.2 微处理器核心功能设计

3.3 存储器电路设计

3.4 通信模组电路设计

3.4.1 以太网传输电路设计

3.4.2 无线通信模块电路设计

3.4.3 窄带物联网传输模块设计

3.4.4 485电路设计

3.5 电源电路设计

3.6 印刷电路板布线及抗干扰设计

1. 电源和地的布线

2. 信号线布在电源层

3. 时钟的布线

4. 晶振的布线

3.7 本章小结

4 电能质量传输节点软件设计

4.1 程序设计流程

4.2 STM32基本功能配置

4.2.1 时钟配置

4.2.2 串口配置

4.2.3 SPI配置

4.2.4 以太网配置

4.2.5 操作系统及TCP/IP协议栈

4.3 FreeRTOS基础应用设计

4.3.1 FreeRTOS配置

4.3.2 LWIP配置

4.3.3 任务划分

4.3.4 任务间的通信

4.3.5 中断处理

4.4 数据传输节点设计

4.4.1 采集节点

4.4.2 中继节点

4.4.3 节点配置

4.5 电能质量传输协议

4.5.1 发送节点传输协议

4.5.2 中继节点传输协议

4.6 本章小结

5 系统测试

5.1 测试环境准备

5.2 电能质量获取测试

5.3 无线通信传输测试

5.3.1 空旷地带传输测试

5.3.2 室外复杂电磁环境测试

5.4 以太网传输测试

5.4.1 有线以太网传输测试

5.4.2 窄带物联网传输测试

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果