基于ZigBee-GPRS的箱式變電站監控系統

范為杰，劉賢興 ，施 凱 ，張云龍

（1.江蘇大學 電氣信息工程學院，鎮江 212013；2.中科天工電氣控股有限公司，阜寧 224400）

箱式變電站作為新型變配電設施具有占地面積小、建設周期短且操作方便等特點，廣泛應用于居民小區、公共場所以及環境惡劣地區如高原地區、沙漠地區等。實現箱式變電站的智能監測不僅有利于箱式變電站運行的安全性、經濟性、可靠性等管理，隨時掌握站內設備運行情況，及時診斷并處理出現的異?，F象，大大減少定期檢修和停電次數，而且為配電網的運行及性能指標的監視控制、供電方案優化等管理工作提供了有效的技術手段。

有效保證箱式變電站智能監測的根本途徑就是自動實現數據的采集以及通信數據的交換。隨著無線通信技術的發展，尤其是GPRS無線移動網絡技術的成熟為遠程監控系統提供了有效的傳播路徑[1]。目前箱式變電站監控系統中，GPRS無線遠程通信技術代替了光纖環網有線通信手段，避免了鋪線困難、檢修繁瑣等問題。然而多數成果都是基于遠程通信技術的應用研究，對現場層通信技術應用的研究非常缺乏，大部分箱式變電站內部現場采集仍以CAN總線方式負責數據通信[1-3]，監控對象數量眾多致使現場總線錯綜復雜，而且高壓環境對其干擾嚴重。近年來發

展的ZigBee技術[4-6]是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，在近距離工業監控領域有著廣闊的應用前景[7-11]。

本文充分利用ZigBee技術在近距離低功耗領域實現無線通信的優勢，提出了一種全新的基于ZigBee技術的箱式變電站遠程監控系統方案。方案在現場層采用ZigBee技術交換數據，再結合成熟的GPRS通信技術將現場的數據傳輸至遠程計算機，實現真正意義上的系統無線監控。

1 系統結構和原理

由于箱式變電站繁多的待監測量，在箱式變電站內部構建ZigBee無線局域網，其系統簡易結構圖如圖1所示，每個ZigBee網絡終端節點與鄰近的數個傳感器或儀器儀表連接，采集相應的電參量或開關量，所有采集量通過ZigBee網絡將數據傳輸至ZigBee網絡協調器。協調器經過ZigBee-GPRS網關處理器，再將數據傳送至GPRS模塊，遠程計算機通過ADSL由互聯網（Internet網）進入GPRS網絡獲取數據。ZigBee網絡終端節點采用紐扣電池供電方式，由于ZigBee協調器節點和ZigBee-GPRS網關需要長期處在工作狀態，將其設置在低壓室中，采用電力系統供電方式。本文的監控系統采用TI公司推出ZigBee2007協議作為ZigBee無線網絡協議，GPRS模塊支持TCP/IP協議，修改遠程計算機IP地址即可直接與GPRS模塊通信，上位機采用VC6.0/MFC配合ACCESS數據庫組建人機界面。ZigBee技術和GPRS技術兩者優勢互補，前者短距離無線傳感網絡配合后者遠程傳播完成箱式變電站遠程監控系統通信。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure

2 系統硬件設計

2.1 ZigBee無線傳感器局域網

ZigBee無線傳感器局域網主要有各網絡節點電路、信號各采樣電路。網絡節點硬件電路選用TI公司CC2530芯片為核心，它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。ZigBee網絡節點硬件結構圖如圖2所示。

圖2 ZigBee網絡節點硬件結構圖Fig.2 Block diagram of ZigBee networking node

CC2530基本外圍電路主要由晶振電路、復位電路、電源電路和天線電路構成。每個網絡節點有32 MHz振蕩器和可選的32.768 kHz晶振，后者用于要求低的睡眠電流消耗和精確喚醒時間的應用。天線電路RF匹配網絡部分采用巴倫電路優化，復位電路采用簡單的RC電路構成，即可手動控制系統復位。當需復位時，按下S鍵，復位電路產生一個低電平，傳送至CC2530RESET口，使其重新啟動。

本文中不同功能的ZigBee網絡節點在硬件結構略有不同。ZigBee網絡終端節點平時處于休眠狀態，當睡眠定時器產生中斷時喚醒設備，因此采用紐扣電池經穩壓電路方式供電。由于ZigBee網絡協調器節點一直處在工作狀態，因此需要穩定的電壓供電，在低壓室采用電力系統降壓穩壓至3 V的方式供電。ZigBee協調器節點還需增加串口電路以方便其與網關微處理器連接交換數據，低壓室監測低壓進線參量的ZigBee網絡終端節點需要增加RS485串口電路以接收多功能儀表檢測的數據。

2.1.1 高壓室監測設計

高壓室的開關量狀態監測對象有高壓斷路器、高壓負荷開關、繞組、母線風機開關和各繼電保護。由于高壓室采用SF6高壓斷路器和SF6高壓負荷開關，用SF6氣體傳感器檢測SF6氣體泄露情況來反應開關量的狀態，輸出0～4 V的直流電壓信號，經過信號處理電路后送至CC2530 IO口。高壓室內對繞組和母線進行散熱的風機開關的監測，去抖后經過光電隔離電路，消除高壓對開關量信號的影響后由采樣電路檢測。

高壓室母線和繞組的溫度監測采用pt100插入式溫度傳感器，棒狀傳感器端插入線圈，信號輸出端與CC2530ADC口相連處理AD信號。高壓進線電壓電流經電壓變送器將電壓信號傳送至CC2530ADC電路進行處理；直流儲能電機電流通過電壓檢測電路將AD直流信號傳送至ADC電路；高壓室絕緣套管泄露電流信號檢測通過A2漏電流傳感器將信號傳遞至CC2530的IO口。

2.1.2 變壓器室監測設計

變壓器室監測對象為室內溫度、變壓器室用風機開關狀態和各繼電保護的開關狀態。變壓器室內溫度檢測選用DS18B20溫度傳感器，直接焊接在CC2530模塊檢測環境溫度，通過IO口上傳。高壓室繼電保護裝置有過電流保護、過負荷保護和單相接地保護；變壓器室繼電保護裝置有瓦斯保護、零序電流保護、過勵磁保護、差動保護過電流保護、過負荷保護；低壓室繼電保護裝置有電流保護、橫聯差動保護。本文通過霍爾傳感器，檢測裝置分合閘處線圈電流判斷繼電保護裝置狀態。

2.1.3 低壓室監測設計

低壓室主要監測對象為進線回路電參量（進線電流電壓、出線電流電壓、用功、無功等），文章采用多功能儀表，支持數字接口RS-485，通過串口電路轉換成TTL電平，接入IO口。低壓熔斷器、無功補償投切開關通過開關檢測電路將信號傳送至CC2530的IO口。饋線回路漏電經過電流互感器后，采用漏電流互感器檢測漏電流大小。

2.2 ZigBee-GPRS網關硬件設計

ZigBee無線傳感器網絡節點分為協調器節點、路由器節點和終端節點。終端節點與各傳感器通信；路由器節點在無線網絡起中轉站作用；協調器節點負責啟動網絡和收集所有信息。ZigBee-GPRS網關是基于ZigBee協調器節點與GPRS模塊的數據處理模塊。其網關硬件結構圖如圖3所示，數據處理微處理器選擇TI公司以ARM Contex-M3為核心的LM3S9B96。

3 系統軟件設計

3.1 ZigBee無線局域網軟件設計

ZigBee網絡流程圖如圖3所示，本文采用星狀網絡拓撲結構，網絡由一個ZigBee協調器節點，其他網絡終端節點構成。在系統初始化后，啟動協調器節點首先進行應用層任務初始化，調用SAPI_Init函數，調用SAPI_ProcessEvent進入查詢事件后，當確定啟動協調節點后，StartOption默認值被更改并保存至NV層，調用zb_StartRequest啟動網絡。進入網絡初始化任務ZDO_NETWORK_INIT，最終調用 ZDO_StartDevice。ZDO_StartDevice函數調用了 NLME_NetworkFormationRequest、NLME_Network DiscoveryRequest和NLME_OrphanJoinRequest函數，根據不同的設備類型做相應的工作。建立好后通過ZDO_NetworkFormationConfirmCB函數對ZDO層反饋信息。設置zb_AllowBind，使得協調器節點允許綁定。協調器節點形成網絡后，若有其他網絡終端節點啟動，根據自身設備類型，同樣調用ZDO_Start-Device申請加入網絡，調用NLME_NetworkDiscoveryRequest函數，若與協調器形成網絡通道匹配，則發現網絡存在調用NLME_OrphanJoinRequest以孤點方式加入網絡。加入成功后調用zb_StartConfirm函數ZDO層得到反饋信息。終端節點向協調器節點通過zb_BindDeviceRequest發起綁定請求，建立綁定后通過函數APSME_BIND.confirm原語返回，通過調用ZDP_NwkAddrReq得到設備目的短地址。協調器和終端節點建立好綁定后，將自動進入數據采集并發送至協調器節點。調用osal_start_timeEX函數，定時發送數據。調用zb_SendDataRequest函數發送信息。協調器節點收到信息后，觸發SYS_EVENT_MSG事件，并調用SAPI_ReceiveDataIndication函數對AF_INCOMING_MSG_CMD信息處理。

圖3 ZigBee網絡流程圖Fig.3 Flowchart of ZigBee networking

3.2 ZigBee-GPRS網關軟件設計

ZigBee網關設計先由ZigBee網絡協調器將傳輸數據至ZigBee無線傳感器網絡的網關的處理器LM3S9B96，用ZigBee協議棧解封裝得到原始數據，在進行處理后再以TCP/IP協議打包后通過UART通信與GPRS模塊連接。為實現系統的監測和控制兩大功能，數據幀結構中的數據信息字段分為方向位、功能類型和數據。其中方向位分為上行和下行兩種，上行傳輸的是監測數據，由ZigBee網絡傳輸到GPRS網絡再至監控中心；下行傳輸的是命令控制，由控制中心傳輸命令到GPRS網絡再至ZigBee網絡最終至具體的控制器上以實現遠程控制功能。

4 遠程監控中心設計

4.1 軟件設計

本文采用VC6.0軟件開發集數據庫系統、信息傳遞、人機界面、實時監測應用程序于一體的遠程監控軟件，實現數據全無線的遠距離傳輸與監控。本文利用MFC AppWizard創建基于MFC的工程。遠程監控軟件主要功能：用戶登陸系統、實時曲線、報表、事件記錄和警報系統。

建立Access數據庫，輸入自定義的登陸信息。新建CloginDlg類，建立對話框作為登陸窗口，連接數據庫，部分程序如：

if（!m_database.IsOpen（））{

if（m_database.Open（_T（"Demo"）））

{m_recordset.m_pDatabase=&m_database；

CString strSQL；

strSQL.Format（"select*from

UserInfo where UserName='%s'and Password='%s'and active_status='Y'"，username，password）；

m_recordset.Open（CRecordset：：forwardOnly，strSQL）；

｝

｝

監控系統用戶管理功能，負責用戶信息的修改，添加以及刪除，分別新建類CPassword、CUserDlg、CUserset對應用戶密碼修改，用戶信息添加修改和用戶信息與數據庫的連接。使用TeeChart控件構建監控系統的實時曲線和歷史曲線功能，在CMainFrame 主 框 架 類 中 OnPrintChart（）、OnCreate（）函數編寫曲線圖程序，ListControl控件構建系統報表功能和事件記錄功能，以報表的形式記錄事件發生。新建類CAlertWnd，構建報警窗口。

圖4 實時曲線界面Fig.4 Interface of real-time curve

4.2 監控系統設計

根據實際要求設置警界限，設置各斷路器、負荷開關、繼電保護裝置斷開時發出警報，本文設置三相母線溫度高于60℃發出緊急報警，高壓側進線電流低于30 A警報，低壓側進線高于30 A警報。無線通信選擇2.4 GHz頻段，波特率設為57600。

實時曲線可觀測箱式變電站運行狀況，如圖4所示，1號進線為高壓室線路，進線端為三相正弦交流電，監測其中A相電流。當高壓斷路器“故障”斷開（18：06、18：23左右）電流為0，恢復后仍為交流電。2號線為低壓室線路，出線端電流與負載成比例，選定時間段可放大曲線，圖4中2號線為某部分放大視圖。

監控系統能夠完成日常監控和事故處理異常監控，掌握一次設備、二次繼電保護等的運行情況，及時發現箱式變電站的安全跳閘事故或者其他異常情況，盡快恢復供電。

5 結語

本文在物聯網相關技術的基礎上，提出了物聯網在箱式變電站遠程監控系統中的應用。ZigBee網絡工作頻段為2.4 GHz，用于箱式變電站遠程監控可避免高壓工頻信號的干擾，ZigBee網絡面向短距離通信，GPRS面向長距離通信且需收費。系統通過不同傳感器采集各種類監測量，通過ZigBee網絡通信傳輸，再由GPRS通信，兩者優勢互補，有效地組成無線通信系統。由此，ZigBee技術與GPRS技術的融合在無線通信網絡具有廣闊的應用前景和發展空間。

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