基于WSN的智能環(huán)網(wǎng)柜綜合檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

秦川　關(guān)家華　譚家祺　潘景志　劉振祥

【摘 要】環(huán)網(wǎng)柜因?yàn)樽陨砣忾]性結(jié)構(gòu)、所安裝的環(huán)境條件惡劣等因素，柜內(nèi)的一二次電氣設(shè)備容易出現(xiàn)凝露或被氧化、或絕緣層易被損壞，從而導(dǎo)致局部放電、漏電現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)危及維護(hù)人員生命安全。為解決該問題，本文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一個(gè)智能環(huán)網(wǎng)柜綜合檢測系統(tǒng)用以檢測智能環(huán)網(wǎng)柜運(yùn)行工況并進(jìn)行安全預(yù)警。本次論文以ARM芯片STM32F103為核心，設(shè)計(jì)了無線傳感器采集單元和中央通信單元，組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。采集單元實(shí)時(shí)測量開關(guān)、電纜、接頭等絕緣電阻量以及電纜溫度、環(huán)網(wǎng)柜環(huán)境溫濕度等模擬量，然后通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街醒胪ㄐ艈卧M(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和數(shù)據(jù)融合分析，實(shí)現(xiàn)故障檢測預(yù)判與預(yù)警功能。該設(shè)計(jì)擴(kuò)展性好，能對環(huán)網(wǎng)柜運(yùn)行工況進(jìn)行評價(jià)分析，為完善配電環(huán)網(wǎng)柜智能化安全預(yù)警開創(chuàng)了新的思路。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；環(huán)網(wǎng)柜；故障檢測；安全預(yù)警；智能化；

Abstract：Due to factors such as its fully enclosed structure and poor installation environment，the secondary electrical equipment in the cabinet is prone to condensation or oxidation，or the insulation layer is easily damaged，resulting in partial discharge and leakage.In severe cases，the safety of maintenance personnel is endangered.In order to solve this problem，this paper designs a ring main unit integrated detection system based on wireless sensor network to detect the operating conditions of intelligent ring main unit and conduct safety warning.This paper takes the ARM chip STM32F103 as the core，designs the wireless sensor acquisition unit and the central communication unit to form a wireless sensor network.The acquisition unit measures the insulation resistance of switches，cables，connectors，etc.，as well as the cable temperature，the ambient temperature and humidity of the ring main unit，and then transmits the data information to the central communication unit through the wireless sensor network for data aggregation and data fusion analysis to achieve faults.Detection of pre-judgment and early warning functions.The design has good expansibility，can evaluate and analyze the operating conditions of the ring main unit，and opens up new ideas for improving the intelligent security warning of the distribution ring main unit.

Key words：wireless sensor network；RMU；STM32；fault detection；security warning.

引言

隨著我國科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別電力行業(yè)的迅速發(fā)展，我國的配網(wǎng)自動(dòng)化逐步由數(shù)字化向智能化邁進(jìn)。在配電自動(dòng)化建設(shè)中，配電環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜因其結(jié)構(gòu)緊湊、安裝和維護(hù)方便、供電運(yùn)行安全可靠、等優(yōu)點(diǎn)，在發(fā)電、輸電和配電的各環(huán)節(jié)中被廣泛運(yùn)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年至今，配電環(huán)網(wǎng)柜的市場需求每年以5%的速度增長。這樣越來越多的環(huán)網(wǎng)柜被應(yīng)用于配網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)中，環(huán)網(wǎng)柜的運(yùn)行安全將直接影響用戶供電的可靠性。

目前，環(huán)網(wǎng)柜的配電網(wǎng)自動(dòng)化功能已經(jīng)相當(dāng)全面，并繼續(xù)向著智能化的方向發(fā)展。但是環(huán)網(wǎng)柜對其自身的安全檢測則比較薄弱。環(huán)網(wǎng)柜因?yàn)樽陨砣忾]性結(jié)構(gòu)、所安裝的環(huán)境通風(fēng)或排水條件差等因素，環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)的一二次電氣設(shè)備容易出現(xiàn)凝露或被氧化、或絕緣層易被損壞，從而導(dǎo)致局部放電、漏電現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)危及維護(hù)人員生命安全。為解決該問題并彌補(bǔ)環(huán)網(wǎng)柜對其自身檢測的不足，本文運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)環(huán)網(wǎng)柜綜合檢測系統(tǒng)用以檢測智能環(huán)網(wǎng)柜運(yùn)行工況并進(jìn)行安全預(yù)警。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

環(huán)網(wǎng)柜室內(nèi)以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心，主要包含了無線傳感器采集單元（Sensor）和中央通信單元（Monitor）。采集單元主要對接的是傳感器設(shè)備，所以要求擴(kuò)展性強(qiáng)，可以同時(shí)采集多個(gè)模擬量和數(shù)字量。中央通信單元?jiǎng)t主要負(fù)責(zé)對各個(gè)采集單元的數(shù)據(jù)匯總和數(shù)據(jù)融合分析，以及對上網(wǎng)絡(luò)層的通信。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和環(huán)網(wǎng)柜室。中央通信單元可以通過無線或者有線的方式接入網(wǎng)絡(luò)層，這樣，通信單元必須支持GPRS或者RS232、RS485、CAN、Modbus、以太網(wǎng)等通信方式。

為了對接應(yīng)用層軟件應(yīng)用和適應(yīng)智能化發(fā)展需求，中央通信單元在對上的通信協(xié)議上采用電力行業(yè)IEC61850通信協(xié)議。一個(gè)中央?yún)R集單元可以管理其下多大200多個(gè)無線傳感器采集單元。在一個(gè)配電室內(nèi)就可以只用一套這樣的系統(tǒng)采集多個(gè)環(huán)網(wǎng)柜的信息，從而節(jié)省了中央通信單元數(shù)量。而且在后期進(jìn)行功能升級的時(shí)候，只需要增加單個(gè)的采集單元的節(jié)點(diǎn)，便可以擴(kuò)展功能，為環(huán)網(wǎng)柜的智能化二次開發(fā)降低了難度，節(jié)約了研發(fā)成本。中央通信單元將匯集到的數(shù)據(jù)可以直接進(jìn)行融合分析，預(yù)判出故障后報(bào)警，實(shí)現(xiàn)無人值守。也可以將數(shù)據(jù)上傳至應(yīng)用層軟件進(jìn)行專家系統(tǒng)的評估與預(yù)警，有效地提高配網(wǎng)事故處理的響應(yīng)效率，提升配網(wǎng)運(yùn)維信息化水平和管理智能化水平，為配網(wǎng)的運(yùn)行、檢修提供重要輔助支撐，為安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

2 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要分為兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)，一個(gè)是系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)：包括了傳感器采集單元的硬件設(shè)計(jì)和中央通信單元的硬件設(shè)計(jì)，因?yàn)槠涔δ懿煌?，故硬件的外圍電路有所區(qū)別，但中央處理器的電路設(shè)計(jì)則是相同的。綜合考慮功能的復(fù)雜性和實(shí)用性以及硬件成本，核心處理器采用的是高性能、低成本、低功耗的嵌入式微控處理器STM32F103ZET。另外一個(gè)方面則是系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，傳感器單元主要實(shí)現(xiàn)的功能是數(shù)據(jù)信息的采集和無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，而中央通信單元?jiǎng)t主要實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)功能、數(shù)據(jù)信息匯總與分析、網(wǎng)絡(luò)層的應(yīng)用數(shù)據(jù)信息交互。根據(jù)功能設(shè)計(jì)，采用由簡到難，由整體到局部的設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)步驟如圖2所示，主要分為無線網(wǎng)絡(luò)搭建、傳感器單元采集功能實(shí)現(xiàn)、中央單元數(shù)據(jù)匯總與處理、應(yīng)用層信息交互。

2.1 通信方案設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是組織無線傳感器節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)技術(shù)。常用的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有點(diǎn)對點(diǎn)、星型、環(huán)形、網(wǎng)狀這幾類。由于點(diǎn)對點(diǎn)和環(huán)型結(jié)構(gòu)受限于通信接入數(shù)量，在這里不予考慮。星型結(jié)構(gòu)是又稱為集中式網(wǎng)絡(luò)，便于集中控制，所有端節(jié)點(diǎn)之間的通信必須經(jīng)過中心站。由于這一特點(diǎn)，星型結(jié)構(gòu)控制簡單，易于維護(hù)。端節(jié)點(diǎn)因?yàn)楣收隙C(jī)時(shí)也不會(huì)影響其它節(jié)點(diǎn)間的通信。同時(shí)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間較小，系統(tǒng)的可靠性較高。但是，本文采用的是系統(tǒng)可靠性更強(qiáng)的MESH網(wǎng)絡(luò)，它是一種新型的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。它的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)也稱為“多跳”網(wǎng)絡(luò)，它是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它不依賴于預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，具有可臨時(shí)組網(wǎng)、快速展開、無控制中心、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)。除此之外，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)還具備的優(yōu)點(diǎn)有：

1、安裝簡單，組網(wǎng)迅速。無線MESH網(wǎng)絡(luò)的安裝布置難度低，沒有太多復(fù)雜的設(shè)置。通過無線方式連接，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)終端設(shè)備接入設(shè)置上網(wǎng)后，其他設(shè)備通電即可與最近設(shè)備自動(dòng)組網(wǎng)。

2、覆蓋面大，可擴(kuò)展性強(qiáng)。無線MESH網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)能同時(shí)接收和發(fā)送信號(hào)，而且很容易增加新的節(jié)點(diǎn)設(shè)備來擴(kuò)大無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)容量。

3、應(yīng)用行業(yè)廣。無線MESH網(wǎng)絡(luò)不僅可用于大部分日常生活室內(nèi)外場所，例如企業(yè)、校園、酒店、醫(yī)院、住宅等，更重要的是，它還在WIFI等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)難以適用的場所仍然表現(xiàn)優(yōu)秀，如大型倉庫、港口碼頭、制造業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)車間等等。

4、免布線，節(jié)約成本。不需要使用網(wǎng)線，從而可以省去大量布線時(shí)間、大大減少組網(wǎng)工作量，節(jié)約材料和人工成本。在制造業(yè)、工業(yè)領(lǐng)域，需要覆蓋大面積開放區(qū)域的應(yīng)用場景，更適合采用無線MESH網(wǎng)絡(luò)。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)采用Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)多跳轉(zhuǎn)發(fā)，通過基站或匯聚節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)接入網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)對感應(yīng)信息進(jìn)行管理、分類和處理，再把感應(yīng)信息送給應(yīng)用用戶使用。選擇高效、實(shí)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為構(gòu)建高性能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)十分重要，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)嚴(yán)重制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（如MAC協(xié)議和路由協(xié)議）設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和性能的發(fā)揮。

2.2 核心單元設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的核心處理器是高性能、低成本、低功耗的嵌入式微控處理器STM32F103ZET。它是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位ARM芯片，其內(nèi)核是Cortex-M3架構(gòu)，支持嵌入Linux系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。STM32F103系列微處理器是首款基于ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)RISC（精簡指令集）處理器，提供很高的代碼效率，在通常8位和16位系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間上發(fā)揮了ARM 內(nèi)核的高性能。該系列微處理器工作頻率為72MHz，內(nèi)置高達(dá)128K 字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器和20K 字節(jié)的SRAM，具有豐富的通用I /O 端口。圖4是以STM32F103ZET為CPU核心的最新系統(tǒng)電路原理圖。它主要包括了CPU I/O接口、電源濾波電路、JTAG接口、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路。

2.3采集單元設(shè)計(jì)

采集單元也可以稱為無線傳感器節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的采集和與中央通信單元的數(shù)據(jù)交互。圖5是采集單元的硬件設(shè)計(jì)示意圖。

本系統(tǒng)中采集單元主要接入的傳感器設(shè)備有：水浸傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、電纜絕緣電阻傳感器、開關(guān)絕緣電阻傳感器、接頭絕緣電阻傳感器、煙霧傳感器、SF6檢測傳感器、局放電檢測傳感器、紅外傳感器等，另外還要采集開關(guān)柜門狀態(tài)、門磁狀態(tài)、地刀狀態(tài)等。傳感器的輸入到電路一般都是標(biāo)準(zhǔn)的1～5V或者4～20mA模擬信號(hào)。這就需要對其調(diào)理電路對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)的模擬信號(hào)調(diào)理電路入下圖所示

圖6中的第一個(gè)OP07運(yùn)放U1與PNP型三極管以及R2、R5、R7以及R8一起組成了一個(gè)有源運(yùn)算放大器穩(wěn)壓源。U1的同相輸入端是由負(fù)電壓12V經(jīng)過R7與R8進(jìn)行分壓后提供的，輸入的電壓大小應(yīng)該為：

反相輸入端則是由4～20mA模擬電流進(jìn)過R1輸入的。同時(shí)運(yùn)放的輸出端與PNP型三極管相連，主要用于擴(kuò)展輸出能力，輸出電壓隨著運(yùn)放同相端的電壓增加而不斷增加，這樣就可以通過調(diào)節(jié)R2和R7的阻值從而控制輸入到U2同相端的參考電壓恒定不變。R1是一個(gè)I/V轉(zhuǎn)換電阻，這就要求R1應(yīng)采用高精度、低溫漂的薄膜電阻。為了降低干擾信號(hào)的影響，在U2的同相輸入端增加電容C1進(jìn)行電容濾波，另外兩只二極管1N4148可以對可能出現(xiàn)的超限電壓輸入信號(hào)進(jìn)行保護(hù)。

2.4 中央通信單元設(shè)計(jì)

中央通信單元主要負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理、與各個(gè)采集單元的數(shù)據(jù)交互、采集數(shù)據(jù)的匯總?cè)诤戏治?、安全預(yù)警。圖5給出了通信單元的硬件設(shè)計(jì)示意圖。與采集單元不同的是，中央通信單元沒有了模擬量和數(shù)字量的采集，而是多出了網(wǎng)絡(luò)通信的接口電路和告警指示電路。網(wǎng)絡(luò)通信接口比較豐富，主要包括了GPRS的無線通信，RS485現(xiàn)場通信，RS232串口通信、CAN總線通信以及以太網(wǎng)通信。

3 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的智能環(huán)網(wǎng)柜綜合檢測系統(tǒng)采用的是以STM32F103微控處理器為核心，利用高性能、低功耗、遠(yuǎn)距離的微功率無線 MESH 組網(wǎng)模塊，內(nèi)嵌無線MESH自組網(wǎng)協(xié)議，組成分布式的對等網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_和可靠性。采集單元設(shè)計(jì)了信號(hào)隔離調(diào)制電路，方便接入不同類型的傳感器，可實(shí)時(shí)采集環(huán)網(wǎng)柜的監(jiān)測模擬量。中央通信單元網(wǎng)絡(luò)接口豐富，能支持串口、CAN、網(wǎng)絡(luò)等多種通信形式，方便采集到的環(huán)網(wǎng)柜綜合信息傳輸?shù)街髡净蛘邞?yīng)用層軟件進(jìn)行系統(tǒng)的評估與預(yù)測，有效地提高配網(wǎng)事故處理的響應(yīng)效率。并且中央通信單元還具備傳感器數(shù)據(jù)融合分析功能，實(shí)現(xiàn)對環(huán)網(wǎng)柜的安全預(yù)警，為配網(wǎng)的運(yùn)行、檢修提供重要的輔助支撐，進(jìn)而提升配網(wǎng)運(yùn)維信息化水平和管理智能化水平，推動(dòng)配電環(huán)網(wǎng)柜智能化發(fā)展進(jìn)程。

本論文來源于廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局科技項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱為：配電設(shè)備模塊化及智能化關(guān)鍵技術(shù)研究，課題2：配電環(huán)網(wǎng)柜智能化技術(shù)研究與應(yīng)用；項(xiàng)目編號(hào)為：GDKJXM20172889。

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項(xiàng)目基金：本論文來源于廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局科技項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱為：配電設(shè)備模塊化及智能化關(guān)鍵技術(shù)研究，課題2：配電環(huán)網(wǎng)柜智能化技術(shù)研究與應(yīng)用；項(xiàng)目編號(hào)為：GDKJXM20172889。

（作者單位：1 廣東電網(wǎng)有限制責(zé)任公司佛山供電局；2廣州思泰信息技術(shù)有限公司）