高麗婷，孫皓月，祁愛華

（河北建筑工程學(xué)院信息工程學(xué)院，河北張家口075000）

基于無線傳感網(wǎng)的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng)的研究

高麗婷，孫皓月，祁愛華

（河北建筑工程學(xué)院信息工程學(xué)院，河北張家口075000）

針對電力系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了基于嵌入式無線傳感網(wǎng)的電力儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以大量分布在電力應(yīng)用系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)為主體，包括了多功能儀表、自動校準(zhǔn)軟件、上位機(jī)監(jiān)控軟件和監(jiān)控主機(jī)等部分。該系統(tǒng)可以顯示電壓、電流、功率、頻率等電力參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)智能化、系統(tǒng)化地采集、處理、傳輸、統(tǒng)計(jì)和分析，從而保證生產(chǎn)過程中設(shè)備的可靠運(yùn)行。

電力儀表；無線傳感網(wǎng)；嵌入式系統(tǒng)；遠(yuǎn)程監(jiān)控

作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，電力系統(tǒng)不僅與人們的日常生活息息相關(guān)，同時也是國民生產(chǎn)的重要保障。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種民用和工業(yè)的用電設(shè)備急劇增加，致使電網(wǎng)的整體規(guī)模越來越大，總體結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，這對電網(wǎng)的運(yùn)行和管理提出了更高的要求。為了保證企業(yè)用電和家庭用電的安全，利用電力儀表對電網(wǎng)中的電壓、電流、功率等參數(shù)進(jìn)行有效的實(shí)時監(jiān)測，是保證各用電設(shè)備可靠運(yùn)行的重要舉措之一。

普通的電力儀表結(jié)構(gòu)簡單，功能單一，又缺少必要的遠(yuǎn)程通信功能，這極大地制約了電力儀表的監(jiān)測效果。而近年來，嵌入式技術(shù)及通信技術(shù)的日益成熟，為智能化、多功能的儀表及監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展提供了有利條件[1]。本文設(shè)計(jì)了利用嵌入式技術(shù)構(gòu)建的以多功能電力儀表為主體的電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括了大量分布在各電力設(shè)備中的傳感器節(jié)點(diǎn)，采用自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組成了一個平面網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。無線傳感器結(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)傳送至現(xiàn)場監(jiān)控中心，再由現(xiàn)場監(jiān)控中心利用公用通信網(wǎng)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的有效監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的目的是對電力設(shè)備的運(yùn)行信息進(jìn)行實(shí)時準(zhǔn)確的采集和監(jiān)控，并將所采集的信息通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程控制中心，遠(yuǎn)程控制中心對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)、匯總后，對電力設(shè)備的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行判斷，并依據(jù)判斷結(jié)果對電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行的需要，該系統(tǒng)的功能要求是數(shù)據(jù)采集及時、準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)通信安全、可靠，遠(yuǎn)程控制準(zhǔn)確、安全?；谝陨弦?，本系統(tǒng)采用模塊化開發(fā)方式，系統(tǒng)主體分為三大部分，如圖1所示。

第一部分：數(shù)據(jù)采集及較正部分。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

這一部分由部署在電力系統(tǒng)中各電力設(shè)備及線路監(jiān)測區(qū)內(nèi)的大量微型傳感器組成，傳感器終端節(jié)點(diǎn)由多功能電力儀表承擔(dān)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，傳感器節(jié)點(diǎn)中的無線傳輸模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的無線通信。眾多的無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成一個無線傳感網(wǎng)，并通過組網(wǎng)協(xié)議形成一個自組織的、多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

龐大的無線傳感器網(wǎng)被劃分為眾多的分區(qū)，每個分區(qū)由一個匯聚節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總和處理。

第二部分：無線傳感網(wǎng)匯聚結(jié)點(diǎn)——基站。

無線傳感網(wǎng)所采集的數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)姆绞絽R總至網(wǎng)絡(luò)的匯聚結(jié)點(diǎn)基站中。在基站中，所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，處理的目的之一就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效域的較正，功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴于在基站中設(shè)置相應(yīng)的PC機(jī)，PC機(jī)中安裝電力儀表自動較正軟件，PC機(jī)接受無線傳感網(wǎng)傳送過來的儀表測量初始值，在后臺自動較正軟件中進(jìn)行誤差的計(jì)算，再根據(jù)誤差值計(jì)算出校準(zhǔn)值，最后通過PC機(jī)將儀表較正指令自動發(fā)回給現(xiàn)場監(jiān)測儀表，從而實(shí)現(xiàn)電力監(jiān)測儀表消除運(yùn)行誤差的目的。

基站中還安裝有基于電力儀表數(shù)據(jù)分析的綜合管理軟件，每個基站的PC機(jī)一般可以掛載100個左右的儀表。PC機(jī)向儀表發(fā)送命令讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后發(fā)送至PC機(jī)，并可在PC機(jī)的監(jiān)控界面中顯示出來。

作為無線通信方式和有線（或公共）通信方式的樞紐，基站中設(shè)有PC機(jī)，內(nèi)置以太網(wǎng)控制模塊，以便將數(shù)據(jù)以有線的方式通過Internet發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，并存儲在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。

基站內(nèi)無數(shù)據(jù)存儲功能。

第三部分：遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心內(nèi)設(shè)大型數(shù)據(jù)庫，內(nèi)存各種標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)等。監(jiān)控主機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的相應(yīng)數(shù)據(jù)與當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù)相比較，進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)超限報警分析，如果發(fā)現(xiàn)任意一個下位機(jī)儀表發(fā)生電壓、電流或功率超限時，監(jiān)控主機(jī)都會發(fā)出報警信號，并顯示報警地址以及分析報警的原因。工作人員可通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)決定下一步的操作，手動遠(yuǎn)程控制。當(dāng)在一個時間界限內(nèi)無工作人員操作時，系統(tǒng)自動根據(jù)決策進(jìn)行遠(yuǎn)程故障處理。

2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成[2]。因此構(gòu)建合理的傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件平臺是無線傳感網(wǎng)體系建立的重要基礎(chǔ)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)主要由四大部分組成，第一部分為數(shù)據(jù)采集模塊，由各種攜帶多功能電力儀表的模塊來承擔(dān)，基本要求是數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、可靠性高、功耗低；第二部分為處理模塊，由微處理器承擔(dān)；第三部分為無線信號收發(fā)模塊，主要負(fù)責(zé)無線信號的向外傳輸；第四部分為電源部分，主要的功能是為以上三部分提供電能支持。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是檢測電力設(shè)備的三相電參量，主要是指電壓有效值、電流有效值、頻率、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、有功能量、無功能量、視在能量及電壓電流的相角、相序等參數(shù)。在這些參數(shù)中，如何及時、準(zhǔn)確地獲取瞬時電流和電壓是測量的重中之重。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

為保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時性，本系統(tǒng)中的微處理器采用16位單片機(jī)MSP430F1611作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的微處理器，其工作電壓為1.8～3.6V，活動模式下耗電為250 μA/MIPS（每秒百萬條指令），并能在低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作；采用RISC（精簡指令集計(jì)算機(jī)）體系結(jié)構(gòu)，指令速度高，同時采用了16位硬件乘法器、DMA（直接存儲器存?。┑纫幌盗邢冗M(jìn)的體系結(jié)構(gòu)，可以大大增強(qiáng)它的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力。

無線傳感網(wǎng)中的短距離無線數(shù)據(jù)傳輸采用ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度、低成本的雙向無線通信技術(shù)，它具有協(xié)議簡單、建網(wǎng)范圍大、實(shí)現(xiàn)成本低的優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用較為廣泛的無線傳輸技術(shù)。

適應(yīng)于ZigBee技術(shù)的具體要求，本設(shè)計(jì)選用CC2430作為傳感器節(jié)點(diǎn)的射頻芯片。

CC2430芯片以強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境IAR作為支持，結(jié)合Chipcon公司全球先進(jìn)的ZigBee協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計(jì)，是一款全球領(lǐng)先的符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)。CC2430芯片具有較寬的電壓范圍（2.0～3.6V），適應(yīng)性好，具用優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾能力，并且功耗低，在休眠模式時僅有0.9 μA的電流損耗，喚醒時間極短，因此非常符合本設(shè)計(jì)的要求。

MSP430F1611通過SPI接口訪問CC2430模塊，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受。

FlASH存儲器用于存儲本地采集節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，對于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)還要存儲網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)測值。采用AT45DB041B芯片作為串行FLASH存儲。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植至微處理芯片MSP430F1611中。相比于其他嵌入式操作系統(tǒng)，μC/OS-Ⅱ的擴(kuò)展比高，占用空間小，執(zhí)行效率高，可以滿足系統(tǒng)實(shí)時響應(yīng)的基本要求。

CC2430模塊采用Zigbee標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議棧來完成，主要結(jié)構(gòu)如圖3所示，從而完成將采集到的數(shù)據(jù)匯總到基站PC機(jī)中的目的。

圖3 ZigBee協(xié)議棧的層次結(jié)構(gòu)

4 總結(jié)

本文針對電力設(shè)備運(yùn)行復(fù)雜的問題，設(shè)計(jì)了基于無線傳感網(wǎng)的電力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。在無線傳感網(wǎng)結(jié)點(diǎn)中，利用各種電流、電壓傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，利用MSP430F1611芯片對電力參數(shù)進(jìn)行初步的處理，并利用串口通信模塊將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。

數(shù)據(jù)的傳送采用無線收發(fā)模塊CC2430來實(shí)現(xiàn)，同時利用FLASH實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的存儲，Zigbee標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

基站PC機(jī)部分采用現(xiàn)場管理較件對無線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行管理，管理除對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及上傳至監(jiān)控中心外，還承擔(dān)著儀器較正的任務(wù)，從而進(jìn)一步保證了采集數(shù)據(jù)的可靠性。

[1]任玉茂.基于MODBUS協(xié)議的電力儀表監(jiān)控系統(tǒng)[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2013：6-7.

[2]吳艷.基于MEMS傳感器的無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2011：54-55.

Research of electricitymetermonitor system based on WSN

GAO Li-ting,SUN Hao-yue,QIAi-hua

According to the actual demand of power system operation,a remotemonitoring powermeter system based on embedded wireless sensor network was designed.A large number of sensor nodes in the distributed application in electric power systems were adopted by the system as themain body,including themulti-functionmeter,automatic calibration software and PCmonitoring software andmonitoringhost part.The electric parameters such as voltage,current,power,frequency were displayed,and system data acquisition,processing,transmission, statistics and analysis intelligently and systematically were achieved,and the reliable operation of the equipment in the process of production was ensured.

multifunctionmeter;wireless sensor network(WSN);embedded system;remotemonitoring

TM 933

A

1002-087 X(2014)10-1937-03

2014-08-10

高麗婷(1973—)，女，河北省人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。