一種基于WSN和GPRS的箱式變電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 針對(duì)目前箱式變電站內(nèi)部布線復(fù)雜、不易辨識(shí)、處理延時(shí)等問題，提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）和GPRS的箱式變電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。結(jié)合ZigBee無線傳感技術(shù)和GPRS通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)箱式變電站集中抄表、數(shù)據(jù)采集和控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該系統(tǒng)成本低，穩(wěn)定可靠，準(zhǔn)確度高，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 箱式變電站； WSN； GPRS； 監(jiān)控系統(tǒng)； CC2530

中圖分類號(hào)： TN926?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）17?0035?04

Design of WSN and GPRS based monitoring system for box?type substations

HE Biyi， ZHOU Guoping， DING Jianqiang， ZHONG Ji， XING Su

（College of Information Science and Technology， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

Abstract： To solve the problems of complex internal wiring， difficult identification and poor real?time performance of the box?type substation， a design scheme of box?type substation monitoring system based on wireless sensor network （WSN） and GPRS is proposed. In combination with ZigBee wireless sensor technology and GPRS communication technology， the functions of centralized meter reading， data acquisition and control， and remote monitoring of the box?type substation were realized. The experimental results indicate that the system has the advantages of low cost， stable running， high accuracy， and high application value.

Keywords： box?type substation； WSN； GPRS； monitoring system； CC2530

0 引 言

隨著國家城鄉(xiāng)電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展，箱式變電站（以下簡稱箱變）作為一種將電網(wǎng)設(shè)備集于一體的變配電成套裝置，具有建設(shè)快、面積小、功能豐富等特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。一般而言，為確保箱變的安全性和穩(wěn)定性需要相關(guān)部門定期進(jìn)行維修和試驗(yàn)，這樣一方面消耗人力物力，另一方面其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)僅局限于歷史記錄和當(dāng)前監(jiān)測(cè)，存在一定的時(shí)滯性。GPRS作為當(dāng)前主流的通信技術(shù)被應(yīng)用于各類監(jiān)控系統(tǒng)中以實(shí)現(xiàn)信息交換和傳輸?shù)哪康?。然而該裝置大面積使用會(huì)產(chǎn)生較大的傳輸流量費(fèi)用，成本較高且穩(wěn)定性不能保證。與此同時(shí)近幾年興起的ZigBee技術(shù)[1?3]具有覆蓋面廣、穩(wěn)定性好、監(jiān)測(cè)精度高、低功耗等特點(diǎn)，但是它的局限性在于傳輸距離近，不能滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求。本文所設(shè)計(jì)的基于WSN和GPRS的箱式變電站監(jiān)控系統(tǒng)集電網(wǎng)遙測(cè)、遙控、記錄存儲(chǔ)、定位于一體，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力設(shè)備，定位準(zhǔn)確，避免有線傳輸?shù)木€路布局，降低了傳輸費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成，結(jié)合ZigBee與GPRS各自優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通信。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集箱變內(nèi)部高壓柜、變壓器室、低壓柜的電參量、開關(guān)量、溫濕度環(huán)境信息，信息處理后通過ZigBee多跳路由協(xié)議的方式將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)微控制器負(fù)責(zé)分析數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)記錄，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換后上傳至監(jiān)控中心或管理人員的手機(jī)。監(jiān)控中心通過GPRS網(wǎng)絡(luò)下達(dá)控制命令，控制箱變內(nèi)部開關(guān)量如電容投切、斷路器通斷等。系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

CC2530是TI公司生產(chǎn)的一款支持IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議的片上系統(tǒng)芯片[4?5]。CC2530具有較為先進(jìn)的RF收發(fā)器性能及增強(qiáng)型8051 CPU，本身帶有的8 KB RAM在各種供電方式下具有數(shù)據(jù)保持能力。RF射頻收發(fā)器具有很高的接收靈敏度和抗干擾能力，輸出功率可以進(jìn)行編程調(diào)節(jié)，具有成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。CC2530在終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集電參量、非電參量、開關(guān)量等數(shù)據(jù)信息，并利用內(nèi)部發(fā)射器將數(shù)據(jù)信息通過ZigBee組網(wǎng)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。同時(shí)接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制命令，控制箱變內(nèi)部風(fēng)機(jī)開關(guān)狀態(tài)，控制繼電器通斷從而實(shí)現(xiàn)對(duì)箱變內(nèi)部斷路器、電容投切等開關(guān)的狀態(tài)控制。

本系統(tǒng)采集的非電參量主要指箱變內(nèi)部溫濕度變量。系統(tǒng)選取溫濕度傳感器SHT11[6?7]檢測(cè)箱變內(nèi)部環(huán)境。SHT11溫度傳感器內(nèi)含溫度傳感器和濕度傳感器，通過二線數(shù)字以串行方式輸出，且內(nèi)部包含校驗(yàn)存儲(chǔ)器用于測(cè)量校準(zhǔn)，其特有的溫度補(bǔ)償和露點(diǎn)計(jì)算功能確保了檢測(cè)結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性。

電參量采集選取深圳珠海炬力公司生產(chǎn)的專用電能計(jì)量芯片ATT7022B[8?9]，其內(nèi)部集成電路能夠滿足本設(shè)計(jì)對(duì)箱式變電站內(nèi)部的電壓、電流、功率、電能等電力參數(shù)的測(cè)量，且支持軟件校表，可通過SPI接口與微控制器進(jìn)行電力參數(shù)、校表信息的傳遞。在電壓、電流信號(hào)采樣電路中，由于實(shí)際工作時(shí)的箱式變電站三相電流較大，如果采用電流分流器，在高溫、重載的情況下易影響精度，因而在電流采樣電路中選取5 A/2.5 mA電流互感器，采用差分輸入方式，并聯(lián)兩個(gè)100 Ω電阻，確保電流采樣信號(hào)在0.1 V左右。電壓采樣選取電阻分壓方式，利用電阻分壓將電網(wǎng)中的交流電通過線性比例變換為適合芯片識(shí)別的小電壓。為保證測(cè)量的精準(zhǔn)度，本系統(tǒng)選取穩(wěn)定性強(qiáng)，溫度飄移小于25 ppm/℃的精密電阻。同時(shí)為了防止采樣可能引起的失真，采樣電路中電阻1.2 kΩ和電容0.01 μF構(gòu)成了抗混疊濾波器。A相電壓、電流采樣電路，如圖2所示。

箱變內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易產(chǎn)生干擾，因而在采集開關(guān)量和控制開關(guān)量的過程中選用光耦TLP521進(jìn)行光電隔離，防止信息誤判與開關(guān)誤動(dòng)作。如圖3所示，開關(guān)量輸入信號(hào)經(jīng)過光電隔離進(jìn)入微控制器I/O口，為防止干擾加4.7 kΩ上拉電阻。開關(guān)量輸出通過I/O口，經(jīng)過光電隔離，傳遞給繼電器驅(qū)動(dòng)外部開關(guān)。電路中加入1N4007續(xù)流二極管，用于防止三極管被擊穿。

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)選取MCU+RF收發(fā)器的方案。MCU選擇STM32F103C微控制器，RF收發(fā)器為CC2530射頻芯片。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，通過GPRS模塊在線發(fā)送至上位機(jī)供后臺(tái)管理分析。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)需要接收大量的數(shù)據(jù)，其中包括系統(tǒng)參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)、異常檢測(cè)等，因此配備時(shí)鐘模塊DS1302和E2PROM芯片，用于事件記錄并提高微控制器的存儲(chǔ)能力。E2PROM芯片選取X5043芯片[10]，該存儲(chǔ)器集上電復(fù)位控制、看門狗定時(shí)、降壓管理以及快速保護(hù)功能于一體，減少了成本并且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)選取GTM900C作為通信媒介[11?12]，該模塊具有GPRS永久在線的功能，具備EGSM 900/GSM 1800雙頻段，短信模式為Text和PDU模式，本身帶有內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，非常適合本系統(tǒng)要求的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)功能，且開發(fā)方式簡便，開發(fā)效率較高。該模塊與微控制器通過RS 232串口連接，微控制器發(fā)送AT指令，實(shí)現(xiàn)信息調(diào)制、解調(diào)和轉(zhuǎn)換。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)是監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)箱變工作時(shí)的電力參數(shù)、開關(guān)機(jī)構(gòu)的開閉情況、溫濕度等環(huán)境參數(shù)，與協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)命令的交換，以單跳方式傳輸檢測(cè)參數(shù)，并接收協(xié)調(diào)器命令控制開關(guān)量狀態(tài)。終端節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)采集過程中依次初始化ZigBee協(xié)議棧，其中包括工作模式選擇、參數(shù)設(shè)置、寄存器初始化等，完成初始化后申請(qǐng)加入ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)，得到允許后綁定目標(biāo)地址，進(jìn)入自定義函數(shù)，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集與控制命令程序。在數(shù)據(jù)采集過程中設(shè)置定時(shí)器，以較短的時(shí)間間隔接收協(xié)調(diào)器傳來的開關(guān)控制命令，從而保證及時(shí)有效地執(zhí)行上位機(jī)下達(dá)的命令。數(shù)據(jù)采集完畢后打包處理，在接收協(xié)調(diào)器確認(rèn)命令后發(fā)送數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖5所示。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在本系統(tǒng)中負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)組網(wǎng)、接收數(shù)據(jù)、傳遞指令、GPRS通信、存儲(chǔ)記錄，實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集和無線發(fā)送。在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件部分，首先進(jìn)行初始化選擇信道組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后生成無線網(wǎng)絡(luò)短地址，等待終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，組網(wǎng)成功后分配地址、接收處理數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，再通過GPRS將數(shù)據(jù)包發(fā)送至上位機(jī)，同時(shí)接收上位機(jī)發(fā)送的控制命令，執(zhí)行相應(yīng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，控制開關(guān)通斷。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程圖如圖6所示。

3.3 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

針對(duì)集中抄表，遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng)界面，如圖7所示。通過下拉菜單選擇監(jiān)控對(duì)象，數(shù)據(jù)采集部分實(shí)時(shí)顯示變化的電力參數(shù)；開關(guān)控制部分實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)箱變內(nèi)部開關(guān)狀態(tài)，并根據(jù)需要遠(yuǎn)程控制箱變內(nèi)部的開關(guān)投切；上位機(jī)針對(duì)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，自動(dòng)生成變化曲線，有助于后期電能管理分析；事件記錄用于顯示箱變內(nèi)部發(fā)生的過載、斷相、失壓、失流等事件，使箱變的管理具有時(shí)效性，真正達(dá)到無人值守。

4 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

4.1 硬件抗干擾設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)測(cè)量精確、運(yùn)行可靠，需要采取抗干擾措施。為了避免強(qiáng)電信號(hào)對(duì)弱電信號(hào)的干擾，采用互感器進(jìn)行隔離。設(shè)計(jì)旁路電容和退耦電容抑制電源噪聲干擾。開關(guān)量輸入輸出均設(shè)計(jì)光電隔離及上拉電阻，確保信號(hào)穩(wěn)定，免受干擾。模擬電路和數(shù)字電路分別設(shè)計(jì)模擬地和數(shù)字地并分開布線，從而提高模擬地和數(shù)字地的抗干擾能力。

4.2 軟件抗干擾設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用電能計(jì)量芯片分時(shí)復(fù)用技術(shù)，需要保證電能測(cè)量的精度，因而選用數(shù)字加權(quán)求平均值的方法，多次讀取電力參數(shù)取平均值計(jì)算，避免干擾信號(hào)產(chǎn)生的計(jì)量誤差。為防止程序進(jìn)入“死循環(huán)”的現(xiàn)象，加入“看門狗”技術(shù)，當(dāng)程序出現(xiàn)“死循環(huán)”時(shí)，“看門狗”立即復(fù)位，從而避免檢測(cè)不準(zhǔn)確。

5 測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

5.1 電壓、電流精準(zhǔn)度

測(cè)試選用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀分別作為恒壓源、恒流源對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示，經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，該系統(tǒng)各相電壓、電流相對(duì)誤差均小于0.5%，達(dá)到精度0.5級(jí)以內(nèi)的指標(biāo)要求。

5.2 遠(yuǎn)程控制抗干擾測(cè)試

為了確保系統(tǒng)開關(guān)量遠(yuǎn)程控制和檢測(cè)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性，對(duì)系統(tǒng)釋放一系列干擾源進(jìn)行抗干擾測(cè)試。靜放電干擾測(cè)試按照GB/T17626.26相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，快速瞬變脈沖干擾測(cè)試按照GB/T17626.4相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，浪涌干擾實(shí)驗(yàn)按照GB/T15153.1相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。在正常大氣壓下，用干擾發(fā)生器對(duì)系統(tǒng)依次進(jìn)行干擾測(cè)試，系統(tǒng)工作正常穩(wěn)定，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

6 結(jié) 語

本系統(tǒng)結(jié)合WSN無線傳感網(wǎng)絡(luò)與GPRS通信二者的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種箱式變電站監(jiān)控系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于免去了布線復(fù)雜的困擾，采用分布式結(jié)構(gòu)提高了無線傳輸?shù)木嚯x，降低了傳輸成本。還設(shè)計(jì)了上位機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控、集中抄表，數(shù)據(jù)采集等功能。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)計(jì)量精確、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高，在電網(wǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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