基于无线传感器网络的导线舞动监测系统研究

论文摘要

高压输电线路舞动对电力系统安全运行造成了严重危害,国内外学者对导线舞动机理和防舞理论已经做了大量研究,但是由于导线舞动的复杂性,目前还没有较为成熟的可用于验证导线舞动机理和防舞效果的导线舞动监测系统。为了提升输电导线舞动预警机制以及为导线舞动机理研究提供依据,在研究现有舞动监测装置的基础上,本文结合目前发展迅速的无线传感器网络ZigBee PRO技术,应用加速度传感器研制了输电线路舞动多点在线监测系统。本文研究的主要内容和结果包括以下几个方面:①研究输电导线舞动的机理及特点,总结目前输电导线舞动监测系统的不足,提出了利用无线传感器网络技术和加速度传感器进行导线舞动在线监测的方案。对加速度传感器监测导线舞动的原理和数学模型进行了分析研究。针对加速度数据数据采集和积分过程中产生的误差,提出了低通滤波和基于最小二乘法的积分基线标定数据处理算法。②选用CC2530ZDK无线传感器网络开发平台,介绍协调器节点的硬件体系结构和外围电路。在此基础上,进行了基于加速度传感器的导线舞动数据采集节点的设计。③以IAR Embedded Workbench为软件开发平台,针对节点的硬件设计对Z-Stack协议栈进行开发与移植,实现协调器节点和加速度传感器节点的无线数据采集和传输,完成了系统软、硬件的调试。④针对导线舞动监测系统拓扑结构为线型分布的无线传感器网络的特点,提出以无线网络生存周期和网络总功耗为目标,贪心算法为核心思想的节点优化部署方案。该方案与目前常用的节点均匀部署方案进行了仿真对比。结果显示,本文提出的算法在网络生存周期与网络总功耗两方面的性能都有较大的改善。⑤对舞动监测系统进行综合调试和实验。在实验室环境下模拟舞动监测系统运行实验,结果表明,协调器节点及研制的加速度传感器节点操作简单、覆盖面广,监测系统整体性能可以满足对输电线路舞动在线监测的要求,为实时掌握输电线路舞动状态提供了一种新方法,对于输电线路舞动监测具有借鉴意义。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 选题目的和研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 输电线路舞动及舞动监测研究现状
• 1.2.2 无线传感器网络国内外研究现状
• 1.2.3 加速度传感器的国内外应用现状
• 1.3 本文主要的研究内容
• 2 输电线路舞动数学模型和在线监测原理分析
• 2.1 导线舞动的数学模型
• 2.1.1 舞动对导线水平张力的影响
• 2.2 输电线路舞动在线监测原理分析
• 2.2.1 采用加速度传感器的导线舞动监测数学原理分析
• 2.2.2 加速度数据处理及误差仿真分析
• 2.3 本章小结
• 3 舞动监测系统总体设计
• 3.1 ZigBee PRO 无线传感器网络技术
• 3.2 监测系统总体方案
• 3.2.1 ZigBee 无线通信模块
• 3.2.2 系统电源选取
• 3.3 协调器节点
• 3.3.1 协调器节点硬件结构
• 3.3.2 数据远距离传输解决方案
• 3.4 无线加速度传感器节点
• 3.4.1 ADXL325 加速度传感器简介
• 3.4.2 无线加速度传感器节点设计
• 3.4.3 加速度传感器节点数据收发测试
• 3.5 系统的抗干扰措施
• 3.5.1 系统电磁兼容性
• 3.5.2 节点电磁屏蔽设计
• 3.6 本章小结
• 4 舞动监测系统节点软件设计
• 4.1 引言
• 4.2 Z-Stack 协议栈简介
• 4.2.1 Z-Stack 软件架构
• 4.2.2 Z-Stack 协议栈解析
• 4.3 协调器节点的软件设计
• 4.3.1 协调器节点组建网络
• 4.3.2 基于Z-Stack 协议栈的应用层开发
• 4.3.3 USB 串行接口初始化
• 4.4 终端数据采集节点的软件设计
• 4.4.1 终端节点程序流程
• 4.4.2 数据传输程序设计
• 4.4.3 加速度数据采集程序设计
• 4.4.4 加速度传感器节点功耗控制
• 4.4.5 终端节点的时间同步
• 4.5 本章小结
• 5 线型分布的无线传感器网络节点部署算法研究
• 5.1 引言
• 5.2 线型分布的无线传感器网络节点覆盖问题
• 5.3 贪心算法研究
• 5.4 基于贪心算法的线型分布网络节点的优化部署方案
• 5.4.1 线型分布的无线传感器网络模型
• 5.4.2 无线传感器网络节点均匀部署方案
• 5.4.3 基于贪心算法的线型分布无线传感器网络节点部署
• 5.5 仿真验证
• 5.5.1 线型分布网络的性能约束
• 5.5.2 数值模拟及评估
• 5.6 本章小结
• 6 系统测试与分析
• 6.1 引言
• 6.2 系统组网及通信测试
• 6.2.1 通信测试
• 6.2.2 组网测试
• 6.3 系统模拟运行实验
• 6.3.1 系统校准及可靠性验证
• 6.3.2 导线舞动监测系统模拟运行实验
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录