萬 林，章國寶

(東南大學自動化學院，江蘇 南京 210096)

基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡的農(nóng)網(wǎng)剩余電流在線監(jiān)測系統(tǒng)

萬 林，章國寶

(東南大學自動化學院，江蘇 南京 210096)

針對當前農(nóng)村電網(wǎng)剩余電流故障難以定位的問題，提出了一種基于ZigBee技術和GPRS網(wǎng)絡技術的農(nóng)村電網(wǎng)剩余電流在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對農(nóng)村電網(wǎng)用戶剩余電流、電壓的實時監(jiān)測，提高了農(nóng)村電網(wǎng)用戶的用電安全性和穩(wěn)定性。

農(nóng)村電網(wǎng)；剩余電流；在線檢測系統(tǒng)；ZigBee自組網(wǎng)技術

0 引言

長期以來，我國農(nóng)村電網(wǎng)的配電情況復雜，農(nóng)村地區(qū)存在用戶安全用電意識薄弱、私自搭線改線，家用電器使用不規(guī)范、線路老化嚴重等問題，時常發(fā)生漏電(剩余電流)故障。目前，對農(nóng)村漏電故障的研究主要集中在剩余電流保護裝置上。剩余電流保護裝置時常存在誤動現(xiàn)象，且漏電故障發(fā)生時難以定位。

為了提前發(fā)現(xiàn)故障、準確定位故障，考慮到農(nóng)村電網(wǎng)的分散性，以下設計了基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡技術的農(nóng)網(wǎng)剩余電流在線監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測臺區(qū)內(nèi)剩余電流情況。當發(fā)生漏電故障時，通過查詢采集器上報的故障數(shù)據(jù)，可以方便定位發(fā)生故障的用戶，進而對其進行排查，找出故障原因，避免故障的再次發(fā)生。同時，利用采集器的實時監(jiān)控功能，監(jiān)測用戶家中的電壓情況，作為配電質(zhì)量的參考；對于電壓偏低的臺區(qū)，可通過增加臺區(qū)配電總量的方式提升電壓，防止出現(xiàn)因電壓偏低而損毀家用電器或大功率家電不能正常使用的情況。

1 系統(tǒng)總體方案設計

整個系統(tǒng)由采集器、集中器和Web服務器3部分組成，系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

采集器用于測量農(nóng)電用戶電能表前供電線的剩余電流，供電線經(jīng)過采集器連接到電能表，因此采集器安裝在臺區(qū)內(nèi)每個農(nóng)電用戶家中的配電箱內(nèi)。各個采集器、集中器的ZigBee模塊組成無線蜂窩網(wǎng)格網(wǎng)絡(Mesh網(wǎng)絡)，采集器通過Mesh網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到集中器上。

集中器用于收集和轉(zhuǎn)發(fā)各采集器發(fā)送的數(shù)據(jù)，集中器集成GPRS模塊，它將自身ZigBee模塊收到的數(shù)據(jù)稍作處理后轉(zhuǎn)發(fā)到Web服務器上。該轉(zhuǎn)發(fā)過程首先通過集中器的GPRS模塊連接到基站，進入運營商的CGSN和SGSN網(wǎng)絡，然后連接到因特網(wǎng)，再根據(jù)Web服務器的IP地址和端口號連接到Web服務器。

圖1 剩余電流在線監(jiān)測系統(tǒng)架構

Web服務器負責數(shù)據(jù)收集和管理，提供歷史、實時數(shù)據(jù)查詢和電壓監(jiān)測等功能，有效實現(xiàn)對各個農(nóng)電用戶剩余電流的在線監(jiān)測。

2 系統(tǒng)硬件結構設計

2.1 采集器硬件結構

采集器的硬件結構如圖2所示，包含剩余電流互感器、PIC單片機、濾波整流電路、ZigBee模塊和電源模塊。

剩余電流互感器用于采集剩余電流值，通過感應獲得供電線的剩余電流值。剩余電流信號經(jīng)過濾波和全波整流電路，連接到PIC單片機的ADC功能引腳和比較器功能引腳上。

PIC單片機采用PIC16F1824芯片，負責系統(tǒng)的運行管理、控制和通信工作，完成供電線入戶電壓、剩余電流信號的采集。PIC單片機發(fā)送電壓、剩余電流信號的方式有3種，具體如下。

(1) 剩余電流故障。當剩余電流大于閾值時，會在比較器的輸出端產(chǎn)生下降沿，該下降沿觸發(fā)PIC單片機中斷，中斷發(fā)生后PIC單片機采集ADC引腳的剩余電流。

(2) 定時發(fā)送。在沒有產(chǎn)生比較器中斷的情況下，PIC單片機會定時測量剩余電流和電壓；當剩余電流超過10 mA，或電壓超過240 V/低于200 V時，采集器會將該數(shù)據(jù)發(fā)送到集中器。

(3) 集中器查詢命令。采集器在接收到集中器的實時數(shù)據(jù)查詢命令后，采集剩余電流和電壓，并發(fā)送給集中器。

電源模塊通過變壓器、全波整流、穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3，得到系統(tǒng)所需電壓3.3 V，為PIC單片機和ZigBee模塊供電。為了達到斷電后采集器能繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的目的，采集器增加了備用電源。考慮到充電的方便性及充電電路的易用性等需求，備用電源采用超級電容儲能。超級電容額定電壓2.7 V，通過BL8530將超級電容輸出電壓升到3.3 V。備用電源可以供電3 min左右，足夠發(fā)送斷電時刻的故障數(shù)據(jù)包。

ZigBee模塊采用CC2530F256芯片，完成PIC單片機數(shù)據(jù)發(fā)送、集中器命令接收等功能；可與其他采集器、集中器的ZigBee模塊進行短距離通信，2個ZigBee模塊的通信距離為20-250 m。

2.2 集中器硬件結構

集中器的作用相當于一個網(wǎng)關，由ZigBee模塊、電源模塊、GPRS模塊和ATMega644pa芯片等組成，其硬件結構如圖3所示。各采集器、集中器組成的Mesh網(wǎng)絡結構如圖4所示。集中器的ZigBee模塊類型為協(xié)調(diào)器(Coordinator)，是Mesh網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡管理者和維護者。采集器的ZigBee模塊為路由器類型(Router)，可以為其他距離協(xié)調(diào)器很遠的路由器提供路由功能。ZigBee協(xié)調(diào)器接收所有ZigBee路由器的數(shù)據(jù)。

ATMega644pa芯片實現(xiàn)2方面功能：

(1) ATMega644pa芯片通過串口方式與ZigBee模塊相連，保持與所有采集器的通信，接收采集器上傳的故障數(shù)據(jù)并下達實時數(shù)據(jù)采集命令給采集器；

(2) ATMega644pa芯片的另一串口與GPRS模塊相連，通過GPRS模塊連接到Web服務器，將從采集器接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到Web服務器，并接收來自Web服務器的實時數(shù)據(jù)查詢命令。

圖2 采集器硬件結構

圖3 集中器硬件結構

為了增強可擴展性，若將集中器上的GPRS模塊替換成RS485模塊，即可實現(xiàn)通過RS485總線的傳輸方式連接到Web服務器。

圖4 MESH網(wǎng)絡結構

3 Web服務器端設計

3.1 C語言Socket服務程序

C語言Socket服務程序運行在Web服務器上，用于監(jiān)聽集中器GPRS模塊的連接請求。集中器的GPRS模塊事先已配置好目標IP地址和端口號，目標IP地址為Web服務器的IP地址，端口號為Web服務程序的端口號。根據(jù)配置好的IP地址和端口號，GPRS模塊發(fā)送TCP/IP連接請求，C語言Socket服務程序監(jiān)聽到該連接請求后，與集中器建立TCP/IP連接，實現(xiàn)集中器GPRS模塊與Socket服務程序的通信。Socket服務程序在收到GPRS模塊的連接請求后將創(chuàng)建2個pthread線程：接收數(shù)據(jù)線程、數(shù)據(jù)發(fā)送線程。接收數(shù)據(jù)線程用于GPRS模塊數(shù)據(jù)的接收，將接收到的數(shù)據(jù)存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫中；數(shù)據(jù)發(fā)送線程向GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，將來自PHP進程的消息隊列(Message Queue)數(shù)據(jù)，發(fā)送給與之連接的GPRS端。Socket服務程序的工作流程如圖5所示。

圖5 Socket服務程序工作流程

3.2 Web服務器架構

由于GPRS模塊需要和擁有公網(wǎng)IP地址的服務器通信，為此服務器租用固定IP地址。服務器系統(tǒng)為CentOS，開發(fā)工具為Nginx，PHP和MySQL。其中，Nginx用于提供Web界面，供用戶查詢故障數(shù)據(jù)和發(fā)送實時采集數(shù)據(jù)命令；PHP主要用于讀取MySQL數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并返回JSON格式的數(shù)據(jù)，以響應Web頁面的Ajax請求；MySQL用來存儲故障數(shù)據(jù)。Web服務器的架構如圖6所示。

圖6 Web服務器架構

Web服務器收到用戶的Web請求后，Nginx首先對請求的類型進行判斷，請求類型分為靜態(tài)請求和動態(tài)請求2種。

(1) 靜態(tài)請求。Web請求為諸如html文件、css文件、js文件和圖片等靜態(tài)資源時，Nginx直接獲取資源并返回給用戶。

(2) 動態(tài)請求。動態(tài)請求可分為歷史故障數(shù)據(jù)查詢請求、實時數(shù)據(jù)查詢請求2種。Nginx將請求提交給php-fpm模塊，該模塊執(zhí)行對應請求的PHP文件并將執(zhí)行結果返回給Nginx，最終返回給用戶。當服務器收到用戶查詢歷史故障數(shù)據(jù)的請求時，通過php-fpm調(diào)用歷史故障查詢PHP腳本，從MySQL數(shù)據(jù)庫中取出數(shù)據(jù)并以JSON格式返回給用戶界面。當服務器收到用戶的實時查詢請求時，php-fpm執(zhí)行實時查詢PHP腳本，并利用Linux下的IPCs進程通信方法，將查詢命令傳輸?shù)紺語言的Socket服務程序，Socket程序?qū)⒚顐鬏數(shù)较鄳募衅魃?。集中器負責?zhí)行查詢請求，查詢特定采集器的數(shù)據(jù)，并將查詢到的數(shù)據(jù)返回給Web服務器端的Socket程序，最后返回到用戶網(wǎng)頁界面上。

3.3 Web 服務器網(wǎng)頁

Web服務器的網(wǎng)頁模塊主要包含歷史數(shù)據(jù)查詢、實時數(shù)據(jù)查詢、電壓監(jiān)測、集中器參數(shù)配置、臺區(qū)選擇和表格下載等，如圖7所示。

網(wǎng)頁上的數(shù)據(jù)顯示采用jQuery的DataTables表格形式，所有的數(shù)據(jù)更新為Ajax形式，通過Ajax的JSON格式返回數(shù)據(jù)并更新DataTables表格的內(nèi)容。

(1) 歷史數(shù)據(jù)查詢模塊用于顯示歷史故障數(shù)據(jù)，如剩余電流超過閾值10 mA、電壓超過240 V或低于200 V的采集器數(shù)據(jù)，可按時間段進行查詢。

圖7 Web服務器的網(wǎng)頁模塊

(2) 實時數(shù)據(jù)查詢模塊用于查詢各個采集器的實時剩余電流和電壓數(shù)據(jù)，用戶點擊實時查詢按鈕后會調(diào)用Ajax，請求服務器端的實時數(shù)據(jù)查詢PHP腳本。為防止C語言Socket服務程序和PHP腳本同時訪問共享內(nèi)存，導致數(shù)據(jù)修改錯誤的問題，系統(tǒng)設置了一個信號量。PHP腳本獲取信號量后，將共享內(nèi)存中的狀態(tài)字節(jié)讀出；如果狀態(tài)字節(jié)為“s”，表示另一個用戶已發(fā)送查詢請求，因此不需要向Socket進程發(fā)送數(shù)據(jù)；如果狀態(tài)字節(jié)是“f”，表示沒有其他用戶發(fā)送查詢請求。

(3) 電壓監(jiān)測模塊用于顯示特定日期的電壓監(jiān)控數(shù)據(jù)，默認為每隔30 min發(fā)送1次監(jiān)控數(shù)據(jù)到服務器，可以在參數(shù)配置頁面中設置監(jiān)控數(shù)據(jù)的發(fā)送間隔。

(4) 集中器參數(shù)配置模塊用于讀取、寫入集中器的參數(shù)，包括剩余電流超限閾值、電壓超限閾值、采集器超時重傳次數(shù)、電壓監(jiān)測采集器節(jié)點的編號、臺區(qū)采集器總數(shù)等。

(5) 臺區(qū)選擇模塊用于選擇臺區(qū)。頁面所有的數(shù)據(jù)均與臺區(qū)有關，每次Ajax請求都會帶一個表示臺區(qū)的zoneID參數(shù)。

(6) 表格下載模塊用于數(shù)據(jù)的導出，調(diào)用PHP 的excel庫可生成excel表格。

4 結束語

基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡技術的農(nóng)網(wǎng)用戶剩余電流在線監(jiān)測系統(tǒng)可通過采集器監(jiān)測農(nóng)網(wǎng)用戶家中的剩余電流，并將故障數(shù)據(jù)發(fā)送到臺區(qū)內(nèi)的集中器，集中器會把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到自身的GPRS模塊并發(fā)送到更遠的Web服務器上，Web服務器將故障數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。該系統(tǒng)可以為農(nóng)電工排查故障時提供參考，幫助農(nóng)電工快速定位故障并及早發(fā)現(xiàn)故障，提高農(nóng)網(wǎng)用戶的用電安全性和穩(wěn)定性。

1 張椿宜，陳 楠，黃 勇．剩余電流式電氣火災監(jiān)控探

測設備的設計[J]．消防科學與技術，2013，32(12)： 1 385-1 387.

2 張亞飛，李春蘭，段了然，等．新疆農(nóng)村剩余電流保護裝置的應用現(xiàn)狀[J]．電工電氣，2015，25(6)：1-4.

3 張冠英，楊曉光，李 奎，等．剩余電流互感器的設計與特性分析[J]．天津大學學報，2011，44(6)：547-552. 4 楊曉嵐，章國寶．基于ZigBee無線網(wǎng)絡通信的智能家居系統(tǒng)[J]．工業(yè)控制計算機，2013，26(9)：88-90.

5 彭 峋．基于IPC的高速煙支質(zhì)量檢測系統(tǒng)設計實現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2013，43(2)：42-44.

華能集團山東公司沾化電廠連續(xù)2年實現(xiàn)機組“零非停”

截至2016-12-31，華能集團山東公司沾化電廠連續(xù)2個年度實現(xiàn)機組“零非停”，無非計劃停運天數(shù)累計超過1 000天，創(chuàng)建廠以來安全生產(chǎn)最好水平。2年來，該電廠認真貫徹落實上級單位關于安全生產(chǎn)的各項決策部署，克服機組逐年老化、技改工程集中進行、交叉作業(yè)等不利因素，加強精細化管理，堅持問題導向，緊緊圍繞“人、機、環(huán)、管”四大要素，從嚴從實抓管理、一心一意保穩(wěn)定，有效促進了企業(yè)安全發(fā)展。

該電廠加強目標管理，以EHS平臺上線推進安全生產(chǎn)管理體系建設，建立了各級“一把手”生產(chǎn)帶班和現(xiàn)場簽到制度，閉環(huán)整改裝置性違章400余項。同時，該電廠大力加強企業(yè)安全文化建設，通過創(chuàng)塑安全理念、制度、環(huán)境、行為文化，深化了全員安全生產(chǎn)“小廠大作為”的文化認同感。

2016年，該電廠對《設備缺陷管理標準》進行了重新修訂，規(guī)范消缺流程，全年缺陷同比降低29%，確保了機組安全穩(wěn)定運行。通過對近年來機組“非停”事件深入分析，針對鍋爐“四管”泄漏引發(fā)機組“非?！眴栴}多發(fā)的實際，成立了“鍋爐‘四管’防磨防爆攻關小組”，制定了《鍋爐“四管”防磨防爆考核管理辦法》，實施了分管領導、策劃部、檢修部相關人員對受熱面檢查劃片“承包”制度，通過“大修徹底查、小修全面查、調(diào)停重點查”的方式，2年來消除影響安全運行的“四管”泄露隱患10余處，有效提升了鍋爐運行可靠性。

該電廠嚴格執(zhí)行重大操作雙監(jiān)護和領導跟班作業(yè)制度，杜絕人員誤操作造成的機組非計劃停運事件；加強運行監(jiān)視；加強“兩票三制”管理，全年共辦理工作票2 621份，執(zhí)行操作票3 774份，合格率均到達100 %?？茖W摻配原煤，重新修訂了《燃料管理標準》《煤質(zhì)摻配管理制度》，精心調(diào)制鍋爐“口糧”，確保不發(fā)生因燃料摻配問題導致的滅火事故。

（來源：中國華能集團公司網(wǎng)站 2017-01-06）

2016-07-28。

萬 林(1991-)，男，碩士研究生，主要從事嵌入式開發(fā)與電氣自動化研究工作，email：15105196560@163.com。

章國寶(1965-)，男，教授，主要從事嵌入式開發(fā)、電力系統(tǒng)自動化與電力電子研究工作。