劉錦新

（廣東電網(wǎng)有限責任公司佛山供電局）

0 引言

變電站保護出口壓板電壓量測是電力系統(tǒng)中非常重要的工作，其對監(jiān)測系統(tǒng)運行安全、電力設(shè)備故障診斷、電力系統(tǒng)功率控制等方面發(fā)揮重要作用。通過對電壓的量測可以判斷電力系統(tǒng)是否處于正常運行狀態(tài)，如果電壓異常，則可以此為依據(jù)完成電力系統(tǒng)中設(shè)備的故障診斷，且其還可通過對電壓合理控制，調(diào)節(jié)電流的大小，進而控制電力系統(tǒng)功率的輸出。因此，對保護出口壓板電壓進行準確的量測，有助于維護電力系統(tǒng)運行，保障電力系統(tǒng)安全，故研究變電站保護出口壓板電壓量測數(shù)據(jù)智能采集方法，具有重要的科學意義和實際應(yīng)用價值。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式中，需要人工操作或使用傳統(tǒng)儀器進行采集，不僅效率低下，還存在潛在的人為誤差風險，而通過智能采集方法，可以利用先進的傳感技術(shù)和自動化設(shè)備，實現(xiàn)對電壓數(shù)據(jù)的自動、準確和高效采集。在該背景下，本次研究基于Zig Bee技術(shù)完成變電站保護出口壓板電壓量測數(shù)據(jù)智能采集方法的設(shè)計與研究。

1 保護出口壓板電壓量測數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計

1.1 Zig Bee通訊模塊設(shè)計

為提高保護出口壓板電壓量測數(shù)據(jù)的傳輸效果，本次研究選取CC2530通訊芯片完成Zig Bee模塊設(shè)計，以實現(xiàn)其無線通訊傳輸功能。CC2530芯片是一款功能強大的芯片，具備許多優(yōu)秀特性。首先，它采用兼容8051架構(gòu)的設(shè)計，可為系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的運行平臺。其次，芯片使用的RF收發(fā)器具有高靈敏度與強抗干擾功能，適用于2.4GHzIEEE802.15.4通信標準，能夠在不同國家的無線電頻率相關(guān)法規(guī)要求下進行工作。此外，CC2530芯片還擁有8KB閃存，能夠存儲海量數(shù)據(jù)，并且其還可提供可編程的存儲器，使系統(tǒng)能夠安全存儲關(guān)鍵信息。CC2530內(nèi)存仲裁器可以智能選存儲器，然后經(jīng)過SFR總線銜接外部設(shè)備、單片機、內(nèi)部存儲器與CPU，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。CC2530芯片具有工作模式和睡眠模式，以此來規(guī)劃Zig Bee模塊電路圖，如圖1所示。

圖1 Zig Bee模塊電路圖

通過該模塊，可保證采集到的電壓量測數(shù)據(jù)安全傳輸。

1.2 電壓采集模塊設(shè)計

本次研究采用了IM1281電壓計量模塊對保護出口壓板電壓量測數(shù)據(jù)進行收集。該模塊完成了取樣電流電壓隔離電路與芯片的計量，可以精準的收集電流、電壓的值和功率的變量，以此進行輸出串口的數(shù)據(jù)。為方便用戶查看用電情況，該無線電能表還配備一塊液晶顯示模版。經(jīng)過這個模版，可以直觀地了解到用電數(shù)量的信息。通過電能表的具體需求，還設(shè)立脈沖指示燈與跳閘指示燈，來向客戶表示用電負荷與跳閘信息。為了確保電表的正常運轉(zhuǎn)，在電源模塊中使用了開關(guān)電源來供應(yīng)5V電源輸出，還設(shè)立電池為電源的備用，以此來保證沒電的時候還可以正常的工作。另外，電源模塊中又選取了線性穩(wěn)壓芯片AMS117，為CC2530模塊供給穩(wěn)固的3.3V電壓。根據(jù)以上配置與設(shè)計，這個無線電能表能夠準確采集、顯示和傳輸保護出口壓板的電壓量測數(shù)據(jù)，滿足用戶對用電情況的監(jiān)測需求。

2 保護出口壓板電壓量測數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計

2.1 Zig Bee組網(wǎng)設(shè)計

在Zig Bee組網(wǎng)初始時，網(wǎng)絡(luò)層利用分配合約的信道先向MAC層發(fā)出命令。然后，網(wǎng)絡(luò)層管理實體等候信道掃描的結(jié)果，利用結(jié)果選取適合信道，另外為新網(wǎng)絡(luò)選取網(wǎng)絡(luò)標識符。一旦明確網(wǎng)絡(luò)標識符，無線網(wǎng)關(guān)會選16位網(wǎng)絡(luò)地址192.168.0.0／16為短地址，開始設(shè)置。經(jīng)過MAC層發(fā)送網(wǎng)絡(luò)請求，然后回到網(wǎng)絡(luò)初始狀況。經(jīng)過初始化網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點進入網(wǎng)絡(luò)，兩步驟落實組網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)初始化由協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的。在網(wǎng)絡(luò)建立時，要判斷本節(jié)點能否和其他網(wǎng)絡(luò)相連。只能在節(jié)點判斷不能和另外的網(wǎng)絡(luò)相連并本身是全功能設(shè)備的時候，才可以操作初始化網(wǎng)絡(luò)。一旦Zig Bee網(wǎng)絡(luò)初始化形成，節(jié)點進入網(wǎng)絡(luò)過程將開始。節(jié)點選擇信號最高的父節(jié)點為宗旨，申請進入這個網(wǎng)絡(luò)。進入網(wǎng)絡(luò)后，節(jié)點會被指派一個短地址，并通過該地址進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。通過以上步驟，Zig Bee網(wǎng)絡(luò)能夠自動完成組網(wǎng)過程，并實現(xiàn)節(jié)點的入網(wǎng)操作。這樣的組網(wǎng)方式不僅簡化了網(wǎng)絡(luò)配置，也保證了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 電壓量測數(shù)據(jù)采集流程設(shè)計

在系統(tǒng)開始工作時，第一步是要使各個傳感器以及CC2530芯片進入到休眠模式，也就是待工作狀態(tài)，這個操作可通過初始化實現(xiàn)，初始化完成后節(jié)點主動進行網(wǎng)絡(luò)搜索，組網(wǎng)要在搜索到網(wǎng)絡(luò)并申請加入成功之后才能實現(xiàn)。傳輸數(shù)據(jù)之前，因為沒有接收到換成工作模式的指令，節(jié)點仍處于低功耗的休眠模式，傳感器和CC2530并不能直接對數(shù)據(jù)進行采集和傳輸，必須等到接收到特定的指令之后，節(jié)點才能進入正常的數(shù)據(jù)采集工作模式，具體來說就是終端采集節(jié)點會在完成全部部件的初始化操作之后進行其他操作。首先是組網(wǎng)相關(guān)步驟，包含關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和建立關(guān)聯(lián)表等，然后通過路由器與協(xié)調(diào)器傳輸采集所得數(shù)據(jù)，具體步驟流程如圖2所示。

圖2 量測數(shù)據(jù)采集流程圖

如圖2所示，在采集終端上的傳輸經(jīng)過一系列操作上傳到上位機后，可利用系統(tǒng)內(nèi)的傳感器界面查看采集的具體數(shù)據(jù)。達到實現(xiàn)節(jié)點工作時間的增長，需更好的拉低終端節(jié)點在啟動期間的耗能，基于此目的，有兩種工作模式應(yīng)用在本系統(tǒng)的終端采集節(jié)點上，分別是數(shù)據(jù)采集（主動）模式與休眠（低功耗）模式。當節(jié)點處于休眠模式下時，外界發(fā)送的操作指令將無法被接收，所有外設(shè)除晶振以外均不工作，節(jié)點的功耗降至最低。在節(jié)點的組網(wǎng)過程中，節(jié)點會第一時間上報自身設(shè)備類型與地址給上級，然后判斷是否有任務(wù)需要執(zhí)行，如果沒有則節(jié)點進入休眠模式，休眠時間從系統(tǒng)中獲取，如果有則執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集操作。休眠時間結(jié)束之后，需要再次發(fā)送查詢請求給到上級，確認休眠期間是否有數(shù)據(jù)采集指令給到自身，有指令要求就直接進行數(shù)據(jù)采集傳輸，完成后再次確認指令要求，沒有指令則直接恢復(fù)休眠模式直到節(jié)點下一次啟動。

3 實驗與分析

本次研究的數(shù)據(jù)分析在一臺操作系統(tǒng)為Windows 10筆記本電腦內(nèi)實行。本次研究選取對比實驗的方式進行方法驗證，即選取文獻［3］與文獻［4］作為對比方法設(shè)置對照組，以數(shù)據(jù)丟包率和采集精準度為指標，驗證方法性能。具體的數(shù)據(jù)丟包率如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)丟包率對比

如上圖3所示，應(yīng)用所提方法開展數(shù)據(jù)傳輸，其數(shù)據(jù)丟包率均小于1.3%，而應(yīng)用對比方法，其數(shù)據(jù)丟包率大于4.5%，由此可證明應(yīng)用所提方法在數(shù)據(jù)傳輸方面具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。

三種方法采集精準度結(jié)果見下表。

表數(shù)據(jù)采集精準度對比

如上表所示，采用所提方法，其數(shù)據(jù)傳輸誤差較小，均小于0.08V；而應(yīng)用對比方法，其數(shù)據(jù)采集誤差均大于1.24V，由此可證明應(yīng)用所提方法在數(shù)據(jù)傳輸方面具有更高的精確性和準確性。

4 結(jié)束語

為滿足對變電站保護系統(tǒng)電壓數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和分析需求，提高電壓量測數(shù)據(jù)采集的精準度，本次研究基于Zig Bee技術(shù)提出了一種變電站保護出口壓板電壓量測數(shù)據(jù)智能采集方法。該方法先運用IM1281電壓計量模塊實現(xiàn)電壓量測數(shù)據(jù)采集，然后借助Zig-Bee技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，最后利用實驗證明所提方法的先進性。實驗結(jié)果表明，應(yīng)用所提方法數(shù)據(jù)丟包率均小于1.3%，傳輸誤差均小于0.08V，均優(yōu)于對比方法，驗證所提方法在電壓量測數(shù)據(jù)采集傳輸時具有較高的穩(wěn)定性和準確性，具有一定應(yīng)用價值。