狄巨星，賈玉貴，楊　陽，付江龍

(1.河北建筑工程學(xué)院信息工程學(xué)院，河北張家口075024；2.河北建筑工程學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北張家口075024)

35 kV風(fēng)電場電源開關(guān)自愈系統(tǒng)設(shè)計

狄巨星1，賈玉貴2，楊陽1，付江龍1

(1.河北建筑工程學(xué)院信息工程學(xué)院，河北張家口075024；2.河北建筑工程學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北張家口075024)

針對風(fēng)電場的智能化建設(shè)，設(shè)計了一個用于風(fēng)電場35 kV變電站溫度感應(yīng)電源自動閉合及遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控的系統(tǒng)。系統(tǒng)選用C8051F124單片機作為MCU，CC2530作為無線通信模塊，用繼電器作為控制電路核心控制電源的自動閉合，并對電源產(chǎn)生電路進行了功耗分析。對于軟件實現(xiàn)提出了基于令牌的動態(tài)區(qū)域首領(lǐng)節(jié)點選擇策略，該算法在一定程度上平衡了節(jié)點負(fù)載信息的傳輸量。

電源控制；遠程監(jiān)控；繼電器；ZigBee技術(shù)；負(fù)載均衡

風(fēng)能是可再生環(huán)保能源，近些年得到廣泛使用，風(fēng)電場的智能化建設(shè)也成為風(fēng)電技術(shù)的重要發(fā)展方向。本文針對華北地區(qū)風(fēng)電場35 kV變電站電源，基于ZigBee技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一個智能化電源控制系統(tǒng)。主要實現(xiàn)當(dāng)變電站局域溫度超過門限值時實現(xiàn)開關(guān)柜中對應(yīng)電源的自動關(guān)閉，避免供電設(shè)備因溫度太高工作異常，起到保護作用，并且系統(tǒng)可在溫度降低到門限值之下時控制電源自動打開，實現(xiàn)電源智能“自愈”功能。此外，該系統(tǒng)可將變電站電源系統(tǒng)的電壓、電流和溫度等參數(shù)傳給遠程PC端進行實時監(jiān)控。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

1.1電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)架構(gòu)

風(fēng)電場35 kV變電站電源自動閉合控制系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)在變電站開關(guān)柜控制的區(qū)域搭建基于星型的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在每個電源控制的局部區(qū)域放置一個ZigBee終端設(shè)備，在電源開關(guān)柜附近放置一個ZigBee協(xié)調(diào)設(shè)備。ZigBee終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器通過無線自組織方式構(gòu)成一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]。ZigBee終端設(shè)備主要負(fù)責(zé)將采集的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，放置于開關(guān)柜的協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)對溫度數(shù)據(jù)進行處理，并根據(jù)電源自動閉合的溫度門限要求對相應(yīng)的電源進行控制。

圖1　35 kV風(fēng)電場電源自動閉合控制系統(tǒng)

1.2變電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由于變電站的強輻射性及低安全性，變電站監(jiān)控系統(tǒng)為工作人員提供了遠程監(jiān)控變電站實時數(shù)據(jù)的功能。監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，ZigBee終端設(shè)備將供電區(qū)域采集到的電壓、電流以及溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)發(fā)往網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)主要作用是通過Internet或者移動網(wǎng)絡(luò)與遠程監(jiān)控端進行通信[2]，將變電站現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時顯示給工作人員，并在相關(guān)數(shù)據(jù)高于一定門限值時發(fā)出報警信息。

圖2　變電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2　電源控制系統(tǒng)硬件設(shè)計及軟件設(shè)計

2.1ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)及選型

ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主要包括電壓、電流和溫度傳感器模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)；微處理器作為系統(tǒng)的主控單元通過I/O口向控制電路發(fā)送高低電平從而通過繼電器電路控制電源開關(guān)，繼電器電路可關(guān)閉和打開負(fù)載設(shè)備和電源之間的連接[3]，從而保護后臺設(shè)備，蜂鳴器在溫度過高時發(fā)出報警鳴聲；無線射頻模塊主要將監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控端。ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點安裝在變電站開關(guān)柜附近來控制各個供電區(qū)域的電源開關(guān)的自動閉合。

圖3　ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1.1控制電路優(yōu)化

為保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，各節(jié)點采用單獨直流供電，這要求對系統(tǒng)的節(jié)能部分進行優(yōu)化。系統(tǒng)采用MOS管Dickson倍壓電路作為電源產(chǎn)生電路，對倍壓電路進行了優(yōu)化。

系統(tǒng)電源電路的總功耗為兩個MOS管亞閾值工作區(qū)的功耗、強反型區(qū)的功耗和MOS管泄漏電流的功耗。

優(yōu)化后可忽略兩個MOS管亞閾值工作區(qū)的功耗損失，則：

2.1.2微處理器模塊

該系統(tǒng)微處理器選擇Silicon Labs公司的C8051F124單片機作為主控單元，該單片機體積小便于封裝，具有50 MIPS的CPU，12位的ADC，片內(nèi)集成JTAG，支持單步運行等調(diào)試功能，可通過仿真器連接到終端，為在線調(diào)試提供便利。

微處理器模塊是ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點的核心模塊，主要負(fù)責(zé)對終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進行計算處理，并通過I/O接口向控制電路發(fā)送命令。

2.1.3ZigBee無線通信模塊

該模塊選用 TI公司的基于 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的CC2530芯片，低功耗、RF收發(fā)器支持2.4 GHz免授權(quán)頻段的16個信道、支持CSMA/CA機制、具有與8051完全兼容的指令內(nèi)核，可降低微處理器的工作負(fù)擔(dān)、采用3線SPI接口，我們設(shè)計的系統(tǒng)通過SPI接口與微處理器進行數(shù)據(jù)傳輸。相比于CC2430，CC2530在能耗、功能、封裝尺寸以及RF性能等方面都有了顯著改善。

2.2ZigBee終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的傳感器節(jié)點有ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點和ZigBee終端節(jié)點兩類。ZigBee終端節(jié)點主要通過使用電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器負(fù)責(zé)電壓、電流以及溫度數(shù)據(jù)的采集，并通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點。所以該節(jié)點相對于ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點結(jié)構(gòu)得以簡化，不需要MCU進行數(shù)據(jù)處理。利用CC2530內(nèi)置ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，RF模塊基于ZigBee底層協(xié)議進行調(diào)制后，經(jīng)外置天線發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點，其硬件結(jié)構(gòu)圖4所示。

圖4　ZigBee終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計

ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點主要有三個作用，首先作為協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)WSN網(wǎng)絡(luò)的建立；其次作為路由節(jié)點和網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)通信，將變電站的實時數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)；再次將用戶的溫度調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送給MCU，經(jīng)MCU處理后對電源開關(guān)柜的相應(yīng)開關(guān)進行自動閉合的控制。ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點的工作處理流程圖如圖5所示。

對于協(xié)調(diào)器節(jié)點的選擇，我們提出了基于令牌的動態(tài)區(qū)域首領(lǐng)節(jié)點選擇策略，設(shè)定一個閾值pn，其中T為本節(jié)點距上次首領(lǐng)節(jié)點的跳數(shù)，N表示該節(jié)點擁有令牌的次數(shù)，n表示本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點數(shù)。pn最大的節(jié)點將獲得令牌，成為下一個區(qū)域首領(lǐng)節(jié)點。該算法在一定程度上平衡了節(jié)點負(fù)載信息的傳輸量[5]。

圖5　ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點軟件流程圖

3　結(jié)語

綜上所述，本文設(shè)計的用于風(fēng)電場35 kV變電站電源自愈系統(tǒng)主要有兩個功能：一是通過溫度感應(yīng)實現(xiàn)電源開關(guān)的自動閉合，二是實現(xiàn)遠程實時數(shù)據(jù)監(jiān)控。該系統(tǒng)選用C8051F124單片機作為MCU，CC2530作為無線通信模塊，用繼電器作為控制電路核心控制電源的自動閉合，并對電源產(chǎn)生電路進行了功耗分析。對于軟件實現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點的選擇提出了基于令牌的動態(tài)區(qū)域首領(lǐng)節(jié)點選擇策略。系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，硬件成本較低，可提升變電站運行效率，實現(xiàn)變電站開關(guān)控制的智能化。

[1]杜朝軍，劉惠，劉傳益，等.ZigBee技術(shù)原理與實戰(zhàn)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2015:23-25.

[2]章偉聰，俞新武，李衷成.基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20(7):184-187.

[3]張?zhí)靷ィR存寶，宋東，等.一種新的航空電源監(jiān)控電路設(shè)計[J].儀器儀表學(xué)報，2002，23(z1):105-106.

[4]狄巨星，趙建光，范晶晶，等.車輛管理RFID標(biāo)簽電源低功耗研究[J].電源技術(shù)，2013，37(7):1233-1234.

[5]張振川，張新秀.基于負(fù)載均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法[J].東北大學(xué)學(xué)報，2010，31(10):1385-1388.

Design of power switch self-healing system for 35 kV wind farm

DI Ju-xing1，JIA Yu-gui2，YANG Yang1，F(xiàn)U Jiang-long1
(1.School of Information Engineering，Hebei University of Architecture，Zhangjiakou Hebei 075024，China; 2.School of Energy and Environmental Engineering，Hebei University of Architecture，Zhangjiakou Hebei 075024，China)

Aiming at the intelligent construction of wind farm，a power switch self-healing system was designed for 35 kV wind farm， which could also be used for remote data monitoring.C8051F124 SCM was chosen as MCU，CC2530 as wireless communication module and electric relay as the core module to control the circuit.In addition，the power consumption of the power generation circuit was analyzed， and a dynamic region leader node selection strategy based on token was put forward，which balanced the transmission capacity of node load information.

power switch control;remote monitoring;electric relay;ZigBee technology;load balance

TM 614

A

1002-087 X(2016)10-2020-03

2016-08-11

2013年度校基金重點項目(Z-201318)；河北省教育廳青年基金項目(QN20131148)

狄巨星(1971—)，男，河北省人，工程碩士，教授，主要研究方向為計算機應(yīng)用、工業(yè)過程控制、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

賈玉貴(1973—)，男，河北省人，副教授，碩士，主要研究方向為建筑節(jié)能與能源綜合利用。