電網(wǎng)參數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)

許世林　王義波　趙昌勇　張兆鵬　劉會(huì)鵬

【摘 要】針對(duì)電網(wǎng)參數(shù)使用有線監(jiān)測和人工巡檢方法存在的問題，提出了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)通過WSN模塊對(duì)電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行采集、處理、無線傳送等操作，得到的電網(wǎng)參數(shù)包括電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電網(wǎng)頻率等，然后把數(shù)據(jù)無線傳送到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議融合模塊，經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換后上傳到Internet上，最終在上位機(jī)上顯示，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)參數(shù)的遠(yuǎn)程訪問，實(shí)時(shí)查詢等功能，本系統(tǒng)具有使用簡單、信息實(shí)時(shí)、減少對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)的依賴、便于管理等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】電網(wǎng)參數(shù)；WSN模塊；Zigbee；嵌入式微處理器

0 引言

目前我國電網(wǎng)分布較為廣泛，對(duì)電網(wǎng)的安全預(yù)警和故障診斷成為必要，但電網(wǎng)監(jiān)測方面仍存在一些問題，傳統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)主要通過有線傳輸方式，但是采用傳統(tǒng)監(jiān)測方式需要大量通信電纜，且安裝困難，周期長，需要耗費(fèi)大量資源，目前也缺乏有效的有線監(jiān)測手段，部分線路還需要人工巡檢，有些輸電線路分布在惡劣的環(huán)境中，給工作人員帶來了巨大的不便，若工作人員無法接近輸電線路，則會(huì)產(chǎn)生監(jiān)測盲區(qū)，就無法了解輸電線路的工作狀態(tài)，不利于電能的傳輸。若能夠?qū)崟r(shí)了解輸電線路的參數(shù)，采取相應(yīng)措施，充分發(fā)揮輸電線路的輸電能力，將有利于提高社會(huì)的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，電能監(jiān)測的重要性日益突顯，通過恰當(dāng)?shù)谋O(jiān)測手段及時(shí)了解電網(wǎng)參數(shù)，將有助于提高電網(wǎng)的運(yùn)行能力，隨著傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)和迅猛發(fā)展，為電網(wǎng)的無線監(jiān)測提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，這樣將會(huì)有利于解決電網(wǎng)監(jiān)測方面存在的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理

系統(tǒng)有多個(gè)WSN模塊，WSN模塊對(duì)電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行測量，得到的電網(wǎng)參數(shù)包括電壓有效值、電流有效值、電網(wǎng)頻率、諧波、功率因數(shù)、功率等，把測量參數(shù)處理后通過CC2530傳送到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議融合模塊，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議融合模塊是以嵌入式微處理器為中心的網(wǎng)關(guān)平臺(tái)，通過STM32F103對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理然后上傳到互聯(lián)網(wǎng)上。監(jiān)控中心通過互聯(lián)網(wǎng)下載數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理、分析，最后在上位機(jī)上顯示。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)電路介紹

2.1 WSN模塊

2.1.1 Zigbee模塊CC2530

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收節(jié)點(diǎn)均為Zigbee模塊CC2530，通過CC2530組建網(wǎng)絡(luò)，使WSN模塊和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議融合模塊加入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸與接收，CC2530具有RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，集成了增強(qiáng)型的8051CPU，自身帶有射頻功能，它能夠建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，支持低功耗、低數(shù)據(jù)速率，具有很好的抗干擾性能和極高的接收靈敏度，使傳輸數(shù)據(jù)安全可靠。

2.1.2 電網(wǎng)參數(shù)采集模塊

本系統(tǒng)采用電流互感器和分壓式電阻器進(jìn)行電網(wǎng)參數(shù)的采集，電流互感器依據(jù)電磁感應(yīng)原理，將電網(wǎng)中的大電流轉(zhuǎn)變成小電流進(jìn)行測量，由分壓式電阻器得到相應(yīng)的電壓值，然后把數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理模塊。

2.1.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊首先對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，得到符合要求的電網(wǎng)參數(shù)，由時(shí)間抽取法的基2FFT分析方法，計(jì)算出諧波參數(shù)，用二瓦特計(jì)法計(jì)算出功率參數(shù)，通過有功功率和視在功率計(jì)算出功率因數(shù)，對(duì)每相電壓電流信號(hào)進(jìn)行采樣、計(jì)算，得到電網(wǎng)頻率。

2.1.4 電源模塊

電源模塊負(fù)責(zé)給整個(gè)節(jié)點(diǎn)提供電能，其內(nèi)部含有低壓差穩(wěn)壓芯片LM1117，LM1117是一個(gè)低壓差三端可調(diào)穩(wěn)壓集成電路，能夠提供穩(wěn)定電壓，并且提供電流限制和熱保護(hù)，確保電源模塊正常工作。

2.2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議融合模塊

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議融合模塊是以嵌入式微處理器為中心的網(wǎng)關(guān)平臺(tái)，它能夠?qū)igbee協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為TCP/IP協(xié)議的格式，實(shí)現(xiàn)Zigbee協(xié)議組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上的遠(yuǎn)程訪問、實(shí)時(shí)查詢等功能，由Zigbee協(xié)調(diào)器接收WSN模塊傳送的數(shù)據(jù)，通過SPI串行外設(shè)接口傳送到STM32F103中，通過微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成協(xié)議轉(zhuǎn)換，處理好的數(shù)據(jù)存放在FLASH中，并通過GPRS上傳到Internet，由JTAG對(duì)芯片進(jìn)行在線編程和調(diào)試，提高程序開發(fā)的效率。

2.3 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心監(jiān)控整個(gè)區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)的參數(shù)，由Internet接收網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù)，在信息平臺(tái)上進(jìn)行處理、分析、比較，最終在上位機(jī)上顯示。

3 軟件設(shè)計(jì)部分

該系統(tǒng)軟件主要有WSN模塊電網(wǎng)參數(shù)采集處理與發(fā)送程序、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議融合模塊數(shù)據(jù)的接收處理與發(fā)送程序。

WSN模塊電網(wǎng)參數(shù)采集處理與發(fā)送程序流程：系統(tǒng)上電啟動(dòng)，然后硬件初始化、軟件系統(tǒng)初始化，請(qǐng)求CC2530加入網(wǎng)絡(luò)，CC2530進(jìn)入低功耗模式，采集節(jié)點(diǎn)調(diào)度任務(wù)產(chǎn)生定時(shí)器中斷，CC2530退出低功耗模式，傳感器開始采集電網(wǎng)參數(shù)，接著進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄、處理、傳輸，關(guān)閉傳感器，CC2530再次進(jìn)入低功耗模式。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議融合模塊數(shù)據(jù)的接收處理與發(fā)送程序流程：首先系統(tǒng)初始化，CC2530協(xié)議棧初始化，檢測到有信號(hào)輸入，允許WSN模塊的CC2530加入網(wǎng)絡(luò)，接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，最后傳送到監(jiān)測中心。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于Zigbee電網(wǎng)參數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)參數(shù)的無線傳送，解決了有線監(jiān)測和人工巡檢存在的問題，有利于提高電能的輸送和利用，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet、GPRS等類型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的對(duì)接與融合，實(shí)現(xiàn)了各模塊間的通信，同時(shí)還具有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、監(jiān)測節(jié)點(diǎn)多、可擴(kuò)展性強(qiáng)、系統(tǒng)升級(jí)和改造容易等特點(diǎn)，在電網(wǎng)監(jiān)測方面有較好的應(yīng)用前景。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]