基于WSN与RFID融合技术的输变电设备在线监测系统研究

摘要

物联网技术与智能电网存在许多共性技术，将物联网技术应用于智能电网，有助于提高电网的信息化程度、能源利用率以及运行可靠性，面向物联网技术的智能电网是未来发展的一个重要方向。输变电设备作为电网的基本组成部分，其运行状态直接影响智能电网的整体运行。因此，对输变电设备进行在线监测是保证电网可靠运行的基础。本文充分利用物联网技术的优势，对基于WSN(Wireless SensorNetworks)与RFID(Radio Frequency Identification)融合技术的输变电设备在线监测系统进行了深入的研究，主要研究内容包括以下几个方面。
　　针对传统输变电设备在线监测系统难以满足故障定位精确、多参数集中监测的现状，提出一种新型输变电设备在线监测系统架构，分为信息感知层、数据通信层、信息融合层与综合应用层。对各层的功能进行了详细介绍，实现了输变电设备集中监测多种类型参数以及准确定位故障设备。
　　基于对WSN与RFID融合技术四种常用架构方案的讨论，本文提出一种新型多传输方式监测通信网络。多传输方式监测通信网络主要由状态监测智能电子装置(IED)与主IED构成。状态监测IED是融合RFID标签的WSN节点，主IED是融合阅读器的汇聚节点。在多传输方式监测通信网络中，状态监测IED与主IED之间可以采用ZigBee技术与RFID技术进行通讯。基于RFID技术通信协议简单、能耗低的优势，状态监测IED与主IED优先采用RFID技术通信，从而降低监测通信网络的整体能耗。当RFID通信条件无法满足时，状态监测IED与主IED再通过ZigBee技术通信。另外，为多传输方式监测通信网络设计了一种RFID优先策略以及通信方式切换算法，使得状态监测IED与主IED能够智能切换通信方式。
　　重点研究了状态监测IED的设计。详细阐述了状态监测IED的硬件选型。状态监测IED的设计采用了模块化的思想，对状态监测IED的传感标签进行了一系列测试。仿真及测试结果表明，传感器标签的天线回波损耗约为-13.1dB，载波频率为865.8MHz时，传感标签最大读写距离为18m，传感标签驱动电流和工作电流分别为520μA和210μA，性能优于SL900A。为了降低状态监测IED的能耗，为状态监测IED设计了一种RFID射频唤醒机制。当状态监测IED无数据包需要发送时，RFID唤醒机制使状态监测IED的微处理器与无线通信模块始终处于休眠状态。当状态监测IED有传输任务时，主IED向状态监测IED发送射频唤醒信号，触发状态监测IED的RFID标签，RFID标签产生外部中断激活MCU，从而使状态监测IED进入正常工作状态。通过MATLAB仿真实验可得，RFID射频唤醒机制优于IEEE802.15.4 MAC协议与B-MAC协议的性能，RFID射频唤醒机制的能耗最低。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景与研究意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 相关研究现状

1．2．1 输变电设备在线监测系统的研究现状

1．2．2 WSN与RFID融合技术的现状

1．3 本文的主要工作及相关内容安排

第二章 WSN与RFID融合技术研究

2．1 无线传感器网络技术

2．1．1 无线传感器网络的结构

2．1．2 无线传感器网络的通信技术

2．1．3 ZigBee技术

2．2 射频识别技术

2．2．1 RFID的系统构成

2．2．2 RFID系统的分类

2．3 WSN与RFID融合技术分析

2．3．1 集成WSN和RFID的原因

2．3．2 RFID与WSN的一体化架构

2．4 本章小结

第三章 输变电设备在线监测系统的设计

3．1 输变电设备在线监测系统架构

3．1．1 信息感知层

3．1．2 数据通信层

3．1．3 信息融合层

3．1．4 综合应用层

3．2 监测通信网络的设计

3．3 多传输方式监测通信网络

3．3．1 多传输方式监测通信网络与其他融合网络的比较

3．3．2 监测通信网络的拓扑结构

3．3．3 监测通信网络的路由协议

3．3．4 监测通信网络传输方式的切换策略与算法设计

3．4 本章小结

第四章 状态监测IED的设计

4．1 状态监测IED的设计

4．1．1 状态监测IED的结构

4．1．2 状态监测IED的器件选型

4．1．3 无线通信模块设计

4．1．4 电源电路设计

4．1．5 状态监测IED的测试与实验结果

4．2 状态监测IED的低能耗策略

4．2．1 轮流休眠机制

4．2．2 射频唤醒机制

4．3 状态监测IED的休眠唤醒机制设计

4．3．1 RFID唤醒机制

4．3．2 RFID唤醒机制的主要特点

4．3．3 RFID唤醒机制的退避算法

4．3．4 RFID唤醒机制的能耗分析

4．3．5 仿真与实验结果

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况