電網參數的無線傳感器網絡監測系統

許世林　王義波　趙昌勇　張兆鵬　劉會鵬

【摘 要】針對電網參數使用有線監測和人工巡檢方法存在的問題，提出了一種基于ZigBee無線傳感器網絡的電網參數監測系統設計，系統通過WSN模塊對電網參數進行采集、處理、無線傳送等操作，得到的電網參數包括電壓、電流、功率、功率因數、電網頻率等，然后把數據無線傳送到異構網絡通信協議融合模塊，經過協議轉換后上傳到Internet上，最終在上位機上顯示，實現電網參數的遠程訪問，實時查詢等功能，本系統具有使用簡單、信息實時、減少對有線網絡的依賴、便于管理等優點。

【關鍵詞】電網參數；WSN模塊；Zigbee；嵌入式微處理器

0 引言

目前我國電網分布較為廣泛，對電網的安全預警和故障診斷成為必要，但電網監測方面仍存在一些問題，傳統的監測數據主要通過有線傳輸方式，但是采用傳統監測方式需要大量通信電纜，且安裝困難，周期長，需要耗費大量資源，目前也缺乏有效的有線監測手段，部分線路還需要人工巡檢，有些輸電線路分布在惡劣的環境中，給工作人員帶來了巨大的不便，若工作人員無法接近輸電線路，則會產生監測盲區，就無法了解輸電線路的工作狀態，不利于電能的傳輸。若能夠實時了解輸電線路的參數，采取相應措施，充分發揮輸電線路的輸電能力，將有利于提高社會的經濟效益。

隨著電力系統的迅速發展，電能監測的重要性日益突顯，通過恰當的監測手段及時了解電網參數，將有助于提高電網的運行能力，隨著傳感器和無線網絡技術的出現和迅猛發展，為電網的無線監測提供了強有力的技術支持，這樣將會有利于解決電網監測方面存在的問題。

1 系統設計的原理

系統有多個WSN模塊，WSN模塊對電網參數進行測量，得到的電網參數包括電壓有效值、電流有效值、電網頻率、諧波、功率因數、功率等，把測量參數處理后通過CC2530傳送到異構網絡通信協議融合模塊，異構網絡通信協議融合模塊是以嵌入式微處理器為中心的網關平臺，通過STM32F103對數據進行處理然后上傳到互聯網上。監控中心通過互聯網下載數據，進行處理、分析，最后在上位機上顯示。系統的整體結構框圖如圖1所示。

2 硬件設計電路介紹

2.1 WSN模塊

2.1.1 Zigbee模塊CC2530

系統設計的數據發送與接收節點均為Zigbee模塊CC2530，通過CC2530組建網絡，使WSN模塊和異構網絡通信協議融合模塊加入網絡，實現數據的無線傳輸與接收，CC2530具有RF收發器的優良性能，集成了增強型的8051CPU，自身帶有射頻功能，它能夠建立強大的網絡節點，支持低功耗、低數據速率，具有很好的抗干擾性能和極高的接收靈敏度，使傳輸數據安全可靠。

2.1.2 電網參數采集模塊

本系統采用電流互感器和分壓式電阻器進行電網參數的采集，電流互感器依據電磁感應原理，將電網中的大電流轉變成小電流進行測量，由分壓式電阻器得到相應的電壓值，然后把數據傳送到數據處理模塊。

2.1.3 數據處理模塊

數據處理模塊首先對模擬信號進行放大、濾波等處理，得到符合要求的電網參數，由時間抽取法的基2FFT分析方法，計算出諧波參數，用二瓦特計法計算出功率參數，通過有功功率和視在功率計算出功率因數，對每相電壓電流信號進行采樣、計算，得到電網頻率。

2.1.4 電源模塊

電源模塊負責給整個節點提供電能，其內部含有低壓差穩壓芯片LM1117，LM1117是一個低壓差三端可調穩壓集成電路，能夠提供穩定電壓，并且提供電流限制和熱保護，確保電源模塊正常工作。

2.2 異構網絡通信協議融合模塊

異構網絡通信協議融合模塊是以嵌入式微處理器為中心的網關平臺，它能夠將Zigbee協議的數據轉化為TCP/IP協議的格式，實現Zigbee協議組成的無線傳感器網絡的數據在互聯網上的遠程訪問、實時查詢等功能，由Zigbee協調器接收WSN模塊傳送的數據，通過SPI串行外設接口傳送到STM32F103中，通過微處理器對數據進行處理，完成協議轉換，處理好的數據存放在FLASH中，并通過GPRS上傳到Internet，由JTAG對芯片進行在線編程和調試，提高程序開發的效率。

2.3 監控中心

監控中心監控整個區域內電網的參數，由Internet接收網關發送的數據，在信息平臺上進行處理、分析、比較，最終在上位機上顯示。

3 軟件設計部分

該系統軟件主要有WSN模塊電網參數采集處理與發送程序、異構網絡通信協議融合模塊數據的接收處理與發送程序。

WSN模塊電網參數采集處理與發送程序流程：系統上電啟動，然后硬件初始化、軟件系統初始化，請求CC2530加入網絡，CC2530進入低功耗模式，采集節點調度任務產生定時器中斷，CC2530退出低功耗模式，傳感器開始采集電網參數，接著進行數據的記錄、處理、傳輸，關閉傳感器，CC2530再次進入低功耗模式。

異構網絡通信協議融合模塊數據的接收處理與發送程序流程：首先系統初始化，CC2530協議棧初始化，檢測到有信號輸入，允許WSN模塊的CC2530加入網絡，接收數據并進行協議轉換，最后傳送到監測中心。

4 結語

本文設計了基于Zigbee電網參數的無線傳感器網絡監測系統，該系統實現了電網參數的無線傳送，解決了有線監測和人工巡檢存在的問題，有利于提高電能的輸送和利用，通過無線傳感器網絡與Internet、GPRS等類型網絡協議棧的對接與融合，實現了各模塊間的通信，同時還具有網絡規模大、監測節點多、可擴展性強、系統升級和改造容易等特點，在電網監測方面有較好的應用前景。

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[責任編輯：田吉捷]