基于WSN的高校園區(qū)變送電遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

薛亞平

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127)

基于WSN的高校園區(qū)變送電遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

薛亞平

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127)

變送電安全監(jiān)控是保證電力安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。結(jié)合某高校園區(qū)變送電項(xiàng)目，對(duì)配變電及電力設(shè)備的安全隱患問(wèn)題進(jìn)行研究，研制出了變送電安全監(jiān)控系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)采用了無(wú)線傳感網(wǎng)來(lái)構(gòu)建變送電遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的底層通信系統(tǒng)，并利用32位ARM處理器S3C6410和新型高精度3相電能測(cè)量集成芯片ADE7758，研制了一套配變電安全監(jiān)控裝置。經(jīng)測(cè)試證明，該設(shè)計(jì)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

變送電；遠(yuǎn)程監(jiān)控；WSN

高校園區(qū)是電能需求量較為集中的場(chǎng)所。同時(shí)，隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，多媒體教學(xué)、各類科研教研活動(dòng)都離不開電子設(shè)備的支撐，這對(duì)高校園區(qū)內(nèi)的電力設(shè)施的運(yùn)行和電能質(zhì)量提出了更高的要求，因此對(duì)高校內(nèi)的電力設(shè)施進(jìn)行24 h的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和教室的電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，是保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備和線路，減少停電干擾的必要措施。

變配送電系統(tǒng)是高校園區(qū)電力系統(tǒng)的重要組成部分，是電力系統(tǒng)存在安全隱患最為嚴(yán)重的部分。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，1960年以來(lái)，我國(guó)因配變電及電力設(shè)備的安全隱患所引起的重大火災(zāi)事故就有近百起，減少發(fā)電供電超過(guò)100億度，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)十億元[1]。而且隨著電力需求的日益增大和電網(wǎng)規(guī)模的日益復(fù)雜，這個(gè)數(shù)字還呈上升趨勢(shì)。因此，研究可行的先進(jìn)變配送電安全監(jiān)控系統(tǒng)，已經(jīng)成為非常重要和必要的課題。

1 目前監(jiān)控現(xiàn)狀及改進(jìn)思路

我國(guó)的變送電安全監(jiān)控的發(fā)展始于20世紀(jì)80年代，近幾年隨著國(guó)內(nèi)科技水平的提高，也逐步發(fā)展成熟，但是還存在著功能較為單一、精度較低、體積相對(duì)較大、使用不夠靈活等問(wèn)題。

隨著高科技技術(shù)的不斷發(fā)展，高精度的自動(dòng)化、智能化儀表也紛紛涌現(xiàn)。這些儀表不僅可以完成傳統(tǒng)計(jì)量表的計(jì)量功能，還具有測(cè)量、保護(hù)、控制、通信等多種功能，極大地提高了監(jiān)控的可行性。同時(shí)，電子電路技術(shù)的發(fā)展也使眾多的算法可以在一些處理器中得到很好的體現(xiàn)，為準(zhǔn)確監(jiān)控打下了良好的基礎(chǔ)[1]。

本設(shè)計(jì)利用現(xiàn)有技術(shù)手段，設(shè)計(jì)出一種基于快速傅里葉變換FFT算法的高校園區(qū)變送電監(jiān)控系統(tǒng)，可以滿足電力監(jiān)控系統(tǒng)在計(jì)量、測(cè)量、突變信號(hào)處理等方面的高實(shí)時(shí)性和高可靠的要求。

整個(gè)變送電安全監(jiān)控系統(tǒng)具有智能變送電安全監(jiān)控和環(huán)境控制兩部分功能。主要改進(jìn)的功能有以下幾項(xiàng)：

(1)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理采用具有浮點(diǎn)運(yùn)算能力的高精度ARM芯片，可以適應(yīng)復(fù)雜的快速傅里葉變換，為監(jiān)控的高準(zhǔn)確性和智能化打下基礎(chǔ)；

(2)使用無(wú)線傳輸方式進(jìn)行通信，底層通信采用無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)，加強(qiáng)系統(tǒng)的底層靈活性；上層通信采用4G網(wǎng)絡(luò)，可以有效支撐系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信的要求；

(3)快速本地操作，USB抄表。當(dāng)通信系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，能以最快的速度在本地操作，實(shí)現(xiàn)故障控制，并支持USB抄表，記錄故障情況；

(4)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境溫濕度。

除以上功能外，整個(gè)系統(tǒng)的主要核心是智能變送電安全監(jiān)控部分，要求必須具有計(jì)量、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)抄表、用電異常信息自動(dòng)報(bào)警、電能質(zhì)量檢測(cè)、用電檢查、抗干擾等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)包括四個(gè)模塊，分別為電源模塊、信號(hào)實(shí)時(shí)采集和數(shù)據(jù)處理模塊、通信和人機(jī)接口模塊和系統(tǒng)管理模塊。具體系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

如圖1所示，系統(tǒng)的核心是ARM芯片，本設(shè)計(jì)采用的是S3C6410，S3C6410是一款低功率、高性價(jià)比、高性能的通用處理RSIC處理器，采用64/32bit的內(nèi)部總線架構(gòu)，融合了AXI、AHB、APB總線，具有很多強(qiáng)大的硬件加速器，能有效支撐算法的運(yùn)行，并把計(jì)算后的結(jié)果存入Flash進(jìn)行初步的保存。

電源模塊是為ARM芯片供電的模塊，在本設(shè)計(jì)中，采用兩種供電方式，一種是USB供電，一種是電池供電，具體電路圖如圖2所示。

圖2 電源電路圖

USB接口、串口、4G接口都是通信接口，串口主要接收底層傳輸數(shù)據(jù)所用，在本設(shè)計(jì)中采用的無(wú)線傳感網(wǎng)來(lái)采集底層數(shù)據(jù)，無(wú)線傳感網(wǎng)的匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口和ARM片相連，將數(shù)據(jù)傳輸至ARM芯片，同時(shí)接受來(lái)自于ARM芯片的控制命令，下傳至無(wú)線傳感網(wǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；USB口供4G通信不暢時(shí)利用USB實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)；4G接口模塊是完成數(shù)據(jù)由ARM芯片上傳至監(jiān)控中心，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

人機(jī)接口部分由液晶顯示和鍵盤組成，供現(xiàn)場(chǎng)控制的完成。

信號(hào)采集模塊是系統(tǒng)的最底層。在本設(shè)計(jì)中，底層通信采用無(wú)線傳感網(wǎng)來(lái)完成，所采用的技術(shù)是ZigBee技術(shù)，這是一種低功耗、短距離、低成本的無(wú)線傳輸方式，節(jié)點(diǎn)之間可以在幾十米的范圍之內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。節(jié)點(diǎn)工作的頻率是2.4GHz，可以免費(fèi)使用，本設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)選用的是CC2530，采取星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，處理星形中心的是協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器和S3C6410之間利用串口相連，協(xié)調(diào)器把數(shù)據(jù)傳輸至嵌入式處理器中。

CC2530內(nèi)部集成了8051內(nèi)核，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理。

電能的測(cè)量采用ADE7758芯片，它是一種高精度電能測(cè)量IC芯片，支持國(guó)際電工委員會(huì)的60687、61036、61268、62053-21、62053-22、62053-23等標(biāo)準(zhǔn)，兼容三相/三線制、三相/四線制和其他的三相設(shè)備，除能準(zhǔn)確提供電壓和電流的有效值，提供波形采樣數(shù)據(jù)外，還能夠測(cè)量有功功率、無(wú)功功率和視在功率三種能量[2]。

ADE7758芯片帶有一個(gè)串口，可以順利地連接至CC2530中，并將數(shù)據(jù)傳至無(wú)線傳感網(wǎng)的終端節(jié)點(diǎn)，再由終端節(jié)點(diǎn)，通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)，傳送至協(xié)調(diào)器，并通過(guò)串口傳入S3C6410。

電流和電壓數(shù)據(jù)的采集采用電流和電壓互感器來(lái)完成，采集數(shù)據(jù)傳入ADE7758，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 底層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言來(lái)編寫，具體流程如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

其中，CC2530接收電壓采集數(shù)據(jù)的程序?yàn)椋?/p>

4 結(jié)論

本文利用無(wú)線傳感網(wǎng)構(gòu)建了高校園區(qū)的變送電遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用ADE7758來(lái)采集電能的運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用CC2530來(lái)構(gòu)建底層數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，S3C6410來(lái)進(jìn)行電能質(zhì)量的分析和計(jì)算。經(jīng)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定地提供電能質(zhì)量的分析，滿足高校園區(qū)的電力安全監(jiān)控的需求。

[1]何正林.配變電安全監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2008：9-11.

[2]曲延濱，王建平.基于CAN總線和DSP的變電站監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003(12)：86-88.

Remotemonitoring system of university campuspower transm ission and transformation based onWSN

XUEYa-ping
(Yangzhou Polytechnic Institute，Yangzhou Jiangsu 225127，China)

The securitymonitoring for power transm ission and transformation is an im portant link to ensure secure and stable operation of the power.Based on a university cam pus variable transm ission project，the safety problem of distribution substation and power equipmentwas studied，and the variable transm ission security monitoring system was developed.The underlying communication system of remote monitoring system was builtwith w ireless sensor network，and the 32-bit ARM CPU S3C6410 and new type of high precision and three phase powermeasurement chip ADE7758 were used to develop a setof distribution substation safetymonitoring device.The test show that this design has high application value.

power transm ission and transformation;remotemonitoring;WSN

TM 131

A

1002-087 X(2016)07-1505-03

2016-02-25

薛亞平(1978—)，男，江蘇省人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。