基于ZigBee-GPRS的箱式變電站監(jiān)控系統(tǒng)

范為杰，劉賢興 ，施 凱 ，張?jiān)讫?/p>

（1.江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2.中科天工電氣控股有限公司，阜寧 224400）

箱式變電站作為新型變配電設(shè)施具有占地面積小、建設(shè)周期短且操作方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于居民小區(qū)、公共場所以及環(huán)境惡劣地區(qū)如高原地區(qū)、沙漠地區(qū)等。實(shí)現(xiàn)箱式變電站的智能監(jiān)測不僅有利于箱式變電站運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等管理，隨時(shí)掌握站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行情況，及時(shí)診斷并處理出現(xiàn)的異常現(xiàn)象，大大減少定期檢修和停電次數(shù)，而且為配電網(wǎng)的運(yùn)行及性能指標(biāo)的監(jiān)視控制、供電方案優(yōu)化等管理工作提供了有效的技術(shù)手段。

有效保證箱式變電站智能監(jiān)測的根本途徑就是自動實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集以及通信數(shù)據(jù)的交換。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，尤其是GPRS無線移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提供了有效的傳播路徑[1]。目前箱式變電站監(jiān)控系統(tǒng)中，GPRS無線遠(yuǎn)程通信技術(shù)代替了光纖環(huán)網(wǎng)有線通信手段，避免了鋪線困難、檢修繁瑣等問題。然而多數(shù)成果都是基于遠(yuǎn)程通信技術(shù)的應(yīng)用研究，對現(xiàn)場層通信技術(shù)應(yīng)用的研究非常缺乏，大部分箱式變電站內(nèi)部現(xiàn)場采集仍以CAN總線方式負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信[1-3]，監(jiān)控對象數(shù)量眾多致使現(xiàn)場總線錯(cuò)綜復(fù)雜，而且高壓環(huán)境對其干擾嚴(yán)重。近年來發(fā)

展的ZigBee技術(shù)[4-6]是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，在近距離工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[7-11]。

本文充分利用ZigBee技術(shù)在近距離低功耗領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)無線通信的優(yōu)勢，提出了一種全新的基于ZigBee技術(shù)的箱式變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案。方案在現(xiàn)場層采用ZigBee技術(shù)交換數(shù)據(jù)，再結(jié)合成熟的GPRS通信技術(shù)將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的系統(tǒng)無線監(jiān)控。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

由于箱式變電站繁多的待監(jiān)測量，在箱式變電站內(nèi)部構(gòu)建ZigBee無線局域網(wǎng)，其系統(tǒng)簡易結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)與鄰近的數(shù)個(gè)傳感器或儀器儀表連接，采集相應(yīng)的電參量或開關(guān)量，所有采集量通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器經(jīng)過ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)處理器，再將數(shù)據(jù)傳送至GPRS模塊，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過ADSL由互聯(lián)網(wǎng)（Internet網(wǎng)）進(jìn)入GPRS網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)采用紐扣電池供電方式，由于ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)需要長期處在工作狀態(tài)，將其設(shè)置在低壓室中，采用電力系統(tǒng)供電方式。本文的監(jiān)控系統(tǒng)采用TI公司推出ZigBee2007協(xié)議作為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，GPRS模塊支持TCP/IP協(xié)議，修改遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)IP地址即可直接與GPRS模塊通信，上位機(jī)采用VC6.0/MFC配合ACCESS數(shù)據(jù)庫組建人機(jī)界面。ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)兩者優(yōu)勢互補(bǔ)，前者短距離無線傳感網(wǎng)絡(luò)配合后者遠(yuǎn)程傳播完成箱式變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通信。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee無線傳感器局域網(wǎng)

ZigBee無線傳感器局域網(wǎng)主要有各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電路、信號各采樣電路。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件電路選用TI公司CC2530芯片為核心，它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Block diagram of ZigBee networking node

CC2530基本外圍電路主要由晶振電路、復(fù)位電路、電源電路和天線電路構(gòu)成。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有32 MHz振蕩器和可選的32.768 kHz晶振，后者用于要求低的睡眠電流消耗和精確喚醒時(shí)間的應(yīng)用。天線電路RF匹配網(wǎng)絡(luò)部分采用巴倫電路優(yōu)化，復(fù)位電路采用簡單的RC電路構(gòu)成，即可手動控制系統(tǒng)復(fù)位。當(dāng)需復(fù)位時(shí)，按下S鍵，復(fù)位電路產(chǎn)生一個(gè)低電平，傳送至CC2530RESET口，使其重新啟動。

本文中不同功能的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在硬件結(jié)構(gòu)略有不同。ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)平時(shí)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)睡眠定時(shí)器產(chǎn)生中斷時(shí)喚醒設(shè)備，因此采用紐扣電池經(jīng)穩(wěn)壓電路方式供電。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)一直處在工作狀態(tài)，因此需要穩(wěn)定的電壓供電，在低壓室采用電力系統(tǒng)降壓穩(wěn)壓至3 V的方式供電。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)還需增加串口電路以方便其與網(wǎng)關(guān)微處理器連接交換數(shù)據(jù)，低壓室監(jiān)測低壓進(jìn)線參量的ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)需要增加RS485串口電路以接收多功能儀表檢測的數(shù)據(jù)。

2.1.1 高壓室監(jiān)測設(shè)計(jì)

高壓室的開關(guān)量狀態(tài)監(jiān)測對象有高壓斷路器、高壓負(fù)荷開關(guān)、繞組、母線風(fēng)機(jī)開關(guān)和各繼電保護(hù)。由于高壓室采用SF6高壓斷路器和SF6高壓負(fù)荷開關(guān)，用SF6氣體傳感器檢測SF6氣體泄露情況來反應(yīng)開關(guān)量的狀態(tài)，輸出0～4 V的直流電壓信號，經(jīng)過信號處理電路后送至CC2530 IO口。高壓室內(nèi)對繞組和母線進(jìn)行散熱的風(fēng)機(jī)開關(guān)的監(jiān)測，去抖后經(jīng)過光電隔離電路，消除高壓對開關(guān)量信號的影響后由采樣電路檢測。

高壓室母線和繞組的溫度監(jiān)測采用pt100插入式溫度傳感器，棒狀傳感器端插入線圈，信號輸出端與CC2530ADC口相連處理AD信號。高壓進(jìn)線電壓電流經(jīng)電壓變送器將電壓信號傳送至CC2530ADC電路進(jìn)行處理；直流儲能電機(jī)電流通過電壓檢測電路將AD直流信號傳送至ADC電路；高壓室絕緣套管泄露電流信號檢測通過A2漏電流傳感器將信號傳遞至CC2530的IO口。

2.1.2 變壓器室監(jiān)測設(shè)計(jì)

變壓器室監(jiān)測對象為室內(nèi)溫度、變壓器室用風(fēng)機(jī)開關(guān)狀態(tài)和各繼電保護(hù)的開關(guān)狀態(tài)。變壓器室內(nèi)溫度檢測選用DS18B20溫度傳感器，直接焊接在CC2530模塊檢測環(huán)境溫度，通過IO口上傳。高壓室繼電保護(hù)裝置有過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)和單相接地保護(hù)；變壓器室繼電保護(hù)裝置有瓦斯保護(hù)、零序電流保護(hù)、過勵(lì)磁保護(hù)、差動保護(hù)過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)；低壓室繼電保護(hù)裝置有電流保護(hù)、橫聯(lián)差動保護(hù)。本文通過霍爾傳感器，檢測裝置分合閘處線圈電流判斷繼電保護(hù)裝置狀態(tài)。

2.1.3 低壓室監(jiān)測設(shè)計(jì)

低壓室主要監(jiān)測對象為進(jìn)線回路電參量（進(jìn)線電流電壓、出線電流電壓、用功、無功等），文章采用多功能儀表，支持?jǐn)?shù)字接口RS-485，通過串口電路轉(zhuǎn)換成TTL電平，接入IO口。低壓熔斷器、無功補(bǔ)償投切開關(guān)通過開關(guān)檢測電路將信號傳送至CC2530的IO口。饋線回路漏電經(jīng)過電流互感器后，采用漏電流互感器檢測漏電流大小。

2.2 ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)與各傳感器通信；路由器節(jié)點(diǎn)在無線網(wǎng)絡(luò)起中轉(zhuǎn)站作用；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)啟動網(wǎng)絡(luò)和收集所有信息。ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)是基于ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與GPRS模塊的數(shù)據(jù)處理模塊。其網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，數(shù)據(jù)處理微處理器選擇TI公司以ARM Contex-M3為核心的LM3S9B96。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee無線局域網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)流程圖如圖3所示，本文采用星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，其他網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。在系統(tǒng)初始化后，啟動協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行應(yīng)用層任務(wù)初始化，調(diào)用SAPI_Init函數(shù)，調(diào)用SAPI_ProcessEvent進(jìn)入查詢事件后，當(dāng)確定啟動協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)后，StartOption默認(rèn)值被更改并保存至NV層，調(diào)用zb_StartRequest啟動網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)初始化任務(wù)ZDO_NETWORK_INIT，最終調(diào)用 ZDO_StartDevice。ZDO_StartDevice函數(shù)調(diào)用了 NLME_NetworkFormationRequest、NLME_Network DiscoveryRequest和NLME_OrphanJoinRequest函數(shù)，根據(jù)不同的設(shè)備類型做相應(yīng)的工作。建立好后通過ZDO_NetworkFormationConfirmCB函數(shù)對ZDO層反饋信息。設(shè)置zb_AllowBind，使得協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)允許綁定。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)形成網(wǎng)絡(luò)后，若有其他網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)啟動，根據(jù)自身設(shè)備類型，同樣調(diào)用ZDO_Start-Device申請加入網(wǎng)絡(luò)，調(diào)用NLME_NetworkDiscoveryRequest函數(shù)，若與協(xié)調(diào)器形成網(wǎng)絡(luò)通道匹配，則發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)存在調(diào)用NLME_OrphanJoinRequest以孤點(diǎn)方式加入網(wǎng)絡(luò)。加入成功后調(diào)用zb_StartConfirm函數(shù)ZDO層得到反饋信息。終端節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過zb_BindDeviceRequest發(fā)起綁定請求，建立綁定后通過函數(shù)APSME_BIND.confirm原語返回，通過調(diào)用ZDP_NwkAddrReq得到設(shè)備目的短地址。協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)建立好綁定后，將自動進(jìn)入數(shù)據(jù)采集并發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。調(diào)用osal_start_timeEX函數(shù)，定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。調(diào)用zb_SendDataRequest函數(shù)發(fā)送信息。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收到信息后，觸發(fā)SYS_EVENT_MSG事件，并調(diào)用SAPI_ReceiveDataIndication函數(shù)對AF_INCOMING_MSG_CMD信息處理。

圖3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)流程圖Fig.3 Flowchart of ZigBee networking

3.2 ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)先由ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將傳輸數(shù)據(jù)至ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)的處理器LM3S9B96，用ZigBee協(xié)議棧解封裝得到原始數(shù)據(jù)，在進(jìn)行處理后再以TCP/IP協(xié)議打包后通過UART通信與GPRS模塊連接。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測和控制兩大功能，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)信息字段分為方向位、功能類型和數(shù)據(jù)。其中方向位分為上行和下行兩種，上行傳輸?shù)氖潜O(jiān)測數(shù)據(jù)，由ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)紾PRS網(wǎng)絡(luò)再至監(jiān)控中心；下行傳輸?shù)氖敲羁刂?，由控制中心傳輸命令到GPRS網(wǎng)絡(luò)再至ZigBee網(wǎng)絡(luò)最終至具體的控制器上以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

4.1 軟件設(shè)計(jì)

本文采用VC6.0軟件開發(fā)集數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、信息傳遞、人機(jī)界面、實(shí)時(shí)監(jiān)測應(yīng)用程序于一體的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全無線的遠(yuǎn)距離傳輸與監(jiān)控。本文利用MFC AppWizard創(chuàng)建基于MFC的工程。遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件主要功能：用戶登陸系統(tǒng)、實(shí)時(shí)曲線、報(bào)表、事件記錄和警報(bào)系統(tǒng)。

建立Access數(shù)據(jù)庫，輸入自定義的登陸信息。新建CloginDlg類，建立對話框作為登陸窗口，連接數(shù)據(jù)庫，部分程序如：

if（!m_database.IsOpen（））{

if（m_database.Open（_T（"Demo"）））

{m_recordset.m_pDatabase=&m_database；

CString strSQL；

strSQL.Format（"select*from

UserInfo where UserName='%s'and Password='%s'and active_status='Y'"，username，password）；

m_recordset.Open（CRecordset：：forwardOnly，strSQL）；

｝

｝

監(jiān)控系統(tǒng)用戶管理功能，負(fù)責(zé)用戶信息的修改，添加以及刪除，分別新建類CPassword、CUserDlg、CUserset對應(yīng)用戶密碼修改，用戶信息添加修改和用戶信息與數(shù)據(jù)庫的連接。使用TeeChart控件構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線功能，在CMainFrame 主 框 架 類 中 OnPrintChart（）、OnCreate（）函數(shù)編寫曲線圖程序，ListControl控件構(gòu)建系統(tǒng)報(bào)表功能和事件記錄功能，以報(bào)表的形式記錄事件發(fā)生。新建類CAlertWnd，構(gòu)建報(bào)警窗口。

圖4 實(shí)時(shí)曲線界面Fig.4 Interface of real-time curve

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際要求設(shè)置警界限，設(shè)置各斷路器、負(fù)荷開關(guān)、繼電保護(hù)裝置斷開時(shí)發(fā)出警報(bào)，本文設(shè)置三相母線溫度高于60℃發(fā)出緊急報(bào)警，高壓側(cè)進(jìn)線電流低于30 A警報(bào)，低壓側(cè)進(jìn)線高于30 A警報(bào)。無線通信選擇2.4 GHz頻段，波特率設(shè)為57600。

實(shí)時(shí)曲線可觀測箱式變電站運(yùn)行狀況，如圖4所示，1號進(jìn)線為高壓室線路，進(jìn)線端為三相正弦交流電，監(jiān)測其中A相電流。當(dāng)高壓斷路器“故障”斷開（18：06、18：23左右）電流為0，恢復(fù)后仍為交流電。2號線為低壓室線路，出線端電流與負(fù)載成比例，選定時(shí)間段可放大曲線，圖4中2號線為某部分放大視圖。

監(jiān)控系統(tǒng)能夠完成日常監(jiān)控和事故處理異常監(jiān)控，掌握一次設(shè)備、二次繼電保護(hù)等的運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)箱式變電站的安全跳閘事故或者其他異常情況，盡快恢復(fù)供電。

5 結(jié)語

本文在物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了物聯(lián)網(wǎng)在箱式變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。ZigBee網(wǎng)絡(luò)工作頻段為2.4 GHz，用于箱式變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控可避免高壓工頻信號的干擾，ZigBee網(wǎng)絡(luò)面向短距離通信，GPRS面向長距離通信且需收費(fèi)。系統(tǒng)通過不同傳感器采集各種類監(jiān)測量，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信傳輸，再由GPRS通信，兩者優(yōu)勢互補(bǔ)，有效地組成無線通信系統(tǒng)。由此，ZigBee技術(shù)與GPRS技術(shù)的融合在無線通信網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。

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