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电网参数的无线传感器网络监测系统

2017-06-30许世林王义波赵昌勇张兆鹏刘会鹏

科技视界 2017年5期

许世林 王义波 赵昌勇 张兆鹏 刘会鹏

【摘 要】针对电网参数使用有线监测和人工巡检方法存在的问题,提出了一种基于ZigBee无线传感器网络的电网参数监测系统设计,系统通过WSN模块对电网参数进行采集、处理、无线传送等操作,得到的电网参数包括电压、电流、功率、功率因数、电网频率等,然后把数据无线传送到异构网络通信协议融合模块,经过协议转换后上传到Internet上,最终在上位机上显示,实现电网参数的远程访问,实时查询等功能,本系统具有使用简单、信息实时、减少对有线网络的依赖、便于管理等优点。

【关键词】电网参数;WSN模块;Zigbee;嵌入式微处理器

0 引言

目前我国电网分布较为广泛,对电网的安全预警和故障诊断成为必要,但电网监测方面仍存在一些问题,传统的监测数据主要通过有线传输方式,但是采用传统监测方式需要大量通信电缆,且安装困难,周期长,需要耗费大量资源,目前也缺乏有效的有线监测手段,部分线路还需要人工巡检,有些输电线路分布在恶劣的环境中,给工作人员带来了巨大的不便,若工作人员无法接近输电线路,则会产生监测盲区,就无法了解输电线路的工作状态,不利于电能的传输。若能够实时了解输电线路的参数,采取相应措施,充分发挥输电线路的输电能力,将有利于提高社会的经济效益。

随着电力系统的迅速发展,电能监测的重要性日益突显,通过恰当的监测手段及时了解电网参数,将有助于提高电网的运行能力,随着传感器和无线网络技术的出现和迅猛发展,为电网的无线监测提供了强有力的技术支持,这样将会有利于解决电网监测方面存在的问题。

1 系统设计的原理

系统有多个WSN模块,WSN模块对电网参数进行测量,得到的电网参数包括电压有效值、电流有效值、电网频率、谐波、功率因数、功率等,把测量参数处理后通过CC2530传送到异构网络通信协议融合模块,异构网络通信协议融合模块是以嵌入式微处理器为中心的网关平台,通过STM32F103对数据进行处理然后上传到互联网上。监控中心通过互联网下载数据,进行处理、分析,最后在上位机上显示。系统的整体结构框图如图1所示。

2 硬件设计电路介绍

2.1 WSN模块

2.1.1 Zigbee模块CC2530

系统设计的数据发送与接收节点均为Zigbee模块CC2530,通过CC2530组建网络,使WSN模块和异构网络通信协议融合模块加入网络,实现数据的无线传输与接收,CC2530具有RF收发器的优良性能,集成了增强型的8051CPU,自身带有射频功能,它能够建立强大的网络节点,支持低功耗、低数据速率,具有很好的抗干扰性能和极高的接收灵敏度,使传输数据安全可靠。

2.1.2 电网参数采集模块

本系统采用电流互感器和分压式电阻器进行电网参数的采集,电流互感器依据电磁感应原理,将电网中的大电流转变成小电流进行测量,由分压式电阻器得到相应的电压值,然后把数据传送到数据处理模块。

2.1.3 数据处理模块

数据处理模块首先对模拟信号进行放大、滤波等处理,得到符合要求的电网参数,由时间抽取法的基2FFT分析方法,计算出谐波参数,用二瓦特计法计算出功率参数,通过有功功率和视在功率计算出功率因数,对每相电压电流信号进行采样、计算,得到电网频率。

2.1.4 电源模块

电源模块负责给整个节点提供电能,其内部含有低压差稳压芯片LM1117,LM1117是一个低压差三端可调稳压集成电路,能够提供稳定电压,并且提供电流限制和热保护,确保电源模块正常工作。

2.2 异构网络通信协议融合模块

异构网络通信协议融合模块是以嵌入式微处理器为中心的网关平台,它能够将Zigbee协议的数据转化为TCP/IP协议的格式,实现Zigbee协议组成的无线传感器网络的数据在互联网上的远程访问、实时查询等功能,由Zigbee协调器接收WSN模块传送的数据,通过SPI串行外设接口传送到STM32F103中,通过微处理器对数据进行处理,完成协议转换,处理好的数据存放在FLASH中,并通过GPRS上传到Internet,由JTAG对芯片进行在线编程和调试,提高程序开发的效率。

2.3 监控中心

监控中心监控整个区域内电网的参数,由Internet接收网关发送的数据,在信息平台上进行处理、分析、比较,最终在上位机上显示。

3 软件设计部分

该系统软件主要有WSN模块电网参数采集处理与发送程序、异构网络通信协议融合模块数据的接收处理与发送程序。

WSN模块电网参数采集处理与发送程序流程:系统上电启动,然后硬件初始化、软件系统初始化,请求CC2530加入网络,CC2530进入低功耗模式,采集节点调度任务产生定时器中断,CC2530退出低功耗模式,传感器开始采集电网参数,接着进行数据的记录、处理、传输,关闭传感器,CC2530再次进入低功耗模式。

异构网络通信协议融合模块数据的接收处理与发送程序流程:首先系统初始化,CC2530协议栈初始化,检测到有信号输入,允许WSN模块的CC2530加入网络,接收数据并进行协议转换,最后传送到监测中心。

4 结语

本文设计了基于Zigbee电网参数的无线传感器网络监测系统,该系统实现了电网参数的无线传送,解决了有线监测和人工巡检存在的问题,有利于提高电能的输送和利用,通过无线传感器网络与Internet、GPRS等类型网络协议栈的对接与融合,实现了各模块间的通信,同时还具有网络规模大、监测节点多、可扩展性强、系统升级和改造容易等特点,在电网监测方面有较好的应用前景。

【参考文献】

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[责任编辑:田吉捷]