基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)終端裝置研究

黃 堃

(廣州供電局變電二部，廣東廣州510000)

電容型設(shè)備包括電流傳感器、套管、耦合電容器、電容式電壓互感器等[1]。容性設(shè)備在變電站中占40%～50%，它的安全運(yùn)行直接影響電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。傳統(tǒng)的定時(shí)檢修由于存在試驗(yàn)周期長(zhǎng)、強(qiáng)度大和有效性低等缺點(diǎn)[2]，已經(jīng)無(wú)法滿足高壓電力設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。為了降低運(yùn)行成本、提高設(shè)備運(yùn)行的效率以及改善電能質(zhì)量等，狀態(tài)監(jiān)測(cè)[3]是必不可少的重要手段。目前，變電站容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式有帶電監(jiān)測(cè)、集中式監(jiān)測(cè)和分層分布多CPU形式等3種結(jié)構(gòu)形式[4，5]。為了解決模擬信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸后導(dǎo)致的失真問(wèn)題，現(xiàn)傾向于將微弱的模擬信號(hào)進(jìn)行就地A/D轉(zhuǎn)換，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式或現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，由主機(jī)進(jìn)行循環(huán)監(jiān)測(cè)及處理。基于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的變電站容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由變電站監(jiān)控中心、ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端裝置組成，而變電站容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)終端裝置是構(gòu)成在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，文中主要對(duì)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的監(jiān)測(cè)終端裝置的研制進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)

ZigBee的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持極低、易實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)可靠傳輸、短距離操作、極低功耗、各層次的安全性等。因此很適合構(gòu)成基于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的變電站容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。

現(xiàn)場(chǎng)分布在變電站容性設(shè)備中的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)裝置分別采集同相母線PT二次側(cè)電壓和容性設(shè)備的泄露電流信號(hào)，傳感器采集該信號(hào)的模擬量，經(jīng)過(guò)放大、補(bǔ)償?shù)忍幚砗螅杀O(jiān)測(cè)的終端設(shè)備的A/D（模擬/數(shù)字）轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)傳送到ZigBee數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)，最后通過(guò)RS-485總線傳送到監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心分析和處理采集到的數(shù)據(jù)，得出電力設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)。

1.1 ZigBee芯片的選擇

目前，有4家公司提供工作在2.4 GHz頻段并支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的芯片，分別是TI/CHIPCON，F(xiàn)REESCALE，JENNIC，MICROCHIP等?？紤]通信的距離，比較各芯片的信號(hào)接收靈敏度，在相同的發(fā)射功率條件下，接收靈敏度越高的芯片，節(jié)點(diǎn)之間的通信距離相應(yīng)也就越遠(yuǎn)。這樣可以減少系統(tǒng)路由節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，降低系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

CC2420是目前常用的ZigBee芯片，但信號(hào)靈敏度較低，傳輸距離受到限制，在視距情況下，CC2420一般通信距離為150 m左右，使用8051單片機(jī)，8位機(jī)處理的速度也受到限制。MC13192在視距情況下，通信距離為250～300 m，功能上較CC2420有所改進(jìn)，搭配適當(dāng)?shù)腗CU，如HCS08系列單片機(jī)后，可作為硬件節(jié)點(diǎn)使用。

1.2 JN5139芯片具體介紹

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用英國(guó)JENNIC公司生產(chǎn)的JN5139模塊，作為ZigBee中心節(jié)點(diǎn)的控制板。JN5139是IEEE802.15.4和ZigBee低成本低功耗微處理器，集成了32位RISC處理器、完全兼容的2.4 GHz IEEE 802.15.4 收發(fā)器、192 KB ROM、96 KB RAM以及豐富的模擬和數(shù)字外設(shè)。成本敏感的ROM/RAM架構(gòu)支持系統(tǒng)軟件存儲(chǔ)，包括協(xié)議堆棧、路由表格以及應(yīng)用代碼/數(shù)據(jù)。每個(gè)器件都集成了硬件MAC和AES加密加速器、節(jié)電模式和定時(shí)睡眠模式以及安全鍵和程序代碼加密。

ZigBee中心節(jié)點(diǎn)主要由JN5139芯片、天線、16 MHz的晶振、1Mbit FLASH和一些相關(guān)的電阻、電容組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹(shù)型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)。完整的ZigBee協(xié)議由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用層接口、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。

1.3 ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計(jì)

無(wú)線數(shù)傳模塊的設(shè)計(jì)主要分為4個(gè)部分：CPU、射頻、接插件和GPS模塊。CPU部分主要由AT91SAM7S64及其輔助電路組成；射頻部分由JN5139模塊組成；為了方便模塊的替換，選擇可以插拔的、間距1.27～的插針作為接插件，這種接插件使得模塊也可以像其他芯片一樣直接焊接在目標(biāo)PCB上，作為目標(biāo)板的一部分，同時(shí)也可以上自動(dòng)貼片機(jī)。GPS部分采用摩托羅拉M12+Timing授時(shí)模塊。

2基于ZigBee在線監(jiān)測(cè)終端裝置研制

2.1硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集處理模塊由AT91SAM7S64單片機(jī)作為CPU處理器，控制A/D轉(zhuǎn)化器TLC3578進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，采集到的數(shù)據(jù)存在FLASH芯片中，等待上位機(jī)的命令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。AT91SAM7S64通過(guò)SPI接口與JN5139相連。TLC3578特性：串行輸出、低功耗，具有內(nèi)置轉(zhuǎn)換時(shí)鐘8x FIFO、8通道。數(shù)據(jù)采集應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 TLC3578數(shù)據(jù)采集應(yīng)用電路

ZigBee中心節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器控制板可通過(guò)2種方式供電，一是通過(guò)串口與PC相連供電，二是通過(guò)3節(jié)1.5 V的電池供電。根據(jù)中心節(jié)點(diǎn)是否需移動(dòng)采用相應(yīng)的供電形式。文中提出的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，供電方式采用第2種方式，電路如圖3所示。當(dāng)線路正常時(shí)，由PT提供外接的qV電源，經(jīng)限流電阻后接至三極管使其導(dǎo)通，三極管的e極輸出3.6 V的電壓BAT3.6，N極接電壓判斷回路，當(dāng)電壓低于3.5 V時(shí)能夠?qū)ζ渥詣?dòng)充電。

圖3節(jié)點(diǎn)供電電路

在變電站容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，一般采用單匝穿心式微電流傳感器來(lái)測(cè)量設(shè)備末屏的泄露電流。為降低強(qiáng)電磁場(chǎng)工作環(huán)境對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生的影響，設(shè)計(jì)電流傳感器屏蔽結(jié)構(gòu)時(shí)，可從屏蔽電場(chǎng)干擾和磁場(chǎng)干擾入手。為屏蔽電場(chǎng)干擾，應(yīng)依靠高電導(dǎo)率銅材的反射損耗。而對(duì)工頻磁場(chǎng)干擾可采用高磁導(dǎo)率、低電導(dǎo)率的強(qiáng)磁材料進(jìn)行屏蔽。由于數(shù)據(jù)必須滿足同步采樣，即采樣頻率為信號(hào)基波頻率的整數(shù)倍，但頻率波動(dòng)等因素使得同步采樣很難滿足，故采用GPS進(jìn)行同步授時(shí)方式來(lái)達(dá)到同步性。

2.2軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所開(kāi)發(fā)的硬件平臺(tái)有如下特點(diǎn)：工作在免費(fèi)的2.4 GHz頻段上，與IEEE 802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)兼容；支持 Jennic的 IEEE 802.15.4-2003MAC/PHY層軟件；支持Jennic的Stack軟件系統(tǒng)。軟件設(shè)計(jì)主要研究基于Jennic開(kāi)發(fā)套件配套的軟件系統(tǒng)來(lái)開(kāi)發(fā)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，其開(kāi)發(fā)流程如圖4所示。

基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括精簡(jiǎn)功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)（RFD）、全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)（FFD）、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)（Coordinator）、路由節(jié)點(diǎn)（Router）。

圖4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)流程

需要分別對(duì)Coordinator節(jié)點(diǎn)、Router節(jié)點(diǎn)和End device節(jié)點(diǎn)編寫程序來(lái)完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的流程。首先對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee節(jié)點(diǎn)初始化，再開(kāi)始啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)簇（Cluster）和短地址（Network Address），設(shè)置網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)入口地址和網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)出口地址。網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)后，便可收發(fā)數(shù)據(jù)。在接收數(shù)據(jù)之前，需先啟動(dòng)BOS，使得每個(gè)下層設(shè)備向系統(tǒng)注冊(cè)各自的任務(wù)，再對(duì)Coordinator節(jié)點(diǎn)串口初始化，在初始化系統(tǒng)時(shí)，觸發(fā)設(shè)備板上的可編程LED1,獲取LED閃動(dòng)的頻率，根據(jù)LED閃動(dòng)進(jìn)行每一次數(shù)據(jù)的發(fā)送。網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖（5—7）所示。

ZigBee模塊與后臺(tái)通信采用詢問(wèn)式通信方式。

3 ZigBee終端裝置實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)通過(guò)不同距離的測(cè)試來(lái)驗(yàn)證通信效率，并且在距離較遠(yuǎn)、通信效率不能滿足要求時(shí)，增加路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自組，進(jìn)而提高通信效率，從300 m開(kāi)始每間隔50 m進(jìn)行無(wú)線接發(fā)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，通信距離較遠(yuǎn)時(shí)，效果不理想加入路由節(jié)點(diǎn)后的數(shù)據(jù)如表2所示，在220 kV高壓輸電線路下的通信數(shù)據(jù)如表3所示。

圖5 Coordinator節(jié)點(diǎn)程序流程

圖7 End Device節(jié)點(diǎn)程序流程

表1無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)通信數(shù)據(jù)

表2在300 m處加入路由節(jié)點(diǎn)后的通信數(shù)據(jù)

從測(cè)試結(jié)果可以看出，通信成功率與通信節(jié)點(diǎn)之間的距離基本上成正比關(guān)系。這5個(gè)節(jié)點(diǎn)可以很好地完成節(jié)點(diǎn)慢速相對(duì)移動(dòng)下300～400 m距離內(nèi)的數(shù)據(jù)平穩(wěn)準(zhǔn)確傳輸。距離移動(dòng)較遠(yuǎn)后增加路由節(jié)點(diǎn)后的通信效率也比較高。

表3 220 kV線路下的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)通信數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和覆蓋范圍大大提高。這說(shuō)明在大范圍的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，可以布置大量的無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)達(dá)到對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的容性設(shè)備在線監(jiān)測(cè)終端裝置進(jìn)行了深入分析和介紹，實(shí)驗(yàn)證明了ZigBee技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?，?duì)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用具有一定參考意義。

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