許世林　王義波　趙昌勇　張兆鵬　劉會鵬

【摘 要】針對電網(wǎng)參數(shù)使用有線監(jiān)測和人工巡檢方法存在的問題，提出了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)通過WSN模塊對電網(wǎng)參數(shù)進行采集、處理、無線傳送等操作，得到的電網(wǎng)參數(shù)包括電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電網(wǎng)頻率等，然后把數(shù)據(jù)無線傳送到異構(gòu)網(wǎng)絡通信協(xié)議融合模塊，經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換后上傳到Internet上，最終在上位機上顯示，實現(xiàn)電網(wǎng)參數(shù)的遠程訪問，實時查詢等功能，本系統(tǒng)具有使用簡單、信息實時、減少對有線網(wǎng)絡的依賴、便于管理等優(yōu)點。

【關(guān)鍵詞】電網(wǎng)參數(shù)；WSN模塊；Zigbee；嵌入式微處理器

0 引言

目前我國電網(wǎng)分布較為廣泛，對電網(wǎng)的安全預警和故障診斷成為必要，但電網(wǎng)監(jiān)測方面仍存在一些問題，傳統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)主要通過有線傳輸方式，但是采用傳統(tǒng)監(jiān)測方式需要大量通信電纜，且安裝困難，周期長，需要耗費大量資源，目前也缺乏有效的有線監(jiān)測手段，部分線路還需要人工巡檢，有些輸電線路分布在惡劣的環(huán)境中，給工作人員帶來了巨大的不便，若工作人員無法接近輸電線路，則會產(chǎn)生監(jiān)測盲區(qū)，就無法了解輸電線路的工作狀態(tài)，不利于電能的傳輸。若能夠?qū)崟r了解輸電線路的參數(shù)，采取相應措施，充分發(fā)揮輸電線路的輸電能力，將有利于提高社會的經(jīng)濟效益。

隨著電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，電能監(jiān)測的重要性日益突顯，通過恰當?shù)谋O(jiān)測手段及時了解電網(wǎng)參數(shù)，將有助于提高電網(wǎng)的運行能力，隨著傳感器和無線網(wǎng)絡技術(shù)的出現(xiàn)和迅猛發(fā)展，為電網(wǎng)的無線監(jiān)測提供了強有力的技術(shù)支持，這樣將會有利于解決電網(wǎng)監(jiān)測方面存在的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計的原理

系統(tǒng)有多個WSN模塊，WSN模塊對電網(wǎng)參數(shù)進行測量，得到的電網(wǎng)參數(shù)包括電壓有效值、電流有效值、電網(wǎng)頻率、諧波、功率因數(shù)、功率等，把測量參數(shù)處理后通過CC2530傳送到異構(gòu)網(wǎng)絡通信協(xié)議融合模塊，異構(gòu)網(wǎng)絡通信協(xié)議融合模塊是以嵌入式微處理器為中心的網(wǎng)關(guān)平臺，通過STM32F103對數(shù)據(jù)進行處理然后上傳到互聯(lián)網(wǎng)上。監(jiān)控中心通過互聯(lián)網(wǎng)下載數(shù)據(jù)，進行處理、分析，最后在上位機上顯示。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計電路介紹

2.1 WSN模塊

2.1.1 Zigbee模塊CC2530

系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收節(jié)點均為Zigbee模塊CC2530，通過CC2530組建網(wǎng)絡，使WSN模塊和異構(gòu)網(wǎng)絡通信協(xié)議融合模塊加入網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸與接收，CC2530具有RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，集成了增強型的8051CPU，自身帶有射頻功能，它能夠建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點，支持低功耗、低數(shù)據(jù)速率，具有很好的抗干擾性能和極高的接收靈敏度，使傳輸數(shù)據(jù)安全可靠。

2.1.2 電網(wǎng)參數(shù)采集模塊

本系統(tǒng)采用電流互感器和分壓式電阻器進行電網(wǎng)參數(shù)的采集，電流互感器依據(jù)電磁感應原理，將電網(wǎng)中的大電流轉(zhuǎn)變成小電流進行測量，由分壓式電阻器得到相應的電壓值，然后把數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理模塊。

2.1.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊首先對模擬信號進行放大、濾波等處理，得到符合要求的電網(wǎng)參數(shù)，由時間抽取法的基2FFT分析方法，計算出諧波參數(shù)，用二瓦特計法計算出功率參數(shù)，通過有功功率和視在功率計算出功率因數(shù)，對每相電壓電流信號進行采樣、計算，得到電網(wǎng)頻率。

2.1.4 電源模塊

電源模塊負責給整個節(jié)點提供電能，其內(nèi)部含有低壓差穩(wěn)壓芯片LM1117，LM1117是一個低壓差三端可調(diào)穩(wěn)壓集成電路，能夠提供穩(wěn)定電壓，并且提供電流限制和熱保護，確保電源模塊正常工作。

2.2 異構(gòu)網(wǎng)絡通信協(xié)議融合模塊

異構(gòu)網(wǎng)絡通信協(xié)議融合模塊是以嵌入式微處理器為中心的網(wǎng)關(guān)平臺，它能夠?qū)igbee協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為TCP/IP協(xié)議的格式，實現(xiàn)Zigbee協(xié)議組成的無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上的遠程訪問、實時查詢等功能，由Zigbee協(xié)調(diào)器接收WSN模塊傳送的數(shù)據(jù)，通過SPI串行外設(shè)接口傳送到STM32F103中，通過微處理器對數(shù)據(jù)進行處理，完成協(xié)議轉(zhuǎn)換，處理好的數(shù)據(jù)存放在FLASH中，并通過GPRS上傳到Internet，由JTAG對芯片進行在線編程和調(diào)試，提高程序開發(fā)的效率。

2.3 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心監(jiān)控整個區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)的參數(shù)，由Internet接收網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù)，在信息平臺上進行處理、分析、比較，最終在上位機上顯示。

3 軟件設(shè)計部分

該系統(tǒng)軟件主要有WSN模塊電網(wǎng)參數(shù)采集處理與發(fā)送程序、異構(gòu)網(wǎng)絡通信協(xié)議融合模塊數(shù)據(jù)的接收處理與發(fā)送程序。

WSN模塊電網(wǎng)參數(shù)采集處理與發(fā)送程序流程：系統(tǒng)上電啟動，然后硬件初始化、軟件系統(tǒng)初始化，請求CC2530加入網(wǎng)絡，CC2530進入低功耗模式，采集節(jié)點調(diào)度任務產(chǎn)生定時器中斷，CC2530退出低功耗模式，傳感器開始采集電網(wǎng)參數(shù)，接著進行數(shù)據(jù)的記錄、處理、傳輸，關(guān)閉傳感器，CC2530再次進入低功耗模式。

異構(gòu)網(wǎng)絡通信協(xié)議融合模塊數(shù)據(jù)的接收處理與發(fā)送程序流程：首先系統(tǒng)初始化，CC2530協(xié)議棧初始化，檢測到有信號輸入，允許WSN模塊的CC2530加入網(wǎng)絡，接收數(shù)據(jù)并進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，最后傳送到監(jiān)測中心。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了基于Zigbee電網(wǎng)參數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了電網(wǎng)參數(shù)的無線傳送，解決了有線監(jiān)測和人工巡檢存在的問題，有利于提高電能的輸送和利用，通過無線傳感器網(wǎng)絡與Internet、GPRS等類型網(wǎng)絡協(xié)議棧的對接與融合，實現(xiàn)了各模塊間的通信，同時還具有網(wǎng)絡規(guī)模大、監(jiān)測節(jié)點多、可擴展性強、系統(tǒng)升級和改造容易等特點，在電網(wǎng)監(jiān)測方面有較好的應用前景。

【參考文獻】

[1]黎步銀，張杰.基于Zigbee的智能電網(wǎng)高級量測體系數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2015（10）：60-64.

[2]張浩.高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡研究[D].北京交通大學，2013.

[3]吳勝明.智能家居交互終端的設(shè)計與實現(xiàn)[D].華北電力大學，2012.

[4]丁道振.基于Zigbee的高壓開關(guān)柜觸頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].集美大學，2013.

[5]張光南.一種電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化與儀器儀表，2016（4）：138-142.

[責任編輯：田吉捷]