張子紅,秦淑香,馮進(jìn)玫,周連臣

(1.黑龍江科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,哈爾濱 150027; 2.東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱 150060)

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●電網(wǎng)設(shè)備●

基于ZigBee技術(shù)和GPRS的高壓電網(wǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張子紅1,秦淑香1,馮進(jìn)玫1,周連臣2

(1.黑龍江科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,哈爾濱 150027; 2.東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱 150060)

為避免高壓電網(wǎng)設(shè)備因發(fā)熱、泄露電流造成的停電事故,筆者提出搭建一個(gè)基于ZigBee技術(shù)和GPRS的高壓電網(wǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),即采用低功耗單片機(jī)MSP430實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度和泄露電流的采集和處理,通過(guò)ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)高壓開(kāi)關(guān)柜的溫度和泄露電流信號(hào)的采集和傳輸,由無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊MC39I 通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心;通過(guò)對(duì)監(jiān)控中心軟件和數(shù)據(jù)采集終端和現(xiàn)場(chǎng)控制端軟件的合理設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度及泄露電流的在線監(jiān)測(cè)、顯示、數(shù)據(jù)查詢(xún)、打印和報(bào)警等功能。

GPRS; msp430單片機(jī); 數(shù)據(jù)采集; 無(wú)線傳輸

高壓電網(wǎng)設(shè)備通常指絕緣子、高壓開(kāi)關(guān)柜。絕緣子是高壓電網(wǎng)絕緣的薄弱環(huán)節(jié),一旦表面染上污穢,將導(dǎo)致泄漏電流增大,引發(fā)閃絡(luò)事故,影響電力系統(tǒng)正常運(yùn)行。高壓開(kāi)關(guān)柜是電力系統(tǒng)重要的控制設(shè)備,長(zhǎng)期工作在大電流、高電壓、強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境中,而且多數(shù)采用封閉結(jié)構(gòu),散熱效果較差,易造成設(shè)備故障,影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此,為解決上述這些問(wèn)題,本文研發(fā)了一種基于ZigBee技術(shù)和GPRS的遠(yuǎn)程電網(wǎng)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行在線溫度和泄露電流監(jiān)測(cè),為監(jiān)控人員實(shí)時(shí)分析電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài),提供有效數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

針對(duì)遠(yuǎn)程電網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)男枨?結(jié)合現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò),組建了一個(gè)無(wú)線的、實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)由采集端、現(xiàn)場(chǎng)控制端、監(jiān)控中心和GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)四大部分構(gòu)成。采集端是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的第一環(huán)節(jié)主要包括電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通訊模塊等主要部分。GPRS通信網(wǎng)絡(luò)是連接控制端與監(jiān)控中心之間的紐帶,現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)能夠及時(shí)準(zhǔn)確的傳送到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)中,監(jiān)控中心發(fā)出的各種命令也可以通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳回給采集端。監(jiān)控中心主要包括監(jiān)控中心服務(wù)器,數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器,企業(yè)內(nèi)網(wǎng)(Internet),打印機(jī)等外圍設(shè)備;監(jiān)控中心軟件通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與控制端進(jìn)行雙向通信,為監(jiān)控人員提供一個(gè)可視化的操作界面,以便監(jiān)控人員實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況[1]。采集傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

2 采集端電路的設(shè)計(jì)

前端數(shù)據(jù)采集單元的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 采集端的組成框圖

2.1 泄漏電流采集方式

絕緣子污閃從發(fā)生到發(fā)展的整個(gè)過(guò)程中,都伴隨著泄漏電流幅值和波形的變化。因此通過(guò)在線實(shí)時(shí)臨測(cè)絕緣子泄漏電流的波形可以估計(jì)絕緣子的運(yùn)行狀態(tài),而且,電流信號(hào)的采樣也是絕緣子在線臨測(cè)技術(shù)中的一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。對(duì)柱型支撐絕緣子,將傳感器接在絕緣子接地引線上;對(duì)懸式絕緣子,將傳感器套接在絕緣子低壓端的球頭掛環(huán)處。

絕緣子泄漏電流傳感器采集的泄漏電流信號(hào)是經(jīng)過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)后由屏蔽電纜引入的,變換成電壓信號(hào)后進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路,在信號(hào)調(diào)理電路中對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行抗干擾抑制處理,RC濾波處理和PGA增益放大后送入到MSP430單片機(jī)中,對(duì)這一系列各路信號(hào)的采樣值計(jì)算處理后就能得到泄漏電流的幅值[2]。

2.2 多點(diǎn)溫度采集電路

高壓開(kāi)關(guān)柜柜內(nèi)空氣溫度采用多點(diǎn)溫度測(cè)量,使用多片 DS18B20數(shù)字式溫度傳感器,溫度傳感器可安裝在高壓開(kāi)關(guān)柜柜體的不同位置上。

前端機(jī)的MCU采用TI公司的MSP430系列超低功耗微處理器MSP430F149,該芯片內(nèi)部集成了豐富的資源,如高性能12位 A/D、模擬比較器、硬件乘法器、兩個(gè)串行口、兩個(gè)16 位脈寬調(diào)制定時(shí)器、60 kB的低功耗FLASH、2 kB的內(nèi)部RAM,同時(shí)它具有多種低功耗模式,適合于設(shè)計(jì)片上系統(tǒng)和電池供電的場(chǎng)合。其中硬件乘法器是一個(gè)16 位的片內(nèi)外設(shè),它獨(dú)立于CPU之外運(yùn)行,不占用CPU任何時(shí)間,適宜于大量運(yùn)算[3]。測(cè)溫電路采用獨(dú)立電源供電,所以電源通過(guò)上拉電阻與DSl8B20的數(shù)據(jù)線相連, DSl8B20的數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的P1.4引腳相連。當(dāng)進(jìn)行溫度采集時(shí),由于每個(gè)DSl8B20器件都有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的序列號(hào)存在它自己的ROM中,因此可利用DSl8B20的匹配命令,根據(jù)測(cè)溫原理編程實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。多點(diǎn)溫度采集電路如圖3所示。

2.3 信號(hào)調(diào)理電路

泄漏電流的變化范圍通常在幾十微安到幾百毫安之間。選用KT-VDJ型小電流傳感器,其測(cè)量范圍為0～1 A,且該傳感器在1～200 mA間線性度較好,能夠滿(mǎn)足該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。小電流傳感器采集的信號(hào)中,既有基波信號(hào),又有各次諧波成分,因此采用RC濾波電路和同相比例放大電路組成的二階低通濾波器通過(guò)合理地選擇電阻R1、R2、R3、R4的阻值和電容C11、C12的電容值,使R4與R3的比值小于2,電路才能穩(wěn)定工作;當(dāng)信號(hào)頻率與R1 C11的乘積為10時(shí),能將信號(hào)中高頻諧波成分濾出。

由于電流傳感器輸出的是交流信號(hào),存在正負(fù)極性,而MSP430F149的A/D采樣電壓范圍是0～2.5 V,在進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換前,通過(guò)調(diào)節(jié)放大器的增益,使被采集的電壓信號(hào)落到-1.25～+1.25 V之內(nèi),通過(guò)1.25 V的基準(zhǔn)電壓源的電平抬高電路將被采集信號(hào)進(jìn)行電平抬高,保證采樣信號(hào)在0～2.5 V間。泄漏電流幅度隨著塔形、運(yùn)行電壓、天氣等情況不同而不同,需要選用一個(gè)可編程放大器來(lái)動(dòng)態(tài)改變信號(hào)的增益,可選可編程的單片儀表放大器AD526,其增益范圍廣。信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。溫度傳感器采集的信號(hào)不需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理可直接送入到MSP430單片機(jī)中。

圖3 多點(diǎn)溫度采集電路

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

2.4 CC2420無(wú)線通信模塊應(yīng)用電路

作為一種新興的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn),被稱(chēng)為IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[4]。

CC2420 射頻芯片是Chipcon公司開(kāi)發(fā)的首款符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz射頻芯片,集成了所有ZigBee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。CC2420提供一個(gè)SPI接口與微處理器MSP430F149連接,通過(guò)這個(gè)接口完成設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)兩方面的工作。采集端的CC2420無(wú)線通信電路如圖5所示。

圖5 采集端的CC2420無(wú)線通信電路

3 控制端電路的設(shè)計(jì)

控制端電路主要的功能是通過(guò)CC2420點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接收采集端發(fā)送的采集數(shù)據(jù),微處理器MSP430F149通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行狀況遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)[5]。其組成框圖如圖6所示。

圖6 控制端的組成框圖

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娐放c微處理器之間通過(guò)SPI接口進(jìn)行通信,GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸與微處理器之間通過(guò)串口進(jìn)行通信。

3.1 電源電路

整個(gè)系統(tǒng)采用5 V電源供電,MSP430模塊的工作電壓為3.3 V,選用TI公司的TPS70633來(lái)實(shí)現(xiàn)5 V到3.3 V的電平轉(zhuǎn)換, MC39I模塊的工作電壓為3.6 V,選用可調(diào)式穩(wěn)壓芯片LP3966-ADJ芯片。電源電路如圖7所示。

圖7 電源電路

3.2 無(wú)線模塊MC39I接口電路

MC無(wú)線39I是SIEMENS公司的基于GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊,在GPRS網(wǎng)中能夠完成語(yǔ)音、數(shù)據(jù)呼叫、網(wǎng)絡(luò)連接、短消息以及傳真的傳送。它外部有40個(gè)引腳,通過(guò)一個(gè)ZIF(Zero

圖8 MC39I模塊接口電路

Insertion Force,零阻力插座)連接器引出,實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)的雙向傳輸[6]。MC39I的DTR0和RTS0作為輸入引腳分別接10 k的上拉電阻將其拉高。/IGT管腳為MC39I的工作狀態(tài)控制引腳,通過(guò)一個(gè)10 k的電阻將其拉高,且將其與單片機(jī)的P1.3引腳相連,從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)MC39I模塊的控制。MC39I的SYNC引腳連接一個(gè)指示燈用來(lái)指示GPRS模塊的工作狀態(tài)。其接口電如圖8所示。另外,MC39I模塊還需要連接SIM卡座,實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整獨(dú)立的GPRS終端。

3.3 電平轉(zhuǎn)換電路

由于MC39I模塊與單片機(jī)通信時(shí)接口電平不同,MC39I的串口的工作電平是CMOS電平,而單片機(jī)串口的工作電平是TTL電平,因此需要進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換,從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)與MC39I模塊的雙向通信。這里采用SP3220芯片完成接口電平的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換電路如圖9所示。

圖9 電平轉(zhuǎn)換電路

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集部分的軟件設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)控制器部分的軟件設(shè)計(jì)和監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)等。

單片機(jī)通過(guò)串口0向GPRS模塊發(fā)送相應(yīng)的AT命令來(lái)實(shí)現(xiàn)短消息的發(fā)送和接收。系統(tǒng)工作時(shí),控制端程序首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置并進(jìn)行系統(tǒng)自檢,初始化MC39I模塊,如果GPRS網(wǎng)絡(luò)能正常登錄則系統(tǒng)進(jìn)入主循環(huán),主程序通過(guò)查詢(xún)各功能標(biāo)志進(jìn)入相應(yīng)的功能模塊進(jìn)行處理。各功能模塊在完成各自的任務(wù)后通過(guò)改變相應(yīng)的標(biāo)志通知主程序繼續(xù)執(zhí)行下一步工作?，F(xiàn)場(chǎng)控制端程序流程如圖10所示。

多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)采集部分軟件設(shè)計(jì)的主要流程如圖11所示。

監(jiān)控中心站通過(guò)寬帶、ISDN或ADSL等方式以固定的公網(wǎng)IP地址接入Internet。監(jiān)控中心軟件的主要功能是接收各監(jiān)控終端發(fā)送來(lái)的信息并對(duì)其進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、打印等處理以供管理者使用。

監(jiān)控中心要與遠(yuǎn)端GPRS終端建立連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,監(jiān)控中心必須啟動(dòng)一個(gè)服務(wù)器程序,這里采用Winsock控件實(shí)現(xiàn)。服務(wù)器端利用Winsock控件接收數(shù)據(jù)流程如圖12所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文利用GPRS方式進(jìn)行遠(yuǎn)程電網(wǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),可以節(jié)約通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費(fèi)用,利用MSP430單片

機(jī)可以較好地解決能耗的要求,且只需要簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集和收發(fā)模塊就能對(duì)遠(yuǎn)端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。設(shè)備安裝比較方便,具有投資少、易于安裝、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸速度高及適應(yīng)性好等特點(diǎn),因此它將來(lái)一定能廣為應(yīng)用于高壓電網(wǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)控制端程序流程圖

圖11 多點(diǎn)溫度采集程序流程圖

圖12 服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)流程圖

[1] 劉博.基于GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連：大連海事大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008. LIU Bo. Design of remote data acquisition and transmission system based on GPRS [D]. Dalian:Dalian Maritime University Master Degree Thesis, 2008.

[2] 張衛(wèi).基于MSP430的電網(wǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)碩士論文,2008. ZHANG Wei. Power grid equipment real-time monitoring system based on MSP 430[D]. Tianjin:Hebei University of Technology, 2008.

[3] 洪利,章楊,李世寶. MSP430單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例詳解[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2010. HONG Li, ZHANG Yang, LI Shibao. Principle of mcu and analysis of its application [M]. Beijing:Beihang University Press, 2010.

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[5] 楊增汪,王宜懷,戴新宇.基于ZigBee和GPRS的高壓開(kāi)關(guān)柜無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制2010(12):203-206. YANG Zengwang, WANG Yihuai, DAI Xinyu. Design of wireless monitoring system for high voltage switchgear based on ZigBee and GPRS [J]. Power System Protection and Control, 2010(12):203-206.

[6] MC39I Siemens Cellular Engine. Siemens,2002:41-47.

(責(zé)任編輯 郭金光)

Remote on-line monitoring system of HV power grid equipment based on ZigBee and GPRS

ZHANG Zihong1, QIN Shuxiang1, FENG Jinmei1, ZHOU Lianchen2

(1.School of Electronics and Information Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin 150027, China; 2.Nontheast Light Alloy Co., Ltd., Harbin 150060, China)

To avoid HV power grid equipment outage caused by heat and leakage current, the author proposed to establish the remote on-line monitoring system of HV power grid equipment based on ZigBee and GPRS. It is a system by which acquisition and processing of multi-channel temperature and leakage current could be realized by MSP430 microcontroller with low power consumption, besides acquisition and transmission of HV switchgear temperature and leakage current signal could be realized by ZigBee. The data acquired by the monitoring system is transmitted to the remote monitoring and control center through GPRS network by wireless data transmission model MC39I. Due to the reasonable design of monitoring and control center software, data acquisition terminal and onsite control terminal software, the functions, including online monitoring, displaying, data searching, printing and warning of monitoring point temperature and leakage current, could be realized.

GPRS; MSP430 microcontroller; data collection; wireless transmission

2016-01-27。

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12543068)。

張子紅(1976—),女，講師，主要從事嵌入式系統(tǒng)和智能網(wǎng)的研究和教學(xué)。

TN915

A

2095-6843(2016)02-0155-06