物联网论文Word格式.docx

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关键词：

物联网；

电力变压器；

Zigbee技术；

检测控制

Abstact

Inthepowersystem,withthepowergridcapacityisbigger,andthedevelopmentofsmartgrid,thetransformerimplementeffectivemonitoringhasbecomeatopicworthyofstudy,andtheInternetofthingsandthetransformerconditionanddetectlinkbecomesanewtopic.

TheInternetofthingsfromtheperceptionlayer,networklayerandapplicationlayer,theperceptionlayerisresponsibleforinformationacquisition,networklayerisresponsibleforthetransmissionofinformation,theapplicationlayerisresponsiblefortheinformationprocessingoffeedback.

NewZigbeetechnologytopromotethedevelopmentoftheInternetofthings.ZigBeetechnologyisakindoflowcomplexity,lowpowerconsumption,lowrate,lowcostbidirectionalwirelesscommunicationtechnology.Itcanbeinavarietyofelectronicdeviceforthetypicalperiodicdata,intermittentdataandlowresponsetimedatatransmissionapplication.

OnthetransformeroperationconditionmonitoringisthecoreofInternetapplication.Onpowertransformerrequiredmonitoringparametersandcanbeusedinthemethodareanalyzed.Andthat,ZigBeetechnologyinnetworkingandpowertransformerdetectinglinkingtheroleplayedby.

Keywords:

Internetofthings;

powertransformer;

Zigbeetechnology;

measurementandcontrol

引言

电力变压器在线监测是一项复杂的工程，目前在线监测技术还不太成熟。

传感器技术对电力变压器的监测显得尤为重要。

美国电力研究院开发出一种直接测量分析变压器油中的四种气体，并检测其状态，现已应用于变压器的状态监测中。

在电力变压器监测过程中，如何提高监测数据的可靠性及时性，就要解决两个问题：

一是如何获得有效及时的数据，二是怎样将这些数据传输到监控人员的手中。

我国直到本世纪初才开始接受并尝试国外先进的理念和技术，而且，这种尝试还只是局部的，没有形成规模的尝试，但是发展的势头是好的，通过多年的努力，也取得了不错的研究成果，并得到了实际应用。

目前电力变压器在线监测技术的应用主要是气象色谱及局部放电的在线测试，同事加强了变压器绕组变形，绕组老化及铁心接地的测试，此外，整栋检测，噪声监测，红外热像检测也得到了广泛的实际应用。

关于电力变压器运行状态的监测，大部分的学者都认为，随着经济条件的发展，信息技术，传感技术，无线传输技术以及智能电网水平的提高，这将会朝着利用物联网技术方向发展。

实际应用将会随着理论的发展而得到广泛的应用。

第一章物联网技术

物联网是国家新兴战略产业中信息产业发展的核心领域，将在国民经济发展中发挥重要作用。

而将物联网应用于电力变压器检测，构建电力变压器实时运行数据中心，将使智能电网的发展迈上新的台阶。

本文介绍将物联网在电力变压器中的应用，故先对物联网进行分析。

1．1物联网技术

物联网，英文名“TheInternetOfThings”。

顾名思义，即：

物物相连的网络。

这也表明了物联网也是互联网，它也是由互联网发展而来的。

物联网技术的定义是：

通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术。

物联网的主要特征是每一个物件都可以寻址，每一个物件都可以控制，每一个物件都可以通信。

显然，它作为“感知、传输、应用”3项技术相结合的一种产物，是一种全新的信息获取和处理技术。

1.1.1频识别技术.

射频识别RFID技术，是一种通过无线电信号对特定的目标进行识别，并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触，它隶属于非接触式自动识别技术。

其基本原理是利用射频信号和空间电磁场耦合传输特性来实现对监控物体的信息交换及自动识别。

RFID的设计就是射频电路技术、通信技术、传感器技术等的紧密结合。

RFID的阅读器通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。

典型的阅读器包含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元以及阅读器天线。

　RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。

RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。

比如说，我们在商场见到的电子标签就属于RFID标签。

因此，这种技术应用非常广泛。

射频识别系统性能的评断，阅读距离（电子阅读器与电子标签最大距离能够识别）的长短最重要的指标之一。

在实际的应用中，不同识别系统的的阅读距离差别很大，这一般是有实际情况来决定的。

1.1.2外感应技术

红外传感技术是一种利用红外线对温度敏感的物理性质来测量的温度感应器。

红外线感应器由光学感应系统，检测元件和转换电路组成。

官学感应系统可分为透射式和反射式光学感应系统，检测元件按照工作原理可分为热敏检测元件和光敏检测元件，其中，应用的最多的是热敏检测元件。

最终将检测元件发出的信号通过转换电路转换并发出。

1.1.3球定位系统

全球定位系统：

GPS是英文GlobalPositioningSystem的简称。

全球定位系统由空间卫星，地面检测系统，用户终端三个部分组成。

GPS全球定位系统在系统调度自动化，检测系统等电力行业有着广泛的应用。

随着电力系统规模的不断扩大，以及用户对电能质量要求的不断提高，这也对全球定位系统的精度提出新的挑战

1.2Zigbee技术

Zigbee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。

根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

1.2.1Zigbee技术原理

Zigbee技术协定层从下到上分别为实体层（PHY）、媒体存取层（MAC）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。

网络层由ZigBee联盟制定，应用层的开发应用根据用户的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。

根据IEEE802.15.4协议标准，ZigBee的工作频段分为3个频段，这3个工作频段相距较大，而且在各频段上的信道数据不同，因而，在该项技术标准中，各频段上的调制方式和传输速率不同。

在组网性能上，ZigBee可以构造为星形网络或者点对点对等网络，，具有较大的网络容量。

在无线通信技术上，采用CSMA－CA方式，有效地避免了无线电载波之间的冲突，此外，为保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答通信协议。

1.2.2Zigbee技术特点

（1）数据传输速率低

　　只有10～250Kb／s，专注于低传输速率应用。

无线传感器网络不传输语音、视频之类的大数据量的采集数据，仅仅传输一些采集到的温度、湿度之类的简单数据。

（2）功耗低　　

工作模式情况下，ZigBee技术传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间很短，其次在非工作模式时，ZigBee节点处于休眠模式，耗电量仅仅只有1μW。

设各搜索时延一般为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接人时延为15ms。

（3）数据传输可靠

ZigBee的介质链路层（以MAC层）采用CSMA－CA碰撞避免机制。

在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时则立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复，若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次。

（4）网络容量大　　

ZigBee定义了两种器件：

全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。

网络协调器（coordinator）是一种全功能器件，而网络节点通常为简化功能器件。

如果通过网络协调器组建无线传感器网络，整个网络最多可以支持超过65000个ZigBee网络节点，再加上各个网络协调器可互相连接，整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。

（5）实现成本低　　

模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1.5～2.5美元，且ZigBee协议免专利费用。

无线传感器网络中可以具有成千上万的节点，如果不能严格地控制节点的成本，那么网络的规模必将受到严重的制约，从而将严重地制约无线传感器网络的强大功能。

（6）兼容性　　

ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。

通过网络协调器自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道接入。

为了可靠传递，还提供全握手协议。

1.3本章小结

本章对物联网技术和zigbee技术进行了阐述，介绍了物联网技术中的射频识别，红外感应，全球定位系统等关键技术，以及Zigbee技术的原理和它所具有的特点优势。

第二章基于物联网Zigbee技术的电力变压器状态监测

无论是物联网的感知层还是电力变压器的检测，其关键都是获取被检测设备的实时数据。

因此应获得哪些数据，如何获得这些数据聚成为了首要问题。

本章将研究对与电力变压器需要获得哪些数据，以及如何获得这些数据。

2.1变压器监测须获得的数据

电力变压器按照使用条件，安装地点，容量的不同，有着不同的结构。

但是一般大型电力变压器都是油浸式的，所以本文以其为例，着重讨论。

油浸式变压器故障有内部故障和外部故障两种。

变压器管理人员主要关注内部故障。

内部故障的类型有：

各相间绕组故障，绕组的匝间短路，绕组或者引出线接地故障。

也可以分为热故障和电故障两类。

热故障主要体现在温度过高，局部过热。

电故障指变压器内部在强电场作用下，绝缘老化现象出现局部放电，火花放电等情况。

因此，电力变压器需检测主要数据即为温度，电压，电流，气体浓度等。

2.2使用Zigbee技术

本文将介绍最为广泛使用的光纤感应器。

光纤感应器将被测量的量转化为光信号，并以光纤作为信息传输的通道。

它由光发生器，光敏元件，光接收器，信号处理系统组成。

有光发生器发出的信号，经过光敏元件后，调制到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理后，变成所需的物理量。

而变压器中的电压电流则通过电压互感器和电流互感器来获得。

主要采用的是光纤式和电子式互感器。

光纤式互感器优点可以使测量更加精确稳定，不收电磁干扰，也不产生电磁干扰，体积小质量轻，灵明度高，测量范围广。

光线感应器感召作用可以分为功能性光线感应器，非功能型光线感应器和拾光光线感应器。

利用cc2530芯片可以控制需采集的数据的测量时间间隔，并且将采集到的模拟信号转化为数字信号，及时的将数据传到附近的接收站中，供作人员参考。

这不仅提高了操作人员的工作效率，而且调高了数据采集的可靠性，及时性以及稳定性。

图2-1状态监测所采用的感应器

2.3物联网所提供的信息制定检修的流程与方法

电力变压器运行状态可分为三种：

正常状态，异常状态，故障状态。

正常状态即变压器能够正常运行，各项指标都在合格范围内；

异常状态指设备已有局部出现不正常现象但不影响设备的正常运行，设备已经趋于老化，但是不影响正常工作；

故障状态即为变压器的性能指标已经明显趋于降低，已经不能维持正常的工作。

异常状态下应该严密监视变压器运行状态，以及各项性能指标，开始制定相关的检修计划；

故障状态下应该立即制定检修计划。

得到物联网所传输的信息之后，首先需要进行必要的分析处理，以下为分析处理步骤：

（1）可能发生故障机理的分析；

（2）在线重点监测进一步数据；

（3）持续监测数据的采集，处理和保存，往期数据的提取；

（4）故障特征量的提取，对比参照；

（5）对照可能发生的故障，确定故障类型和故障位置。

2.4本章小结

本章介绍了电力变压器在线监测所需采集的数据参数，并介绍了zigbee在其中的应用，指出了物联网Zigbee技术在变压器监测中的优势，后续的研究提供了基础。

第三章实验装置

以本文研究为背景，制作了如下实验装置，

图3-1实验装置

该实验是建立在zigbee技术基础上的电力变压器模拟装置，通过cc2530芯片和单片机的协调工作，能将温度传感器，电压，电流互感器测量出温度，三相电压，三相电流，共7组数据，及时地传输到附近的计算机上面，并能控制采集数据的时间间隔，待检查人员检查完毕，还能形成反馈。

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致谢

本文是在陈荣保老师的悉心指导和帮助下完成的。

感谢陈荣保老师给与我的帮助和指导，他对文章整体的把握，和学术理论与工作相结合的启发，以及各细节的严格要求，令我能够顺利完成此篇论文，因此，我要向我的导师致以崇高的敬意和衷心的感谢！

我还要感谢我的同学们，他们在我的论文初期构思时，给与了很多的帮助，提出了许多宝贵的意见。

再次感谢能够在百忙之中评阅此文的老师！