李建强

（大唐三门峡电力有限责任公司，河南 三门峡 472143）

应用于变电站工况信息监测的无线传感器网络设计

李建强

（大唐三门峡电力有限责任公司，河南 三门峡 472143）

为监测变电站工况环境，保障电力设备安全运行，同时改善传统监控方式施工繁琐、成本高等缺陷，本文提出基于无线传感器网络技术的变电站温湿度等环境信息的监测方法。采用TI公司的16位处理器MSP430F149和CC1100射频模块，借助SHT10温湿度一体传感器，基于SimpiliciTI协议设计433MHz频段的无线传感器网络。试验表明无线传感器网络的传输距离及数据丢包率均满足监测需要，效果良好。

变电站；环境监测；无线传感器网络

变电站作为电力系统的重要组成部分，其运行可靠性直接影响着电力的稳定可靠供给［1-3］。工况环境的实时监测，是监管与预防变电站灾难发生的一个重要途径。传统的变电站工况环境监测多以有线方式进行，这种方式不但成本高，户外施工繁琐，工作量大，而且数据线路易老化而影响信息监测。随着智能电网建设的加快，越来越多的科研单位在该领域展开了研究［4-7］。赵龙等［8］对GSM通信在配变电监测中的应用进行了相关实践研究；于朝辉等［9］借助无线公用网络通信，配合计算机系统组建了居民区变电站环境信息的采集与存储，完成对变电站运行环境的监控。无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）技术凭借无线、低功耗、自组网、应用领域广等特点，也越来越多地被应用于电力系统的信息传输与监测［10-12］。本文基于433MHz ISM频段，结合嵌入式及传感器网络等技术，研制了应用于变电站温湿度及露点信息监测的无线传感器网络，并进对网络通信性能进行试验研究分析。

1 系统方案

本系统采用自主设计的软硬件方案，组建一个基于433MHz的无线传感器网络，并借助各种传感器对变电站的环境信息进行分布式采集，无线传感器网络应用架构如图1所示。

图1 无线传感器网络应用架构

环境信息监测网络由环境信息采集节点和信息汇聚网关两部分组成，系统运行后，信息汇聚节点发起并组建网络，并为入网的采集节点分配唯一的网络ID；采集节点融合了温湿度传感器，并可计算露点信息，当监听到网关下达的“采集”命令，立即进行相应环境信息的采集，并自寻路径完成向汇聚网关的数据转发；汇聚网关集成了异构网络转换模块，为实现局域网或Internet接入提供接口。

2 硬件

2.1 采集节点

环境信息采集节点以TI公司的16位FLASH型混合信号处理器MSP430F149为核心，包括射频模块、电源模块、JTAG模块、传感器模块，节点硬件结构如图2所示。

其中，射频模块采用TI公司基于IEEE 802.15.4标准开发的CC1100芯片设计的433MHz射频电路，该模块经4线SPI兼容接口（SI、SO、SCLK、CSn）与MCU连接，支持多种调制格式（MSK、ASK、FSK等）和传输速率配置（传输速率范围0.6～500kb/s），结合跳频通信技术实现短距离无线通信。

采用4线制IIC接口的二合一Sensirion温湿度传感器——SHT10进行温湿度采集。应用了工业CMOS过程微加工技术，由电容式聚合体测湿元件、能隙式测温元件、A/D转换器和一个串行接口电路组成。SHT10采用典型工作电压3.3V DC供电，SCK引脚用于与MCU的通讯同步，DATA引脚采用10K电阻上拉，向MCU输出温湿度数据。每次采样传感器内部均对数字信号进行校准而后输出，具有快速响应、抗干扰能力强等优点，性能指标见表1。

节点电路采用双层电路板设计，传感器经信号线引出，便于安装测量。

表1 SHT10参数

2.2 汇聚网关

汇聚网关采用与节点同构设计的原则，为实现与远程监控系统的通信，在节点硬件基础上扩展了通信功能模块。为支持以太网通信，通信功能模块采用了串口转以太网的异构网络转换模块。异构网络转换模块组成如图3所示。

图3 异构网络转换模块示意图

LPC1114为NXP公司基于Cortex-M0内核的微控制器，是连接RS232串口与网口芯片ENC28J60的中间环节，ENC28J60支持轻量级的TCP/IP通信协议——uIP协议，通过SPI接口与LPC1114进行数据交互，实现数据的双向通信，ENC28J60性能指标如表2所示。

此外，该芯片的TTL电平类型能够直接与LPC1114兼容，最高速度能够达到10MB/s。

3 软件

3.1 网络协议移植

常用的低功耗无线通信协议有蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等，本研究采用TI公司推出的SimpliciTI通信协议，在设计的硬件基础上创建433MHz的传感器网络，相较于Zig-Bee等2.4GHz频段有更好的穿透性，传输距离更远。SimpliciTI协议栈包括BSP层、MRFI层、NWK层和NWK Appication层，协议栈架构如图4所示。SimpliciTI移植采用IAR 5.3开发环境，主要接口如表3所示。

图4 SimpliciTI协议栈结构

表3 主要接口说明

表2 ENC28J60特性

采用IAR Embedded Workbench开发环境，完成SimpliciTI协议栈在MSP430F149上的移植。

3.2 温湿度采集

SHT10传感器具备温度及湿度采集功能，并可根据采集的温度及湿度值，实时计算空气露点，温度及湿度采集表达式如式（1）和（2）所示：

式（1）（2）中，T为温度值，RH为湿度值，DT和DRH分别为传感器输出的温、湿度数字量，d1和d2是分别与电源电压和所采用的分辨率相关的参数，m1、m2和m3为与分辨率相关的参数。由于选用的3.3VDC供电电源及12bit采样精度，参照官方手册，相关参数设定如表4所示。

表4 SHT10参数值列表

露点Dp通过T和RH计算得到，计算公式如下：

3.3 软件流程

调用SimpliciTI协议接口，对采集节点和汇聚网关进行软件实现。设计流程如图5所示。

系统上电完成时钟、硬件初始化后，汇聚网关即发起无线传感器网络的建立，各节点初始化完成后，即开始向汇聚网关（协调器）请求建立链接，当网关侦听到节点的请求入网命令后，便为每个节点分配一个地址唯一的网络ID，并告知节点入网成功；设计的采集节点为被动响应类型，当汇聚网关接收到远程上位机的信息采集命令时，即将该命令向网络内所有节点进行转发，节点收到命令后随即进行温湿度数据采集和露点的计算，然后再通过无线的方式转发至汇聚网关；汇聚网关收到节点数据后，则通过串口转发出去，经异构网络模块转发给远程上位机。

4 试验及结论

整合设计的软硬件，对无线传感器网络进行传输距离测试及通信质量测试，试验方案如下：在10kV变电站附近，取节点与网关各一个，设定节点与网关相距200m且视距无障碍，天线距地面高度2m，发射功率0dBm，天线增益5dB，网关采用RS232与PC连接，通过串口调试助手周期发送100次1个字节的采集命令，节点返回数据格式“T025.00H010.00P-08.69”共21个字节。接收数据统计结果显示：有效数据100组，计2 100字节，有效字节数2 100，丢包率及错误率均为0%，具有良好的通信性能，适用于变电站环境信息监测。

图5 软件流程图

［1］彭州红，马国强，吴金勇，等.嵌入式电力监控系统的研究与实现［J］.工业控制计算机，2005（4）：12-13.

［2］罗毅.电力系统安全监控的理论及方法研究［D］.武汉：华中科技大学，2004.

［3］钱毅.基于云计算和视频智能分析的变电站视频及环境监控系统升级方案的设计［J］.电力学报，2011（2）：151-155.

［4］刘美俊，黄菊生，胡俊达.供电设备智能环境监控仪的设计［J］.华东电力，2003（8）：59-60.

［5］秦业，袁海文，袁海斌，等.电力设备运行环境温度远程监控系统的实现［J］.低压电器，2011（12）：19-23.

［6］余贻鑫，栾文鹏.智能电网［J］.电网与清洁能源，2009（1）：7-11.

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Design of Wireless Sensor Network Applied in Substation Condition Monitoring

Li Jianqiang
（Datang Sanmenxia Power Co.,Ltd.，Sanmenxia Henan 472143）

In order to monitor the working conditions of substations,to guarantee the safe operation of power equipment,and to improve the traditional monitoring system construction complex and high cost,this paper presented the monitoring method of wireless sensor network technology in substation based on the information of temperature and humidity environment.Using TI's 16 bit MSP430F149 processor and RF module CC1100,with SHT10 temperature and humidity sensor,this paper designed 433MHz band wireless sensor network based on the SimpiliciTI protocol,to monitor temperature,humidity and dew point information of substation operation condition.The experimental results show that the transmission distance and the packet loss rate of wireless sensor network can meet the monitoring needs.

substation；environmental monitoring；wireless sensor network

TM764

A

1003-5168（2017）05-0021-03

2017-04-21

李建强（1983-），男，工程师，研究方向：电力系统自动化及保护。