万 林，章国宝

(东南大学自动化学院，江苏 南京 210096)

基于ZigBee和GPRS网络的农网剩余电流在线监测系统

万 林，章国宝

(东南大学自动化学院，江苏 南京 210096)

针对当前农村电网剩余电流故障难以定位的问题，提出了一种基于ZigBee技术和GPRS网络技术的农村电网剩余电流在线监测系统。该系统实现了对农村电网用户剩余电流、电压的实时监测，提高了农村电网用户的用电安全性和稳定性。

农村电网；剩余电流；在线检测系统；ZigBee自组网技术

0 引言

长期以来，我国农村电网的配电情况复杂，农村地区存在用户安全用电意识薄弱、私自搭线改线，家用电器使用不规范、线路老化严重等问题，时常发生漏电(剩余电流)故障。目前，对农村漏电故障的研究主要集中在剩余电流保护装置上。剩余电流保护装置时常存在误动现象，且漏电故障发生时难以定位。

为了提前发现故障、准确定位故障，考虑到农村电网的分散性，以下设计了基于ZigBee和GPRS网络技术的农网剩余电流在线监测系统，用于监测台区内剩余电流情况。当发生漏电故障时，通过查询采集器上报的故障数据，可以方便定位发生故障的用户，进而对其进行排查，找出故障原因，避免故障的再次发生。同时，利用采集器的实时监控功能，监测用户家中的电压情况，作为配电质量的参考；对于电压偏低的台区，可通过增加台区配电总量的方式提升电压，防止出现因电压偏低而损毁家用电器或大功率家电不能正常使用的情况。

1 系统总体方案设计

整个系统由采集器、集中器和Web服务器3部分组成，系统总体架构如图1所示。

采集器用于测量农电用户电能表前供电线的剩余电流，供电线经过采集器连接到电能表，因此采集器安装在台区内每个农电用户家中的配电箱内。各个采集器、集中器的ZigBee模块组成无线蜂窝网格网络(Mesh网络)，采集器通过Mesh网络将数据发送到集中器上。

集中器用于收集和转发各采集器发送的数据，集中器集成GPRS模块，它将自身ZigBee模块收到的数据稍作处理后转发到Web服务器上。该转发过程首先通过集中器的GPRS模块连接到基站，进入运营商的CGSN和SGSN网络，然后连接到因特网，再根据Web服务器的IP地址和端口号连接到Web服务器。

图1 剩余电流在线监测系统架构

Web服务器负责数据收集和管理，提供历史、实时数据查询和电压监测等功能，有效实现对各个农电用户剩余电流的在线监测。

2 系统硬件结构设计

2.1 采集器硬件结构

采集器的硬件结构如图2所示，包含剩余电流互感器、PIC单片机、滤波整流电路、ZigBee模块和电源模块。

剩余电流互感器用于采集剩余电流值，通过感应获得供电线的剩余电流值。剩余电流信号经过滤波和全波整流电路，连接到PIC单片机的ADC功能引脚和比较器功能引脚上。

PIC单片机采用PIC16F1824芯片，负责系统的运行管理、控制和通信工作，完成供电线入户电压、剩余电流信号的采集。PIC单片机发送电压、剩余电流信号的方式有3种，具体如下。

(1) 剩余电流故障。当剩余电流大于阈值时，会在比较器的输出端产生下降沿，该下降沿触发PIC单片机中断，中断发生后PIC单片机采集ADC引脚的剩余电流。

(2) 定时发送。在没有产生比较器中断的情况下，PIC单片机会定时测量剩余电流和电压；当剩余电流超过10 mA，或电压超过240 V/低于200 V时，采集器会将该数据发送到集中器。

(3) 集中器查询命令。采集器在接收到集中器的实时数据查询命令后，采集剩余电流和电压，并发送给集中器。

电源模块通过变压器、全波整流、稳压芯片AMS1117-3.3，得到系统所需电压3.3 V，为PIC单片机和ZigBee模块供电。为了达到断电后采集器能继续发送数据的目的，采集器增加了备用电源。考虑到充电的方便性及充电电路的易用性等需求，备用电源采用超级电容储能。超级电容额定电压2.7 V，通过BL8530将超级电容输出电压升到3.3 V。备用电源可以供电3 min左右，足够发送断电时刻的故障数据包。

ZigBee模块采用CC2530F256芯片，完成PIC单片机数据发送、集中器命令接收等功能；可与其他采集器、集中器的ZigBee模块进行短距离通信，2个ZigBee模块的通信距离为20-250 m。

2.2 集中器硬件结构

集中器的作用相当于一个网关，由ZigBee模块、电源模块、GPRS模块和ATMega644pa芯片等组成，其硬件结构如图3所示。各采集器、集中器组成的Mesh网络结构如图4所示。集中器的ZigBee模块类型为协调器(Coordinator)，是Mesh网络中的网络管理者和维护者。采集器的ZigBee模块为路由器类型(Router)，可以为其他距离协调器很远的路由器提供路由功能。ZigBee协调器接收所有ZigBee路由器的数据。

ATMega644pa芯片实现2方面功能：

(1) ATMega644pa芯片通过串口方式与ZigBee模块相连，保持与所有采集器的通信，接收采集器上传的故障数据并下达实时数据采集命令给采集器；

(2) ATMega644pa芯片的另一串口与GPRS模块相连，通过GPRS模块连接到Web服务器，将从采集器接收到的数据转发到Web服务器，并接收来自Web服务器的实时数据查询命令。

图2 采集器硬件结构

图3 集中器硬件结构

为了增强可扩展性，若将集中器上的GPRS模块替换成RS485模块，即可实现通过RS485总线的传输方式连接到Web服务器。

图4 MESH网络结构

3 Web服务器端设计

3.1 C语言Socket服务程序

C语言Socket服务程序运行在Web服务器上，用于监听集中器GPRS模块的连接请求。集中器的GPRS模块事先已配置好目标IP地址和端口号，目标IP地址为Web服务器的IP地址，端口号为Web服务程序的端口号。根据配置好的IP地址和端口号，GPRS模块发送TCP/IP连接请求，C语言Socket服务程序监听到该连接请求后，与集中器建立TCP/IP连接，实现集中器GPRS模块与Socket服务程序的通信。Socket服务程序在收到GPRS模块的连接请求后将创建2个pthread线程：接收数据线程、数据发送线程。接收数据线程用于GPRS模块数据的接收，将接收到的数据存储到MySQL数据库中；数据发送线程向GPRS模块发送数据，将来自PHP进程的消息队列(Message Queue)数据，发送给与之连接的GPRS端。Socket服务程序的工作流程如图5所示。

图5 Socket服务程序工作流程

3.2 Web服务器架构

由于GPRS模块需要和拥有公网IP地址的服务器通信，为此服务器租用固定IP地址。服务器系统为CentOS，开发工具为Nginx，PHP和MySQL。其中，Nginx用于提供Web界面，供用户查询故障数据和发送实时采集数据命令；PHP主要用于读取MySQL数据库中的数据，并返回JSON格式的数据，以响应Web页面的Ajax请求；MySQL用来存储故障数据。Web服务器的架构如图6所示。

图6 Web服务器架构

Web服务器收到用户的Web请求后，Nginx首先对请求的类型进行判断，请求类型分为静态请求和动态请求2种。

(1) 静态请求。Web请求为诸如html文件、css文件、js文件和图片等静态资源时，Nginx直接获取资源并返回给用户。

(2) 动态请求。动态请求可分为历史故障数据查询请求、实时数据查询请求2种。Nginx将请求提交给php-fpm模块，该模块执行对应请求的PHP文件并将执行结果返回给Nginx，最终返回给用户。当服务器收到用户查询历史故障数据的请求时，通过php-fpm调用历史故障查询PHP脚本，从MySQL数据库中取出数据并以JSON格式返回给用户界面。当服务器收到用户的实时查询请求时，php-fpm执行实时查询PHP脚本，并利用Linux下的IPCs进程通信方法，将查询命令传输到C语言的Socket服务程序，Socket程序将命令传输到相应的集中器上。集中器负责执行查询请求，查询特定采集器的数据，并将查询到的数据返回给Web服务器端的Socket程序，最后返回到用户网页界面上。

3.3 Web 服务器网页

Web服务器的网页模块主要包含历史数据查询、实时数据查询、电压监测、集中器参数配置、台区选择和表格下载等，如图7所示。

网页上的数据显示采用jQuery的DataTables表格形式，所有的数据更新为Ajax形式，通过Ajax的JSON格式返回数据并更新DataTables表格的内容。

(1) 历史数据查询模块用于显示历史故障数据，如剩余电流超过阈值10 mA、电压超过240 V或低于200 V的采集器数据，可按时间段进行查询。

图7 Web服务器的网页模块

(2) 实时数据查询模块用于查询各个采集器的实时剩余电流和电压数据，用户点击实时查询按钮后会调用Ajax，请求服务器端的实时数据查询PHP脚本。为防止C语言Socket服务程序和PHP脚本同时访问共享内存，导致数据修改错误的问题，系统设置了一个信号量。PHP脚本获取信号量后，将共享内存中的状态字节读出；如果状态字节为“s”，表示另一个用户已发送查询请求，因此不需要向Socket进程发送数据；如果状态字节是“f”，表示没有其他用户发送查询请求。

(3) 电压监测模块用于显示特定日期的电压监控数据，默认为每隔30 min发送1次监控数据到服务器，可以在参数配置页面中设置监控数据的发送间隔。

(4) 集中器参数配置模块用于读取、写入集中器的参数，包括剩余电流超限阈值、电压超限阈值、采集器超时重传次数、电压监测采集器节点的编号、台区采集器总数等。

(5) 台区选择模块用于选择台区。页面所有的数据均与台区有关，每次Ajax请求都会带一个表示台区的zoneID参数。

(6) 表格下载模块用于数据的导出，调用PHP 的excel库可生成excel表格。

4 结束语

基于ZigBee和GPRS网络技术的农网用户剩余电流在线监测系统可通过采集器监测农网用户家中的剩余电流，并将故障数据发送到台区内的集中器，集中器会把数据转送到自身的GPRS模块并发送到更远的Web服务器上，Web服务器将故障数据存入数据库中。该系统可以为农电工排查故障时提供参考，帮助农电工快速定位故障并及早发现故障，提高农网用户的用电安全性和稳定性。

1 张椿宜，陈 楠，黄 勇．剩余电流式电气火灾监控探

测设备的设计[J]．消防科学与技术，2013，32(12)： 1 385-1 387.

2 张亚飞，李春兰，段了然，等．新疆农村剩余电流保护装置的应用现状[J]．电工电气，2015，25(6)：1-4.

3 张冠英，杨晓光，李 奎，等．剩余电流互感器的设计与特性分析[J]．天津大学学报，2011，44(6)：547-552. 4 杨晓岚，章国宝．基于ZigBee无线网络通信的智能家居系统[J]．工业控制计算机，2013，26(9)：88-90.

5 彭 峋．基于IPC的高速烟支质量检测系统设计实现[J].工业仪表与自动化装置，2013，43(2)：42-44.

华能集团山东公司沾化电厂连续2年实现机组“零非停”

截至2016-12-31，华能集团山东公司沾化电厂连续2个年度实现机组“零非停”，无非计划停运天数累计超过1 000天，创建厂以来安全生产最好水平。2年来，该电厂认真贯彻落实上级单位关于安全生产的各项决策部署，克服机组逐年老化、技改工程集中进行、交叉作业等不利因素，加强精细化管理，坚持问题导向，紧紧围绕“人、机、环、管”四大要素，从严从实抓管理、一心一意保稳定，有效促进了企业安全发展。

该电厂加强目标管理，以EHS平台上线推进安全生产管理体系建设，建立了各级“一把手”生产带班和现场签到制度，闭环整改装置性违章400余项。同时，该电厂大力加强企业安全文化建设，通过创塑安全理念、制度、环境、行为文化，深化了全员安全生产“小厂大作为”的文化认同感。

2016年，该电厂对《设备缺陷管理标准》进行了重新修订，规范消缺流程，全年缺陷同比降低29%，确保了机组安全稳定运行。通过对近年来机组“非停”事件深入分析，针对锅炉“四管”泄漏引发机组“非停”问题多发的实际，成立了“锅炉‘四管’防磨防爆攻关小组”，制定了《锅炉“四管”防磨防爆考核管理办法》，实施了分管领导、策划部、检修部相关人员对受热面检查划片“承包”制度，通过“大修彻底查、小修全面查、调停重点查”的方式，2年来消除影响安全运行的“四管”泄露隐患10余处，有效提升了锅炉运行可靠性。

该电厂严格执行重大操作双监护和领导跟班作业制度，杜绝人员误操作造成的机组非计划停运事件；加强运行监视；加强“两票三制”管理，全年共办理工作票2 621份，执行操作票3 774份，合格率均到达100 %。科学掺配原煤，重新修订了《燃料管理标准》《煤质掺配管理制度》，精心调制锅炉“口粮”，确保不发生因燃料掺配问题导致的灭火事故。

（来源：中国华能集团公司网站 2017-01-06）

2016-07-28。

万 林(1991-)，男，硕士研究生，主要从事嵌入式开发与电气自动化研究工作，email：15105196560@163.com。

章国宝(1965-)，男，教授，主要从事嵌入式开发、电力系统自动化与电力电子研究工作。