一種電能質(zhì)量監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)

李芳芳

【摘 要】市場上現(xiàn)有的電能質(zhì)量監(jiān)測儀，布線復(fù)雜龐大，對(duì)于地理環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)存在諸多附加的安裝問題，基于現(xiàn)存的問題，本文提出了一種基于ZigBee（紫蜂協(xié)議）無線通信技術(shù)的便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)包括以CC2530芯片為核心的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)以及以S3C2410為核心設(shè)計(jì)的本地監(jiān)控中心的軟、硬件的架構(gòu)，該系統(tǒng)能夠?qū)﹄娋W(wǎng)中各監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程的電能質(zhì)量監(jiān)測，避免了地理環(huán)境惡劣等情況帶來的布線復(fù)雜問題，擴(kuò)充了電能質(zhì)量監(jiān)測的范圍。

【關(guān)鍵詞】無線傳感網(wǎng)絡(luò)；電能質(zhì)量；監(jiān)測系統(tǒng)；ZigBee

一、引言

隨著我國電力部門設(shè)施的逐步完善和改革，電能質(zhì)量的指標(biāo)成為電力部門和用戶關(guān)注的重要的信息。電流波形經(jīng)過一些電子設(shè)備的整流、變流電路，調(diào)壓、調(diào)頻等電子芯片導(dǎo)致電流波形畸變嚴(yán)重，這些諧波電流流入公用電網(wǎng)，嚴(yán)重地影響電能質(zhì)量，產(chǎn)生了電網(wǎng)公害，對(duì)電網(wǎng)正常運(yùn)行產(chǎn)生了干擾。為了保證電網(wǎng)正常的運(yùn)行，需要對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的監(jiān)測與評(píng)估，為之后的調(diào)整改善電能質(zhì)量工作提供有效的依據(jù)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)避免了有線網(wǎng)絡(luò)布線復(fù)雜龐大的問題，組網(wǎng)靈活性強(qiáng)，只需在電力監(jiān)測區(qū)域合理放置無線傳感器節(jié)點(diǎn)，即可監(jiān)測電力運(yùn)行狀態(tài)，省去了布線環(huán)節(jié)，節(jié)約了大量的成本和人力。本文在運(yùn)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測方案，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控中心遠(yuǎn)程地對(duì)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)電能質(zhì)量實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測，為電力系統(tǒng)的集中管理、維護(hù)和檢修提供依據(jù)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

二、Zigbee技術(shù)簡介

ZigBee建立在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上的一種協(xié)議，是IEEE無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（Personal Area Network，PAN）工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)傳輸速率只有10k字節(jié)/秒到250k字節(jié)/秒；功耗低，無需充電和頻繁更換電池；成本低，由于Zigbee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，且Zigbee協(xié)議免收專利費(fèi)，所以大大降低了成本。

三、監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的功能是完成電力參數(shù)的采集，去噪及融合處理，通過ZigBee技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到本地監(jiān)控中心，并根據(jù)本地監(jiān)控中心發(fā)送的命令，設(shè)置相應(yīng)的工作模式。為了提高節(jié)點(diǎn)電路的可靠性、降低節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)的成本，同時(shí)，鑒于 CC2530 內(nèi)部集成了增強(qiáng)型 51 微控制器、8 路 14 bit A/D、128 KB 可編程閃存和8 KB的 RAM，設(shè)計(jì)時(shí)以 CC2530 為中心，輔助簡單外圍電路來完成監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，如圖 1 所示。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)以每個(gè)工頻周期采樣 256 個(gè)點(diǎn)的采樣周期，不間斷地對(duì)監(jiān)測點(diǎn)的電力參數(shù)進(jìn)行采集。

由于監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用接觸式的方式對(duì)電能質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，節(jié)點(diǎn)可以安裝在電力設(shè)備附近，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的電源模塊是基于電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)而成的，采用在電力設(shè)備電源進(jìn)線端套接取能線圈的方式，將導(dǎo)線電磁能量轉(zhuǎn)換到二次側(cè)取電能，并通過整流濾波、保護(hù)等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)隔離式供電，解決了WSNs（ wireless sensor networks）網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量有限的問題。路由節(jié)點(diǎn)僅需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)射與接收，無需進(jìn)行模擬量的采集和處理，采用電池供電的供電方式。

四、監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心包括本地監(jiān)控中心和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。本地監(jiān)控中心接收 WSNs中所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過小波變換和支持向量機(jī)，對(duì)檢測節(jié)點(diǎn)的電能質(zhì)量擾動(dòng)進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)檢測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對(duì)各檢測節(jié)點(diǎn)電能質(zhì)量的監(jiān)測?？紤]到大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和小波變換、支持向量機(jī)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，選擇 ARM9 系列微控制器 S3C2410 進(jìn)行本地監(jiān)控中心系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；通過自帶的 2 路串口，實(shí)現(xiàn) CC2530 模塊和 GPRS 模塊的擴(kuò)展；通過 SPI 接口，實(shí)現(xiàn) SD 卡的擴(kuò)展；通過GPIO 擴(kuò)展液晶顯示電路，用以顯示網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的電能質(zhì)量狀態(tài)，具體設(shè)計(jì)電路如圖 2 所示。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過 GPRS 技術(shù)，接收各 WSNs本地監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)，通過串口與 PC 機(jī)連接。借助于上位機(jī)軟件的應(yīng)用，在 PC 機(jī)上將中心控制的各 WSNs 中檢測節(jié)點(diǎn)的電能質(zhì)量狀態(tài)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示出來，實(shí)現(xiàn)工作人員對(duì)電網(wǎng)各區(qū)域電能質(zhì)量的監(jiān)控，提高控制中心的分析能力、決策能力和智能化水平，為電力的合理分配和電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)提供一個(gè)實(shí)時(shí)依據(jù)。

上位機(jī)軟件生成exe可執(zhí)行文件運(yùn)行后對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測的實(shí)時(shí)顯示如圖3。

五、結(jié)語

本文在對(duì)現(xiàn)有的電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測儀進(jìn)行了分析比較，選擇了CC2530無線芯片和ARM9系列微控制器S3C2410，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)和傳感器的搭配使用，有效地降低電能質(zhì)量監(jiān)測過程中布線繁瑣程度，靈活應(yīng)用于復(fù)雜的地理環(huán)境中，選擇的芯片具有功耗低成本低的特點(diǎn)，經(jīng)過多組測試可以保證無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測模塊性能穩(wěn)定，且在多次改進(jìn)后監(jiān)測中心軟件功能基本完善，達(dá)到了測量精確且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的。

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