面向移動(dòng)終端的電力安全監(jiān)督系統(tǒng)

王澤涌

(廣東電力信息科技有限公司，廣東 廣州 510630)

隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對電網(wǎng)的自動(dòng)化和智能化提出了更高的要求。智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的質(zhì)量與供電系統(tǒng)的質(zhì)量直接相關(guān)，在電力集成自動(dòng)化系統(tǒng)中使用的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迫切需要[1]。遠(yuǎn)程電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是一種通用的技術(shù)系統(tǒng)，當(dāng)技術(shù)人員在工作場所時(shí)，可以使用鍵盤來查看不同的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。當(dāng)技術(shù)人員離開時(shí)，也可以通過GPRS(通用分組無線電服務(wù))網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)。通過該系統(tǒng)，可以非常方便地電網(wǎng)進(jìn)行管理，這也是智能電網(wǎng)的主要發(fā)展方向[2]。GPRS技術(shù)是一種基于GSM通信系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸方式，采用分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶可以同時(shí)使用多個(gè)無線信道，相同的無線信道可以被許多用戶共享，充分利用資源。用戶可以始終在線，最大傳輸速度可達(dá)到171.2 kb/s，這些優(yōu)勢保證了可靠的數(shù)據(jù)傳輸，非常適合于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控[3]。本研究結(jié)合ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種電力監(jiān)測系統(tǒng)，可以輕松實(shí)現(xiàn)變電站的監(jiān)測、控制、保護(hù)及相關(guān)設(shè)備等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以從根本上解決視頻監(jiān)控的不足，并完全滿足所需的精度。

1 ZigBee技術(shù)可行性分析

基于計(jì)算機(jī)、電子、通信技術(shù)的電力監(jiān)控系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、過程控制和調(diào)度自動(dòng)化的電力系統(tǒng)。通過參數(shù)的收集、調(diào)整和測量，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警、監(jiān)控、控制等多種功能。在目前階段，大多數(shù)電力監(jiān)控系統(tǒng)的通信手段都是基于電纜通信的。隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)接口的可靠性和數(shù)據(jù)鏈路的安全性越來越重要，電纜監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的局限性也越來越突出[4]。ZigBee是一種新興的短程、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[5]。由于其穩(wěn)定、可靠、方便、實(shí)用的特點(diǎn)，在許多工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[6]。

1.1 ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

IEEE802.15.4/ZigBee國際標(biāo)準(zhǔn)于2004年12月推出，它是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于微控制的應(yīng)用程序擁有新的互聯(lián)國際標(biāo)準(zhǔn)，引入該標(biāo)準(zhǔn)的目的是提供符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)的解決方案[7]。該標(biāo)準(zhǔn)專門針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程控制的應(yīng)用，具有網(wǎng)絡(luò)容量大、雙向數(shù)據(jù)傳輸可靠和協(xié)議覆蓋廣的突出特點(diǎn)，還具有免費(fèi)ISM頻段、低功耗、低成本、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。IEEE802.15.4/ZigBee標(biāo)準(zhǔn)在物理層(PHY)和媒體訪問層(MAC)中采用IEEE802.15.4通信標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上，ZigBeeUnion增加了網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APL)[8]。

1.2 ZigBee對電力系統(tǒng)的適應(yīng)性研究

傳輸速率上，ZigBee最大傳輸速率最高可達(dá)250 kb/s，這完全符合電力監(jiān)控系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)速率。電力成本上，ZigBee在低功率待機(jī)模式下，5號(hào)普通干式電池可使用6個(gè)月至2年。這是ZigBee的獨(dú)特優(yōu)勢，以確保監(jiān)控系統(tǒng)在停電的情況下繼續(xù)工作。節(jié)點(diǎn)容量上，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)，適用于電力系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。延遲時(shí)間，延遲時(shí)間通常為15～20 ms，非常適合工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)安全上，采用AES-128加密算法，提供了完整性數(shù)據(jù)檢查和身份驗(yàn)證的功能[9]。抗干擾性上，對于來自汽車、手機(jī)、發(fā)電機(jī)、配電室、變壓器等環(huán)境的干擾，ZigBee技術(shù)可以很好地預(yù)防。硬件成本上，采用低成本的產(chǎn)品安裝成本低，維護(hù)簡單，而且不需要租用公共網(wǎng)絡(luò)，所以不需要支付大量的運(yùn)營成本[10]。因此，基于以上結(jié)論可以得出結(jié)論，ZigBee技術(shù)完全適合在電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以為電力系統(tǒng)的運(yùn)行提供可靠的保護(hù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由ZigBee協(xié)調(diào)器、數(shù)據(jù)終端節(jié)點(diǎn)和GPRS模塊組成。遠(yuǎn)程電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)原理示如圖1所示。其中，ZigBee協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)始人和管理者，其主要功能如下：發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、啟動(dòng)、配置和構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)；管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)信息，實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收斂。作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，為ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供上行/下行數(shù)據(jù)接口[11]。數(shù)據(jù)終端節(jié)點(diǎn)用于數(shù)據(jù)采集、控制設(shè)備、環(huán)境監(jiān)控等。GPRS用于遠(yuǎn)程傳輸，替代現(xiàn)有的電纜通信方式。

圖1 遠(yuǎn)程電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of remote power grid monitoring system

2.1 硬件部分

研究利用TI的CC2430芯片和無線ZigBee協(xié)議堆棧，設(shè)計(jì)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。CC2430是第1個(gè)符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的單芯片2.4GHz系統(tǒng)，它擴(kuò)展了芯片CC2420框架。在一個(gè)單個(gè)芯片上，它集成了大量的資源，如ZigBee射頻(RF)收發(fā)器、內(nèi)存、微控制器和定時(shí)器。其單片機(jī)是一種名為C8051的增強(qiáng)型核心，其性能是標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)的8倍[12]。在休眠模式下，芯片功率流量小于0.9 μA?；贑C2430芯片設(shè)計(jì)ZigBee協(xié)調(diào)器，并進(jìn)行外部電路擴(kuò)展，如圖2所示。

圖2 ZigBee協(xié)調(diào)器示意Fig.2 Schematic diagram of ZigBee coordinator

協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的核心，網(wǎng)絡(luò)的所有數(shù)據(jù)都必須通過協(xié)調(diào)器到達(dá)控制中心。同時(shí)，來自中心的控制信號(hào)應(yīng)通過協(xié)調(diào)器發(fā)送到終端。因此，該設(shè)計(jì)采用高性能閃存芯片AM29F010B擴(kuò)展了內(nèi)存[13]。增加了液晶顯示器和鍵盤，以方便地監(jiān)控設(shè)備。設(shè)備由電纜供電，經(jīng)交流直流轉(zhuǎn)換后供電。

設(shè)計(jì)采用西門子MC35i作為GPRS模塊。MC35i是新一代的GSM/GPRS雙模模塊，它采用了一個(gè)緊湊的設(shè)計(jì)，為用戶提供了一個(gè)簡單的、內(nèi)置的無線GPRS連接。GPRS模塊通過UART與ZigBee協(xié)調(diào)器連接，兩者構(gòu)成系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)之間的通信[14]。

根據(jù)不同功能的終端節(jié)點(diǎn)包括溫度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、煙霧檢測節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測電力線的節(jié)點(diǎn)、控制電源設(shè)備狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)等。它們都使用CC2430作為芯片，并有不同的外圍電路。由于長度限制，本研究僅以電力線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)為例，對其他節(jié)點(diǎn)將不予詳細(xì)描述。電力線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)如圖3所示。

圖3 電力線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)Fig.3 Power line monitoring node

由圖3可知，光學(xué)耦合器芯片監(jiān)控4條電源線A、B、C、N。TPL521-4的輸出端與CC2430連接。電源檢測電路通過確定電源線上的電壓是否發(fā)生變化來檢測故障。在正常狀態(tài)下，TPL521-4的AO、BO、CO終點(diǎn)循環(huán)輸出，異常時(shí)，TPL521-4連續(xù)保持高輸出量。在一定時(shí)間內(nèi)，如果TPL521-4的低輸出量小于一定數(shù)量，系統(tǒng)定義線路上可能有故障，然后2次檢查TPL521-4的輸出狀態(tài)。經(jīng)過2次查詢，如果低輸出量仍小于一定數(shù)量，系統(tǒng)判斷發(fā)生故障。

2.2 局部電壓采集結(jié)構(gòu)

本地電壓采集模塊主要完成網(wǎng)絡(luò)電壓的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，顯示并保存電壓的統(tǒng)計(jì)值，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS無線模塊。在硬件電路方面，主要由變頻轉(zhuǎn)換器電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、電源電路、顯示電路、RS-232、鑰匙控制電路、核心控制電路8個(gè)部分組成[15]。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 GPRS無線數(shù)據(jù)采集模塊Fig.4 GPRS wireless data acquisition module

GPRS無線數(shù)據(jù)采集模塊主要完成了本地監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的接收，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到終端。只需要調(diào)整用戶的手機(jī)號(hào)碼，然后它就可以準(zhǔn)確地完成數(shù)據(jù)的傳輸。計(jì)算機(jī)用戶還可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并顯示。

2.3 變頻轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)

變頻轉(zhuǎn)換器電路將模擬電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的頻率脈沖。單控制器使用計(jì)時(shí)器中斷計(jì)算1 min內(nèi)的脈沖數(shù)即頻率。然后通過公式，可以計(jì)算出相應(yīng)的瞬時(shí)電壓值。在此電路中，選擇LM311作為變頻轉(zhuǎn)換芯片。其基本特點(diǎn)是：價(jià)格低、功耗低、線性度好等[16]。它總共有8個(gè)引腳；CMPRIN和FREQOUT分別用于完成電壓輸入和頻率輸出，端口T0直接連接到單片控制器的計(jì)數(shù)端口。硬件電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 變頻轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)Fig.5 Circuit design of frequency conversion converter

2.4 主控制電路設(shè)計(jì)

主控部分采用(AVR系列)微控制器ATMEGA16L對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。這個(gè)芯片內(nèi)部包含一個(gè)看門狗電路。它用于避免程序運(yùn)行錯(cuò)誤、提高系統(tǒng)的抗干擾能力。實(shí)時(shí)部分使用PCF8583芯片，它為系統(tǒng)的時(shí)間和日期提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路采用8 kB 24LC64芯片，也與PCF8583一樣，是I2C總線接口。P201有20個(gè)引腳，可直接連接到128×64液晶顯示器。4個(gè)按鈕用于切換顯示數(shù)據(jù)。同時(shí)，GPRS模塊電路設(shè)計(jì)GPRS模塊主要完成GPRS網(wǎng)絡(luò)接入，選擇了西門子的SIM300CZ芯片。該芯片中嵌入了TCP/IP協(xié)議，廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程讀表、安全監(jiān)控、遠(yuǎn)程遙測等機(jī)對機(jī)應(yīng)用等移動(dòng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。該模塊廣泛用于其行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，提供GSM/GPRS900/1 800/1 900 MHz或850/900/1 800/1 900 MHz功能，CSD狀態(tài)下數(shù)據(jù)速率達(dá)9.6kb/s，HSCSD狀態(tài)下數(shù)據(jù)速率達(dá)19.2kb/s。它嵌入了強(qiáng)大的TCP/IP協(xié)議堆棧，由AT命令控制，并支持語音、短信、數(shù)據(jù)和傳真、高速信息傳輸。

3 軟件部分

3.1 GPRS傳輸服務(wù)

軟件是控制系統(tǒng)的重要組成部分。該軟件在很大程度上決定了該系統(tǒng)的可行性和可靠性。GPRS傳輸服務(wù)流程如圖6所示。啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，開始完成初始化，系統(tǒng)獲取電網(wǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)內(nèi)存。當(dāng)需要向終端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，啟動(dòng)GPRS模塊，并初始化網(wǎng)絡(luò)接口。然后，直接使用AT命令，撥號(hào)到中國移動(dòng)的GPRS節(jié)點(diǎn)服務(wù)器(GGSN)。通過一個(gè)新的PPP任務(wù)來完成數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層的連接，然后就可以得到IP并完成準(zhǔn)備。此時(shí)，可以設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)的任務(wù)，請求TCP連接，完成數(shù)據(jù)傳輸，最后斷開與GGSN的連接。最后，系統(tǒng)返回，不斷更新數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

圖6 GPRS傳輸服務(wù)流程Fig.6 GPRS transmission service process

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)工作時(shí)，ZigBee協(xié)調(diào)器通過掃描1個(gè)空通道來創(chuàng)建1個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)。一旦建立了空通道，ZigBee協(xié)調(diào)器將選擇1個(gè)區(qū)域網(wǎng)(PAN)ID并開始監(jiān)聽該通道，一旦確定了適當(dāng)?shù)耐ǖ篮蚉ANID，網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)體將選擇0x0000作為短地址，并通知MAC層。ZigBee協(xié)調(diào)器還負(fù)責(zé)維護(hù)當(dāng)前已連接的設(shè)備列表，并支持獨(dú)立掃描程序，以確保之前的設(shè)備能夠重新加入網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)后，下次通電時(shí)，將自動(dòng)嘗試重新加入網(wǎng)絡(luò)，然后啟用看門狗時(shí)鐘，停止射頻接收器，使控制器進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)有控制信號(hào)或數(shù)據(jù)時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)會(huì)通過PORTB中斷喚醒并發(fā)送消息。

3.3 ZigBee協(xié)調(diào)器與GPRS間的溝通方案

ZigBee協(xié)調(diào)器與GPRS之間的通信程序流程如圖7所示。

圖7 ZigBee協(xié)調(diào)器與GPRS間的通信程序Fig.7 Communication program between ZigBee coordinator and GPRS

ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)通過UART發(fā)送到GPRS模塊。UART起著2個(gè)模塊之間的通信作用，傳輸是透明的。數(shù)據(jù)從CC2430接收后，不能直接發(fā)送，但可以根據(jù)SMS協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換后發(fā)送。

MC35i通過AT命令發(fā)送短信，有2個(gè)主要的AT命令來發(fā)送短信：AT+CMGF和AT+CMGS。2個(gè)命令的作用分別為：①AT+CMGF。短信選擇命令。格式為：在+CMGF=中，MODE是命令的參數(shù)，它有2個(gè)值，0，將短信模式設(shè)置為PDU；1，將短信模式設(shè)置為TEXT。通電后，MC35i的默許模式為TEXT模式，所以在發(fā)送SMS模式前應(yīng)設(shè)置為PDU模式。②AT+CMGS：短信發(fā)送命令。格式為：AT+CMGS=，LENGH為命令的參數(shù)，LENGH的值為用戶信息長度和協(xié)議長度的求和。發(fā)送AT+CMGS=后，直到MC35i返回“>”，才能發(fā)送PDU的數(shù)據(jù)字符串，或者無法成功發(fā)送短信。

4 實(shí)測分析

智能電力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了小規(guī)模的安裝運(yùn)行，運(yùn)行良好。測試了包括按鍵與顯示功能測試、報(bào)警功能測試、事件記錄功能測試、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能基本功能。模擬了在運(yùn)行中出現(xiàn)欠壓、失壓、失流、電壓越限、超負(fù)荷和逆向序等故障。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，蜂鳴器響，報(bào)警LED閃爍，手機(jī)和中控計(jì)算機(jī)均有相應(yīng)錯(cuò)誤代碼和報(bào)警顯示。測試記錄功能時(shí)，模擬失壓，連續(xù)出現(xiàn)30 s后，開始記錄本次失壓相別、失壓累計(jì)時(shí)間、失壓累計(jì)次數(shù)，連續(xù)記錄5次失壓出現(xiàn)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間。三相全失壓時(shí)，電表記錄本次出現(xiàn)時(shí)間、失壓累計(jì)時(shí)間、失壓次數(shù)。電壓恢復(fù)時(shí)可以顯示以上記錄。測試數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能時(shí)，模擬斷電，基本參數(shù)在掉電后，保存正確完好，不丟失。

5 結(jié)語

本研究基于ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)的設(shè)計(jì)了電力監(jiān)測系統(tǒng)，在遠(yuǎn)程電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，在硬件方面，采用微控制器來操作整個(gè)系統(tǒng)，具有性價(jià)比高的特點(diǎn)。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，使用了廉價(jià)可靠的變頻芯片。整個(gè)電路運(yùn)行可靠，成本較低。在軟件方面，設(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)的軟件，并展示了流程圖。完成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、顯示和傳輸。該系統(tǒng)可以自動(dòng)重啟，抵抗強(qiáng)烈干擾。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)表明，表明該系統(tǒng)可以很好地應(yīng)用于電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、費(fèi)率合理等優(yōu)點(diǎn)，ZigBee技術(shù)與其他無線技術(shù)相結(jié)合的巨大優(yōu)勢，將會(huì)徹底改變電力自動(dòng)化系統(tǒng)的面貌。