李芳芳

【摘 要】市场上现有的电能质量监测仪，布线复杂庞大，对于地理环境复杂的地区存在诸多附加的安装问题，基于现存的问题，本文提出了一种基于ZigBee（紫蜂协议）无线通信技术的便携式电能质量监测仪的设计方案。系统包括以CC2530芯片为核心的监测节点以及以S3C2410为核心设计的本地监控中心的软、硬件的架构，该系统能够对电网中各监测点进行远程的电能质量监测，避免了地理环境恶劣等情况带来的布线复杂问题，扩充了电能质量监测的范围。

【关键词】无线传感网络；电能质量；监测系统；ZigBee

一、引言

随着我国电力部门设施的逐步完善和改革，电能质量的指标成为电力部门和用户关注的重要的信息。电流波形经过一些电子设备的整流、变流电路，调压、调频等电子芯片导致电流波形畸变严重，这些谐波电流流入公用电网，严重地影响电能质量，产生了电网公害，对电网正常运行产生了干扰。为了保证电网正常的运行，需要对电网的电能质量进行实时有效的监测与评估，为之后的调整改善电能质量工作提供有效的依据。无线传感网络的出现避免了有线网络布线复杂庞大的问题，组网灵活性强，只需在电力监测区域合理放置无线传感器节点，即可监测电力运行状态，省去了布线环节，节约了大量的成本和人力。本文在运用无线传感网络的基础上，提出了一种基于ZigBee技术的电能质量监测方案，实现了监控中心远程地对监测节点电能质量实时、准确的监测，为电力系统的集中管理、维护和检修提供依据，具有一定的实用价值。

二、Zigbee技术简介

ZigBee建立在802.15.4标准之上的一种协议，是IEEE无线个人区域网（Personal Area Network，PAN）工作组的一项标准。数据传输速率只有10k字节/秒到250k字节/秒；功耗低，无需充电和频繁更换电池；成本低，由于Zigbee数据传输速率低，协议简单，且Zigbee协议免收专利费，所以大大降低了成本。

三、监测节点与路由节点设计

监测节点和路由节点设计监测节点的功能是完成电力参数的采集，去噪及融合处理，通过ZigBee技术将数据发送到本地监控中心，并根据本地监控中心发送的命令，设置相应的工作模式。为了提高节点电路的可靠性、降低节点电路设计的成本，同时，鉴于 CC2530 内部集成了增强型 51 微控制器、8 路 14 bit A/D、128 KB 可编程闪存和8 KB的 RAM，設计时以 CC2530 为中心，辅助简单外围电路来完成监测节点的设计，如图 1 所示。监测节点以每个工频周期采样 256 个点的采样周期，不间断地对监测点的电力参数进行采集。

由于监测节点采用接触式的方式对电能质量参数进行监测，节点可以安装在电力设备附近，监测节点的电源模块是基于电磁感应原理设计而成的，采用在电力设备电源进线端套接取能线圈的方式，将导线电磁能量转换到二次侧取电能，并通过整流滤波、保护等环节实现隔离式供电，解决了WSNs（ wireless sensor networks）网络中节点能量有限的问题。路由节点仅需实现数据的无线发射与接收，无需进行模拟量的采集和处理，采用电池供电的供电方式。

四、监控中心设计

监控中心包括本地监控中心和远程监控中心。本地监控中心接收 WSNs中所有节点的数据，通过小波变换和支持向量机，对检测节点的电能质量扰动进行识别，并对检测节点的数据进行存储，实现远程监控中心对各检测节点电能质量的监测。考虑到大容量数据存储和小波变换、支持向量机实现的复杂性，选择 ARM9 系列微控制器 S3C2410 进行本地监控中心系统的设计；通过自带的 2 路串口，实现 CC2530 模块和 GPRS 模块的扩展；通过 SPI 接口，实现 SD 卡的扩展；通过GPIO 扩展液晶显示电路，用以显示网络中各节点的电能质量状态，具体设计电路如图 2 所示。远程监控中心通过 GPRS 技术，接收各 WSNs本地监控中心的数据，通过串口与 PC 机连接。借助于上位机软件的应用，在 PC 机上将中心控制的各 WSNs 中检测节点的电能质量状态实时动态显示出来，实现工作人员对电网各区域电能质量的监控，提高控制中心的分析能力、决策能力和智能化水平，为电力的合理分配和电力系统的继电保护提供一个实时依据。

上位机软件生成exe可执行文件运行后对电能质量监测的实时显示如图3。

五、结语

本文在对现有的电网电能质量监测仪进行了分析比较，选择了CC2530无线芯片和ARM9系列微控制器S3C2410，通过ZigBee网络和传感器的搭配使用，有效地降低电能质量监测过程中布线繁琐程度，灵活应用于复杂的地理环境中，选择的芯片具有功耗低成本低的特点，经过多组测试可以保证无线网络监测模块性能稳定，且在多次改进后监测中心软件功能基本完善，达到了测量精确且经济实用的目的。

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