基于優(yōu)化ZigBee的特高壓直流微安表的設計

徐慧平，楊風開，吳 堅

(1.華中科技大學電氣與電子工程學院，湖北武漢 430074；2.國防科技大學前沿交叉學科學院，湖南長沙 410073)

0 引言

特高壓設備直流耐壓試驗時，試驗現(xiàn)場存在復雜的電磁干擾環(huán)境，為了排除雜散電流的影響，直流微安表一般串聯(lián)在高壓直流發(fā)生器輸出端與受試設備之間[1-2]。由于微安表與試驗人員之間的安全距離較遠，通常無法直接讀取微安表的測量值，需要將測量數(shù)據(jù)從高壓塔筒的頂部傳遞到地面操控臺。

限于復雜的電磁環(huán)境和較遠的傳遞距離，常見的無線傳輸技術(如WiFi、藍牙等)不適合用于微安表的數(shù)據(jù)傳輸[3-4]。目前普遍采用的數(shù)據(jù)傳輸方法是利用光纖通訊技術實現(xiàn)傳感器與操控臺之間數(shù)據(jù)通訊[5]，這種方法的缺點是光纖連接安裝麻煩。傳統(tǒng)的高壓直流微安表也有利用紅外傳感技術實現(xiàn)通訊的辦法，但是發(fā)送點和接收點之間不能有障礙物，且傳遞距離不能太遠，不適用于特高壓直流試驗。ZigBee技術適合電磁環(huán)境復雜的工業(yè)控制現(xiàn)場，具有低能耗通訊的特點，特別適用于特高壓直流微安表的數(shù)據(jù)傳輸。在ZigBee網(wǎng)絡的AODV路由算法中，節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的路由不是最優(yōu)，跳數(shù)也較多，已有很多研究對其算法進行了優(yōu)化，但這些優(yōu)化的算法主要解決的還是能量消耗的問題[6]。而對于特高壓試驗來說，需要提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，而不是解決能量消耗的問題，因此需要進行優(yōu)化以提高可靠性。

特高壓直流設備試驗的另一個特點是當受試設備發(fā)生擊穿或放電現(xiàn)象時，流過微安表的涌流要遠大于普通高壓直流試驗的電流，容易造成微安表的損壞，要求取樣電路具有良好的保護性能。

本文為實現(xiàn)微電流傳感器與顯示系統(tǒng)之間的通訊，采用ZigBee技術設計了無線路由器，并對經(jīng)典的ZigBee算法進行優(yōu)化以提高無線網(wǎng)絡的抗干擾能力；為提升在大涌流作用下的保護性能，分析了不同保護元件的特性，設計出兩級過流保護取樣電路?；谒O計的通訊算法和保護電路研制出特高壓直流微安表，在實驗室進行低壓實驗測試了測量精度，并實際應用于特高壓現(xiàn)場試驗，驗證了微安表的通訊效果和過流保護能力。

1 ZigBee路由器設計

ZigBee技術在自動控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過程中具有較強的抗干擾能力。每個節(jié)點本身可作為監(jiān)控對象，還可進行中轉(zhuǎn)臨近節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)，具有較高的通訊可靠性、較低的電能消耗[7]。因此，ZigBee技術特別適合于特高壓直流微安表的應用。

1.1 ZigBee路由協(xié)議

ZigBee路由協(xié)議是指ZigBee標準中有關路由算法和功能的部分。因節(jié)點無法獲取網(wǎng)絡信息，所以ZigBee路由算法需在局部網(wǎng)絡基礎上選擇最優(yōu)的路由。

DSDV協(xié)議是一種基于傳統(tǒng)BellmanFord路由機制的表驅(qū)動算法，被認為是無線自組網(wǎng)絡路由協(xié)議[8]。DSDV在傳統(tǒng)distance-vector算法的基礎上采用了序列號機制，主機通過周期性的交換信息得到其他路由的信息，由于數(shù)據(jù)傳送前已經(jīng)建立路由，故數(shù)據(jù)傳送延時小。但是由于路由更新的速度跟不上拓撲結(jié)構變化的速度，DSDV協(xié)議可能會導致路由不收斂，使得整個網(wǎng)絡崩潰。

DSR(dynamic source routing)協(xié)議采用按需路由思想的路由協(xié)議，只有在主機發(fā)出請求命令時才查找相應的路由，可以節(jié)約帶寬，減少路由開銷[9]。DSR協(xié)議包括路由發(fā)現(xiàn)和維護2個過程，主要特點是使用了源路由機制進行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。相較于表動算法，源路由機制在靈活性、可擴展性等方面有更好的表現(xiàn)。

AODV(ad-hoc on-demand distance vector)協(xié)議在眾多源路由機制中性能較為理想，在DSDV協(xié)議的逐跳路由、序列號、定期廣播機制基礎上，加入了DSR的按需路由的發(fā)現(xiàn)和維護機制[10]。AODV在每個中間節(jié)點隱式保存了路由請求和應答的結(jié)果，并利用擴展環(huán)搜索(expanding ring research)的辦法限制搜索發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點的范圍。但AODV路由應答數(shù)據(jù)包沿路由請求的反方向回溯到源節(jié)點，因而不支持單向信道。與DSDV保存完整的路由表相比，AODV對DSDV的重要改進是AODV通過按需路由減少了路由廣播的次數(shù)。與DSR相比，AODV的優(yōu)點在于源路由不需包括在每個數(shù)據(jù)包中，可降低路由協(xié)議的開銷?；谏鲜龇治?，本文采用AODV協(xié)議構建ZigBee網(wǎng)絡。

1.2 AODV算法的優(yōu)化

在ZigBee網(wǎng)絡的AODV路由算法中，節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的路由不是最優(yōu)，跳數(shù)也較多，影響節(jié)點的能量消耗，也影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。為提高?shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，本文對AODV算法進行了優(yōu)化，實現(xiàn)對網(wǎng)絡簇樹的自適應選取，以發(fā)揮ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點中繼傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)點。優(yōu)化AODV算法流程如圖1所示。

圖1 優(yōu)化路由算法流程圖

優(yōu)化算法的步驟如下：

(1)首先，協(xié)調(diào)器作為簇首，把節(jié)點類型設置為CH，并建立網(wǎng)絡簇樹，設置自身的簇信息[11]；

(2)路由節(jié)點收到回復信標后，根據(jù)節(jié)點類型進行判斷：若已有一個簇首節(jié)點，則加入該簇，將節(jié)點類型設置為CM；若已有多個簇首節(jié)點，則加入簇首權重最大的簇，將節(jié)點類型設置為CM；若信標中無簇首節(jié)點，則自身成為簇首節(jié)點，將節(jié)點類型設置為CH，同時通知父節(jié)點將節(jié)點類型設置為GW，以保證相鄰簇間的通信；若沒有網(wǎng)關，則節(jié)點作為網(wǎng)關，將節(jié)點類型設置為GW。

1.3 ZigBee路由器硬件電路

ZigBee網(wǎng)絡的無線路由器，其硬件電路結(jié)構框圖如圖2所示。它是CC2530芯片[12]開發(fā)的，該芯片以8051微處理器為內(nèi)核，集成了通訊接口和ZigBee射頻模塊，天線接收到的信號，經(jīng)過射頻功率放大電路放大后，傳給上位機，或上位機將數(shù)據(jù)包發(fā)送給射頻放大電路。

圖2 路由器硬件電路結(jié)構

從高壓端傳感器上的路由器，直接將電流測量數(shù)據(jù)發(fā)給操控臺的微安表顯示器，也可以將數(shù)據(jù)發(fā)給其他的測量控制系統(tǒng)。根據(jù)需要，可以在不同的地點放置若干冗余路由器，當因為干擾、屏蔽或距離等原因?qū)е履硞€路由節(jié)點傳輸失敗時，ZigBee網(wǎng)絡自動啟動冗余的路由節(jié)點建立新的傳輸路徑。

2 過流保護取樣電路的設計

微安表利用取樣電阻實現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換，將被測電流轉(zhuǎn)換為電壓信號。特高壓試驗在受試高壓設備發(fā)生擊穿或放電現(xiàn)象時，會產(chǎn)生較大的涌流。為了在涌流沖擊下能夠有效保護微安表，設計了兩級保護電路，原理如圖3所示。采用兩級保護的方式，輸入級利用吸收能量較大但響應時間較慢的壓敏電阻Rv保護，輸出級采用吸收能量相對較小但是響應時間較快的防雷二極管(TVS)保護。

圖3 過流保護取樣電路

圖3為過流保護取樣電阻網(wǎng)絡，要求最大輸入被測電流為10 mA，取樣電路最大輸出電壓為1 V，在此條件下計算各元件參數(shù)，以下說明各元件的功能及取值：R1為限流電阻，當D1擊穿時起限流的作用，取R1=1.5 kΩ；C1、R2組成緩沖電路，選取C1=1 000 pF的瓷片電容，R2=10 kΩ；R3為分壓電阻，R3=1.2 kΩ；R4為取樣電阻，R4=100 Ω；C2為濾波電容，選用10 μF的無感電容。

Rv為輸入級過流保護，采用額定電壓為33 V的壓敏電阻，當輸入電壓低于額定電壓時，Rv相當于開路，當輸入電壓高于額定電壓時，Rv的阻值隨電壓的升高而急劇減小，其伏安特性如圖4所示。Rv能夠?qū)⑤斎腚妷后槲辉?5 V以內(nèi)，單次最大瞬時電流可達2 kA。

圖4 壓敏電阻伏安特性曲線

壓敏電阻具有較大的涌流吸收能力，但是在沖擊電壓作用下其響應時間較慢，鉗位電壓相對于額定電壓較高，保護的精確程度不理想。為了提高電路的保護性能，在圖1中的輸出級設計了TVS二極管D1，D1的額定電壓為15 V，可將輸出電壓鉗位為1 V，其在脈沖電壓作用下電流變化特性如圖5所示。

圖5 TVS電流變化特性

由圖5可知，TVS二極管的兩端受到瞬態(tài)反向高能量沖擊時，能夠以ns級的速度將高阻抗變?yōu)榈妥杩梗苟穗妷后槲挥诎踩?，有效地保護輸出電路的元器件免因浪涌沖擊而損壞。

3 微安表的硬件電路設計

特高壓直流微安表主要由傳感器、顯示器組成。傳感器位于高壓塔筒的頂部，將被測直流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號，通過ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送到位于操控臺的顯示器。

傳感器部分由過流保護取樣電路、電壓信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、ZigBee射頻模塊、電源模塊組成，電路結(jié)構如圖6所示。電源模塊將電池電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V的穩(wěn)壓輸出，作為傳感器的工作電源，同時產(chǎn)生一路3.3 V的基準電壓信號，作為A/D轉(zhuǎn)換器件的電壓基準。串行接口與個人計算機連接，用于調(diào)試、下載程序。

圖6 傳感器電路結(jié)構

過流保護取樣電路獲得取樣電壓信號后，經(jīng)同相放大電路將取樣信號放大到0～3.3 V，然后送A/D轉(zhuǎn)換器件TLV2543進行轉(zhuǎn)換。TLV2543為12位串行接口的A/D轉(zhuǎn)換器件，其轉(zhuǎn)換精度能夠滿足測量的要求。CC2530的8051內(nèi)核通過I/O引腳與TLV2543進行數(shù)據(jù)交換，讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，然后利用自身的ZigBee射頻模塊發(fā)送出去。

顯示電路利用ZigBee射頻模塊接收傳感器發(fā)送的測量數(shù)據(jù)，然后在液晶顯示器上顯示出來，其電路原理結(jié)構如圖7所示。

圖7 顯示電路結(jié)構

圖7中按鍵電路用于對顯示器進行參數(shù)設置；串行接口電路與個人計算機連接，用于程序調(diào)試和下載；指示燈電路用于指示傳感器和顯示器的各種工作狀態(tài)。

4 實驗和應用

4.1 實驗測量

按上述通訊算法和硬件電路設計研制出特高壓直流微安表樣機后，在實驗室低壓條件下進行了不同輸入電流的測量實驗，與0.01級標準微安表(僅適合普通低壓條件下使用)的測量值進行比較，以驗證所研制微安表的測量精度，實驗測量結(jié)果如表1所示。

表1 不同電流下測量結(jié)果比較

由表1可知，研制的特高壓直流微安表的測量精度可以達到0.1級，優(yōu)于GB/T 16927.2—2013規(guī)定的指標，能夠滿足實際應用的精度要求。

4.2 現(xiàn)場應用測試

將研制的特高壓直流微安表用于實際的特高壓試驗中，在1 200 kV的特高壓試驗現(xiàn)場條件下，所研制的微安表能夠進行有效測量和數(shù)據(jù)傳輸；當受試高壓設備出現(xiàn)擊穿、放電現(xiàn)象時，微安表完好無損，能夠有效保護涌流的沖擊。

為了測試本文提出的優(yōu)化ZigBee算法的效果，分別對樣機加載經(jīng)典ZigBee算法程序和優(yōu)化ZigBee算法程序，在現(xiàn)場試驗條件下測試1 000組數(shù)據(jù)的通訊傳輸成功率，結(jié)果表明經(jīng)典ZigBee算法的成功率為67.3%，而優(yōu)化ZigBee算法的成功率為92.5%，可見優(yōu)化ZigBee算法能夠明顯提高通訊數(shù)據(jù)的傳輸成功率。

為驗證設計的兩級過流保護電路的保護效果，將兩級過流保護電路換成0.1 A的普通保險絲，在受試設備發(fā)生擊穿時，保險絲熔斷，且傳感器的信號處理電路損壞?？梢姳ｋU絲不僅不便于更換，且因響應速度不夠不能起到有效的保護作用。因此本文所設計的兩級過流保護電路，能夠起到有效的保護作用。

5 結(jié)束語

針對特高壓直流試驗過程中電磁環(huán)境復雜、瞬時涌流大的特點，設計了優(yōu)化的ZigBee算法，并設計了兩級過流保護取樣電路，在此基礎上研制出特高壓直流微安表。實驗室低壓測試和特高壓現(xiàn)場試驗結(jié)果表明：優(yōu)化的ZigBee網(wǎng)絡具有較強的抗干擾能力，適用于特高壓試驗現(xiàn)場復雜電磁環(huán)境下較遠距離的無線通訊；設計的過流保護取樣電路能夠有效保護過流沖擊；研制的特高壓直流微安表測量精度達到0.1級，能夠滿足實際應用的需要。