35 kV風電場電源開關自愈系統設計

狄巨星，賈玉貴，楊　陽，付江龍

(1.河北建筑工程學院信息工程學院，河北張家口075024；2.河北建筑工程學院能源與環境工程學院，河北張家口075024)

35 kV風電場電源開關自愈系統設計

狄巨星1，賈玉貴2，楊陽1，付江龍1

(1.河北建筑工程學院信息工程學院，河北張家口075024；2.河北建筑工程學院能源與環境工程學院，河北張家口075024)

針對風電場的智能化建設，設計了一個用于風電場35 kV變電站溫度感應電源自動閉合及遠程數據監控的系統。系統選用C8051F124單片機作為MCU，CC2530作為無線通信模塊，用繼電器作為控制電路核心控制電源的自動閉合，并對電源產生電路進行了功耗分析。對于軟件實現提出了基于令牌的動態區域首領節點選擇策略，該算法在一定程度上平衡了節點負載信息的傳輸量。

電源控制；遠程監控；繼電器；ZigBee技術；負載均衡

風能是可再生環保能源，近些年得到廣泛使用，風電場的智能化建設也成為風電技術的重要發展方向。本文針對華北地區風電場35 kV變電站電源，基于ZigBee技術和無線傳感器網絡設計了一個智能化電源控制系統。主要實現當變電站局域溫度超過門限值時實現開關柜中對應電源的自動關閉，避免供電設備因溫度太高工作異常，起到保護作用，并且系統可在溫度降低到門限值之下時控制電源自動打開，實現電源智能“自愈”功能。此外，該系統可將變電站電源系統的電壓、電流和溫度等參數傳給遠程PC端進行實時監控。

1　系統結構和功能

1.1電源控制系統結構架構

風電場35 kV變電站電源自動閉合控制系統如圖1所示，系統利用ZigBee技術在變電站開關柜控制的區域搭建基于星型的ZigBee無線傳感器網絡。在每個電源控制的局部區域放置一個ZigBee終端設備，在電源開關柜附近放置一個ZigBee協調設備。ZigBee終端節點和協調器通過無線自組織方式構成一個無線傳感器網絡[1]。ZigBee終端設備主要負責將采集的溫度數據發送給網絡協調器，放置于開關柜的協調器主要負責對溫度數據進行處理，并根據電源自動閉合的溫度門限要求對相應的電源進行控制。

圖1　35 kV風電場電源自動閉合控制系統

1.2變電站監控系統網絡結構

由于變電站的強輻射性及低安全性，變電站監控系統為工作人員提供了遠程監控變電站實時數據的功能。監控系統網絡結構如圖2所示，ZigBee終端設備將供電區域采集到的電壓、電流以及溫度數據發送給網絡協調器，網絡協調器將數據發往網關，網關主要作用是通過Internet或者移動網絡與遠程監控端進行通信[2]，將變電站現場數據實時顯示給工作人員，并在相關數據高于一定門限值時發出報警信息。

圖2　變電站監控系統網絡結構

2　電源控制系統硬件設計及軟件設計

2.1ZigBee協調節點硬件結構及選型

ZigBee協調節點硬件結構圖如圖3所示，主要包括電壓、電流和溫度傳感器模塊負責采集數據；微處理器作為系統的主控單元通過I/O口向控制電路發送高低電平從而通過繼電器電路控制電源開關，繼電器電路可關閉和打開負載設備和電源之間的連接[3]，從而保護后臺設備，蜂鳴器在溫度過高時發出報警鳴聲；無線射頻模塊主要將監控數據發送到匯聚節點，并通過網絡發送到監控端。ZigBee協調節點安裝在變電站開關柜附近來控制各個供電區域的電源開關的自動閉合。

圖3　ZigBee協調節點硬件結構圖

2.1.1控制電路優化

為保持系統的穩定運行，各節點采用單獨直流供電，這要求對系統的節能部分進行優化。系統采用MOS管Dickson倍壓電路作為電源產生電路，對倍壓電路進行了優化。

系統電源電路的總功耗為兩個MOS管亞閾值工作區的功耗、強反型區的功耗和MOS管泄漏電流的功耗。

優化后可忽略兩個MOS管亞閾值工作區的功耗損失，則：

2.1.2微處理器模塊

該系統微處理器選擇Silicon Labs公司的C8051F124單片機作為主控單元，該單片機體積小便于封裝，具有50 MIPS的CPU，12位的ADC，片內集成JTAG，支持單步運行等調試功能，可通過仿真器連接到終端，為在線調試提供便利。

微處理器模塊是ZigBee協調節點的核心模塊，主要負責對終端節點采集的數據進行計算處理，并通過I/O接口向控制電路發送命令。

2.1.3ZigBee無線通信模塊

該模塊選用 TI公司的基于 IEEE802.15.4標準的CC2530芯片，低功耗、RF收發器支持2.4 GHz免授權頻段的16個信道、支持CSMA/CA機制、具有與8051完全兼容的指令內核，可降低微處理器的工作負擔、采用3線SPI接口，我們設計的系統通過SPI接口與微處理器進行數據傳輸。相比于CC2430，CC2530在能耗、功能、封裝尺寸以及RF性能等方面都有了顯著改善。

2.2ZigBee終端節點硬件結構

該系統的傳感器節點有ZigBee協調節點和ZigBee終端節點兩類。ZigBee終端節點主要通過使用電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器負責電壓、電流以及溫度數據的采集，并通過無線通信模塊將數據發送給ZigBee協調節點。所以該節點相對于ZigBee協調節點結構得以簡化，不需要MCU進行數據處理。利用CC2530內置ADC進行模數轉換，RF模塊基于ZigBee底層協議進行調制后，經外置天線發送給ZigBee協調節點，其硬件結構圖4所示。

圖4　ZigBee終端節點硬件結構圖

2.3系統軟件設計

ZigBee協調節點主要有三個作用，首先作為協調器負責WSN網絡的建立；其次作為路由節點和網關進行數據通信，將變電站的實時數據發送給網關；再次將用戶的溫度調節數據發送給MCU，經MCU處理后對電源開關柜的相應開關進行自動閉合的控制。ZigBee協調節點的工作處理流程圖如圖5所示。

對于協調器節點的選擇，我們提出了基于令牌的動態區域首領節點選擇策略，設定一個閾值pn，其中T為本節點距上次首領節點的跳數，N表示該節點擁有令牌的次數，n表示本網絡內節點數。pn最大的節點將獲得令牌，成為下一個區域首領節點。該算法在一定程度上平衡了節點負載信息的傳輸量[5]。

圖5　ZigBee協調節點軟件流程圖

3　結語

綜上所述，本文設計的用于風電場35 kV變電站電源自愈系統主要有兩個功能：一是通過溫度感應實現電源開關的自動閉合，二是實現遠程實時數據監控。該系統選用C8051F124單片機作為MCU，CC2530作為無線通信模塊，用繼電器作為控制電路核心控制電源的自動閉合，并對電源產生電路進行了功耗分析。對于軟件實現協調器節點的選擇提出了基于令牌的動態區域首領節點選擇策略。系統實現簡單，硬件成本較低，可提升變電站運行效率，實現變電站開關控制的智能化。

[1]杜朝軍，劉惠，劉傳益，等.ZigBee技術原理與實戰[M].北京:機械工業出版社，2015:23-25.

[2]章偉聰，俞新武，李衷成.基于CC2530及ZigBee協議棧設計無線網絡傳感器節點[J].計算機系統應用，2011，20(7):184-187.

[3]張天偉，馬存寶，宋東，等.一種新的航空電源監控電路設計[J].儀器儀表學報，2002，23(z1):105-106.

[4]狄巨星，趙建光，范晶晶，等.車輛管理RFID標簽電源低功耗研究[J].電源技術，2013，37(7):1233-1234.

[5]張振川，張新秀.基于負載均衡的無線傳感器網絡路由算法[J].東北大學學報，2010，31(10):1385-1388.

Design of power switch self-healing system for 35 kV wind farm

DI Ju-xing1，JIA Yu-gui2，YANG Yang1，FU Jiang-long1
(1.School of Information Engineering，Hebei University of Architecture，Zhangjiakou Hebei 075024，China; 2.School of Energy and Environmental Engineering，Hebei University of Architecture，Zhangjiakou Hebei 075024，China)

Aiming at the intelligent construction of wind farm，a power switch self-healing system was designed for 35 kV wind farm， which could also be used for remote data monitoring.C8051F124 SCM was chosen as MCU，CC2530 as wireless communication module and electric relay as the core module to control the circuit.In addition，the power consumption of the power generation circuit was analyzed， and a dynamic region leader node selection strategy based on token was put forward，which balanced the transmission capacity of node load information.

power switch control;remote monitoring;electric relay;ZigBee technology;load balance

TM 614

A

1002-087 X(2016)10-2020-03

2016-08-11

2013年度校基金重點項目(Z-201318)；河北省教育廳青年基金項目(QN20131148)

狄巨星(1971—)，男，河北省人，工程碩士，教授，主要研究方向為計算機應用、工業過程控制、嵌入式系統開發。

賈玉貴(1973—)，男，河北省人，副教授，碩士，主要研究方向為建筑節能與能源綜合利用。