基于ZigBee技術(shù)和GPRS的高壓電網(wǎng)設(shè)備遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)

張子紅,秦淑香,馮進玫,周連臣

(1.黑龍江科技大學 電子與信息工程學院,哈爾濱 150027; 2.東北輕合金有限責任公司，哈爾濱 150060)

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●電網(wǎng)設(shè)備●

基于ZigBee技術(shù)和GPRS的高壓電網(wǎng)設(shè)備遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)

張子紅1,秦淑香1,馮進玫1,周連臣2

(1.黑龍江科技大學 電子與信息工程學院,哈爾濱 150027; 2.東北輕合金有限責任公司，哈爾濱 150060)

為避免高壓電網(wǎng)設(shè)備因發(fā)熱、泄露電流造成的停電事故,筆者提出搭建一個基于ZigBee技術(shù)和GPRS的高壓電網(wǎng)設(shè)備遠程在線監(jiān)測系統(tǒng),即采用低功耗單片機MSP430實現(xiàn)多點溫度和泄露電流的采集和處理,通過ZigBee模塊實現(xiàn)高壓開關(guān)柜的溫度和泄露電流信號的采集和傳輸,由無線數(shù)據(jù)傳輸模塊MC39I 通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心;通過對監(jiān)控中心軟件和數(shù)據(jù)采集終端和現(xiàn)場控制端軟件的合理設(shè)計,實現(xiàn)監(jiān)測點溫度及泄露電流的在線監(jiān)測、顯示、數(shù)據(jù)查詢、打印和報警等功能。

GPRS; msp430單片機; 數(shù)據(jù)采集; 無線傳輸

高壓電網(wǎng)設(shè)備通常指絕緣子、高壓開關(guān)柜。絕緣子是高壓電網(wǎng)絕緣的薄弱環(huán)節(jié),一旦表面染上污穢,將導(dǎo)致泄漏電流增大,引發(fā)閃絡(luò)事故,影響電力系統(tǒng)正常運行。高壓開關(guān)柜是電力系統(tǒng)重要的控制設(shè)備,長期工作在大電流、高電壓、強磁場的環(huán)境中,而且多數(shù)采用封閉結(jié)構(gòu),散熱效果較差,易造成設(shè)備故障,影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。因此,為解決上述這些問題,本文研發(fā)了一種基于ZigBee技術(shù)和GPRS的遠程電網(wǎng)設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng),以實現(xiàn)對高壓電網(wǎng)設(shè)備進行在線溫度和泄露電流監(jiān)測,為監(jiān)控人員實時分析電網(wǎng)運行狀態(tài),提供有效數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

針對遠程電網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)男枨?結(jié)合現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò),組建了一個無線的、實時的遠程數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)由采集端、現(xiàn)場控制端、監(jiān)控中心和GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)四大部分構(gòu)成。采集端是監(jiān)測系統(tǒng)的第一環(huán)節(jié)主要包括電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通訊模塊等主要部分。GPRS通信網(wǎng)絡(luò)是連接控制端與監(jiān)控中心之間的紐帶,現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)能夠及時準確的傳送到監(jiān)控中心計算機中,監(jiān)控中心發(fā)出的各種命令也可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳回給采集端。監(jiān)控中心主要包括監(jiān)控中心服務(wù)器,數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,企業(yè)內(nèi)網(wǎng)(Internet),打印機等外圍設(shè)備;監(jiān)控中心軟件通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與控制端進行雙向通信,為監(jiān)控人員提供一個可視化的操作界面,以便監(jiān)控人員實時掌握現(xiàn)場設(shè)備運行情況[1]。采集傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

2 采集端電路的設(shè)計

前端數(shù)據(jù)采集單元的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 采集端的組成框圖

2.1 泄漏電流采集方式

絕緣子污閃從發(fā)生到發(fā)展的整個過程中,都伴隨著泄漏電流幅值和波形的變化。因此通過在線實時臨測絕緣子泄漏電流的波形可以估計絕緣子的運行狀態(tài),而且,電流信號的采樣也是絕緣子在線臨測技術(shù)中的一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。對柱型支撐絕緣子,將傳感器接在絕緣子接地引線上;對懸式絕緣子,將傳感器套接在絕緣子低壓端的球頭掛環(huán)處。

絕緣子泄漏電流傳感器采集的泄漏電流信號是經(jīng)過電壓、過電流保護后由屏蔽電纜引入的,變換成電壓信號后進入信號調(diào)理電路,在信號調(diào)理電路中對該電壓信號進行抗干擾抑制處理,RC濾波處理和PGA增益放大后送入到MSP430單片機中,對這一系列各路信號的采樣值計算處理后就能得到泄漏電流的幅值[2]。

2.2 多點溫度采集電路

高壓開關(guān)柜柜內(nèi)空氣溫度采用多點溫度測量,使用多片 DS18B20數(shù)字式溫度傳感器,溫度傳感器可安裝在高壓開關(guān)柜柜體的不同位置上。

前端機的MCU采用TI公司的MSP430系列超低功耗微處理器MSP430F149,該芯片內(nèi)部集成了豐富的資源,如高性能12位 A/D、模擬比較器、硬件乘法器、兩個串行口、兩個16 位脈寬調(diào)制定時器、60 kB的低功耗FLASH、2 kB的內(nèi)部RAM,同時它具有多種低功耗模式,適合于設(shè)計片上系統(tǒng)和電池供電的場合。其中硬件乘法器是一個16 位的片內(nèi)外設(shè),它獨立于CPU之外運行,不占用CPU任何時間,適宜于大量運算[3]。測溫電路采用獨立電源供電,所以電源通過上拉電阻與DSl8B20的數(shù)據(jù)線相連, DSl8B20的數(shù)據(jù)線與單片機的P1.4引腳相連。當進行溫度采集時,由于每個DSl8B20器件都有一個獨一無二的序列號存在它自己的ROM中,因此可利用DSl8B20的匹配命令,根據(jù)測溫原理編程實現(xiàn)多點測溫。多點溫度采集電路如圖3所示。

2.3 信號調(diào)理電路

泄漏電流的變化范圍通常在幾十微安到幾百毫安之間。選用KT-VDJ型小電流傳感器,其測量范圍為0～1 A,且該傳感器在1～200 mA間線性度較好,能夠滿足該監(jiān)測系統(tǒng)的要求。小電流傳感器采集的信號中,既有基波信號,又有各次諧波成分,因此采用RC濾波電路和同相比例放大電路組成的二階低通濾波器通過合理地選擇電阻R1、R2、R3、R4的阻值和電容C11、C12的電容值,使R4與R3的比值小于2,電路才能穩(wěn)定工作;當信號頻率與R1 C11的乘積為10時,能將信號中高頻諧波成分濾出。

由于電流傳感器輸出的是交流信號,存在正負極性,而MSP430F149的A/D采樣電壓范圍是0～2.5 V,在進入A/D轉(zhuǎn)換前,通過調(diào)節(jié)放大器的增益,使被采集的電壓信號落到-1.25～+1.25 V之內(nèi),通過1.25 V的基準電壓源的電平抬高電路將被采集信號進行電平抬高,保證采樣信號在0～2.5 V間。泄漏電流幅度隨著塔形、運行電壓、天氣等情況不同而不同,需要選用一個可編程放大器來動態(tài)改變信號的增益,可選可編程的單片儀表放大器AD526,其增益范圍廣。信號調(diào)理電路如圖4所示。溫度傳感器采集的信號不需要進行信號調(diào)理可直接送入到MSP430單片機中。

圖3 多點溫度采集電路

圖4 信號調(diào)理電路

2.4 CC2420無線通信模塊應(yīng)用電路

作為一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)工作組的一項標準,被稱為IEEE802.15.4技術(shù)標準[4]。

CC2420 射頻芯片是Chipcon公司開發(fā)的首款符合ZigBee標準的2.4 GHz射頻芯片,集成了所有ZigBee技術(shù)的優(yōu)點。CC2420提供一個SPI接口與微處理器MSP430F149連接,通過這個接口完成設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)兩方面的工作。采集端的CC2420無線通信電路如圖5所示。

圖5 采集端的CC2420無線通信電路

3 控制端電路的設(shè)計

控制端電路主要的功能是通過CC2420點對點接收采集端發(fā)送的采集數(shù)據(jù),微處理器MSP430F149通過對數(shù)據(jù)的分析處理將接收到的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心計算機,從而實現(xiàn)對高壓開關(guān)柜的運行狀況遠程在線監(jiān)測[5]。其組成框圖如圖6所示。

圖6 控制端的組成框圖

在系統(tǒng)的設(shè)計中ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娐放c微處理器之間通過SPI接口進行通信,GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸與微處理器之間通過串口進行通信。

3.1 電源電路

整個系統(tǒng)采用5 V電源供電,MSP430模塊的工作電壓為3.3 V,選用TI公司的TPS70633來實現(xiàn)5 V到3.3 V的電平轉(zhuǎn)換, MC39I模塊的工作電壓為3.6 V,選用可調(diào)式穩(wěn)壓芯片LP3966-ADJ芯片。電源電路如圖7所示。

圖7 電源電路

3.2 無線模塊MC39I接口電路

MC無線39I是SIEMENS公司的基于GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊,在GPRS網(wǎng)中能夠完成語音、數(shù)據(jù)呼叫、網(wǎng)絡(luò)連接、短消息以及傳真的傳送。它外部有40個引腳,通過一個ZIF(Zero

圖8 MC39I模塊接口電路

Insertion Force,零阻力插座)連接器引出,實現(xiàn)各種信號的雙向傳輸[6]。MC39I的DTR0和RTS0作為輸入引腳分別接10 k的上拉電阻將其拉高。/IGT管腳為MC39I的工作狀態(tài)控制引腳,通過一個10 k的電阻將其拉高,且將其與單片機的P1.3引腳相連,從而實現(xiàn)單片機對MC39I模塊的控制。MC39I的SYNC引腳連接一個指示燈用來指示GPRS模塊的工作狀態(tài)。其接口電如圖8所示。另外,MC39I模塊還需要連接SIM卡座,實現(xiàn)一個完整獨立的GPRS終端。

3.3 電平轉(zhuǎn)換電路

由于MC39I模塊與單片機通信時接口電平不同,MC39I的串口的工作電平是CMOS電平,而單片機串口的工作電平是TTL電平,因此需要進行接口轉(zhuǎn)換,從而實現(xiàn)單片機系統(tǒng)與MC39I模塊的雙向通信。這里采用SP3220芯片完成接口電平的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換電路如圖9所示。

圖9 電平轉(zhuǎn)換電路

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集部分的軟件設(shè)計、現(xiàn)場控制器部分的軟件設(shè)計和監(jiān)控中心軟件設(shè)計等。

單片機通過串口0向GPRS模塊發(fā)送相應(yīng)的AT命令來實現(xiàn)短消息的發(fā)送和接收。系統(tǒng)工作時,控制端程序首先對系統(tǒng)進行初始化設(shè)置并進行系統(tǒng)自檢,初始化MC39I模塊,如果GPRS網(wǎng)絡(luò)能正常登錄則系統(tǒng)進入主循環(huán),主程序通過查詢各功能標志進入相應(yīng)的功能模塊進行處理。各功能模塊在完成各自的任務(wù)后通過改變相應(yīng)的標志通知主程序繼續(xù)執(zhí)行下一步工作?，F(xiàn)場控制端程序流程如圖10所示。

多點溫度數(shù)據(jù)采集部分軟件設(shè)計的主要流程如圖11所示。

監(jiān)控中心站通過寬帶、ISDN或ADSL等方式以固定的公網(wǎng)IP地址接入Internet。監(jiān)控中心軟件的主要功能是接收各監(jiān)控終端發(fā)送來的信息并對其進行顯示、存儲、打印等處理以供管理者使用。

監(jiān)控中心要與遠端GPRS終端建立連接進行數(shù)據(jù)傳輸,監(jiān)控中心必須啟動一個服務(wù)器程序,這里采用Winsock控件實現(xiàn)。服務(wù)器端利用Winsock控件接收數(shù)據(jù)流程如圖12所示。

5 結(jié) 語

本文利用GPRS方式進行遠程電網(wǎng)設(shè)備實時監(jiān)測,可以節(jié)約通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費用,利用MSP430單片

機可以較好地解決能耗的要求,且只需要簡單的數(shù)據(jù)采集和收發(fā)模塊就能對遠端進行實時監(jiān)測。設(shè)備安裝比較方便,具有投資少、易于安裝、實時性強、傳輸速度高及適應(yīng)性好等特點,因此它將來一定能廣為應(yīng)用于高壓電網(wǎng)設(shè)備遠程監(jiān)控領(lǐng)域。

圖10 現(xiàn)場控制端程序流程圖

圖11 多點溫度采集程序流程圖

圖12 服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)流程圖

[1] 劉博.基于GPRS的遠程數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計[D].大連：大連海事大學碩士學位論文,2008. LIU Bo. Design of remote data acquisition and transmission system based on GPRS [D]. Dalian:Dalian Maritime University Master Degree Thesis, 2008.

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(責任編輯 郭金光)

Remote on-line monitoring system of HV power grid equipment based on ZigBee and GPRS

ZHANG Zihong1, QIN Shuxiang1, FENG Jinmei1, ZHOU Lianchen2

(1.School of Electronics and Information Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin 150027, China; 2.Nontheast Light Alloy Co., Ltd., Harbin 150060, China)

To avoid HV power grid equipment outage caused by heat and leakage current, the author proposed to establish the remote on-line monitoring system of HV power grid equipment based on ZigBee and GPRS. It is a system by which acquisition and processing of multi-channel temperature and leakage current could be realized by MSP430 microcontroller with low power consumption, besides acquisition and transmission of HV switchgear temperature and leakage current signal could be realized by ZigBee. The data acquired by the monitoring system is transmitted to the remote monitoring and control center through GPRS network by wireless data transmission model MC39I. Due to the reasonable design of monitoring and control center software, data acquisition terminal and onsite control terminal software, the functions, including online monitoring, displaying, data searching, printing and warning of monitoring point temperature and leakage current, could be realized.

GPRS; MSP430 microcontroller; data collection; wireless transmission

2016-01-27。

黑龍江省教育廳科學技術(shù)研究項目(12543068)。

張子紅(1976—),女，講師，主要從事嵌入式系統(tǒng)和智能網(wǎng)的研究和教學。

TN915

A

2095-6843(2016)02-0155-06