（河南平高电气股份有限公司 河南平顶山 467001）
摘要：针对目前变电站设备在线监测系统存在布线复杂，施工难度大，成本高的问题，本文设计了一套基于ZigBee的无线数据采集软硬件系统，对高压开关设备SF6气体的密度、压力、微水含量等进行在线实时监测。试验表明，该系统功耗低、运行稳定，具有一定的现实意义。
关键词：高压开关设备；ZigBee网络；变电站在线监测
1 引言
随着科技飞速发展，光纤传感、无线传感等新型传感技术和先进的数据传输网络等物联网新技术为智能电网的发展提供了重要的技术支撑，有力的推动了智能电网的发展，其中值得关注的是ZigBee无线数据传输网络，它是一种短距离、低功耗的无线通信技术，主要为工业现场自动化控制数据传输而建立的，具有简单可靠，使用方便，成本低的特点。目前变电站状态监测大多采用铺放线缆的方式构架监测系统网络，监测点分布广时，存在布线困难，施工难度大，成本高的问题，且使用屏蔽双绞线的布线系统能够做到360°的全程屏蔽非常困难，信号易受到干扰，通信质量在强电磁环境下可能会变得很差，甚至出现数据长时间丢帧现象。
ZigBee无线数据网络在物理层采用抗干扰非常强的DSSS直序扩频技术，在MAC协议层采用CGMA-CA避免碰撞机制，可避免发送数据的竞争与冲突，提高了信息传输的可靠性，它具有自组网功能，无需人工干预，网络节点可以感知其它节点的存在，自动构成网络，在增加、删除节点或节点故障情况下，网络能自我修复，即具有自愈功能，从这一点来看，采用ZigBee无线数据传感技术来构建变电站监测系统网络具有明显的优势。
本文基于ZigBee网络设计了一套高压开关设备气体状态在线监测系统。
2 系统原理及构成
以220kV变电站室内封闭式组合电器（GIS）气体状态监测为例，系统采用分布式监测系统架构，如图1所示，每个测量集群由6-12个测量节点构成，测量集群采用先进的ZigBee无线传感网络技术实现，每个集群采用由1个路由节点和多个终端节点构成，每个测量集群负责监测1-2个间隔上的所有状态数据，集群内节点个数可以灵活配置，实现测量节点的动态增加或删除。终端节点负责采集SF6气体的压力、密度、温度和微水，并按一定时间间隔通过ZigBee网络上传给协调器，协调器接收到数据后通过通用分组无线电业务（GPRS）或全球移动通信系统（GSM）传送到上位机，上位机采用支持向量机对监测数据进行综合评价分析，给出当前运行状况和报警信息。
上位机可以通过GSM网络发送测量集群的运行控制指令，实现对气体在线监测的运行方式的控制。
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图1 系统结构图
3 系统硬件部分设计
3.1 硬件结构设计
按照实现的功能不同，监测节点分为路由节点（协调器）和终端节点两类。路由节点硬件主要由主控制系统、电源系统、数据采集系统、ZigBee无线收发系统、GSM数据传输系统及实时时钟系统组成。协调器硬件结构如图2所示。
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图2 路由节点硬件结构图
核心模块采用处理器PIC24F32KA302系列芯片及其外围电路，主要进行程序处理及数据存储等功能；AD信号采样模块主要完成对高压开关设备气室气体状态信号的采集，通过光电隔离后，送入核心处理器；两路RS-485信号分别完成与ZigBee模块和GSM模块的通信功能。
3.2 电源部分设计
系统电源为7.5W多路输出开关电源方案。开关电源芯片选用POWER INTEGRATIONS公司的TOP243P芯片，在交流85~265V输入条件下最大功率为9W。
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图3 电源模块设计
3.3 ZigBee通信模块设计
ZigBee模块采用厦门四信通信公司的F8913D模块，该模块采用高性能工业级zigbee芯片，低功耗设计，支持休眠和唤醒模式，WDT看门狗设计，保证系统稳定。采用完备的防掉线机制，保证数据终端永远在线。模块采用微型双排2.0mm插针封装，多种工作模式，上电即进入数据传输状态。
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图4 ZigBee通信设计
3.4 UART通信模块设计
串口通信部分采用ADM258芯片进行信号的电平转换，系统采用两路串口，一路接收传感器信号，一路与ZigBee模块之间进行数据传输。
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图5 UART模块设计
3.5 A/D 采样模块
A/D采样采用PIC内部自带的10位模数转换器，模拟输入电压为0~3V，AD模块采样频率最高为12.5MSPS，即每秒可以完成12.5个百万次的采样，在A/D初始化时单独给其分配时钟，设定A/D的工作模式为顺序采样模式，级联方式，运行于启动停止模式，每完成一个序列的转换就会产生一次。
4 系统软件部分设计
4.1 协调器及中断节点软件设计
协调器硬件设计与终端节点类似，协调器软件实现主要分为网络管理、数据上传功能。网络管理包括了创建ZigBee网络，允许新的终端节点加入网络并分配16位网络地址，接收网络中各节点数据，向网络各节点发送操作命令，绑定网络节点等操作。数据上传则是与上位机的通信模块，在接收到了某终端节点的数据后立即送至上位机，才能使上位机同步的做出加速度值变化曲线图。为此，协调器沿用DMA控制器将RF收发缓冲器的数据不通过CPU内核直接发送至UART串口，这样可以保证传输速率同时不加重CPU负担。协调器的软件设计过程如图4所示，网络中有8个终端采集节点，所以要在确认与8个节点都通信成功以后再进行数据采集工作。
4.2 通信协议
系统数据层采用TCP／IP协议．基础层工作时选择ASCII码方式，所有硬件采用相同的传输模式并按照各单元的内存地址统一编码．在信息中每8位作为2个ASC U字符发送．每个ASCII字符都是由一个16进制的字符组成．信息帧的数据格式是由1个起始位、7个有效位和1个奇偶校验位组成的。
5 试验测试和分析
监测系统有由一个协调器气体状态监测节点和6个子节点组成星形ZigBee网络，通过调节气体压力等参数模拟不同待测状况，从而可以测试出不同外部条件下系统运行状况变化及ZigBee网络性能变化。测试结果表明，系统软硬件运行正常，ZigBee协调器和子节点之间的传输距离达到150m，点对点通信误码率为10-10，组网时间在40ms以内，子节点入网时间约为20ms，各方面指标均能达到要求，网络整体性能稳定，满足SF6气体状态在线监测的要求。
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图5 软件设计流程
6 结束语
本文中设计了一种基于WSN网络的高压开关设备SF6气体在线监测系统，通过Internet实现远程设备在线监测与故障诊断，该系统是基于ZigBee技术的WSN的应用系统，最远传输距离可达150m。该系统集成度高，网络性能稳定，及在线监测与故障诊断为一体，提供了一个高效的设备运行管理平台。
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作者简介：
陈富国（1984-），男，工程师，主要研究方向为智能高压开关设备状态监测。
论文作者:陈富国,寇新民,岳雪亭,彭跃辉
论文发表刊物:《电力设备》2015年8期供稿
论文发表时间:2016/3/9
标签：节点论文; 在线论文; 系统论文; 网络论文; 模块论文; 气体论文; 终端论文; 《电力设备》2015年8期供稿论文;