應(yīng)用于變電站工況信息監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

李建強

（大唐三門峽電力有限責(zé)任公司，河南 三門峽 472143）

應(yīng)用于變電站工況信息監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

李建強

（大唐三門峽電力有限責(zé)任公司，河南 三門峽 472143）

為監(jiān)測變電站工況環(huán)境，保障電力設(shè)備安全運行，同時改善傳統(tǒng)監(jiān)控方式施工繁瑣、成本高等缺陷，本文提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的變電站溫濕度等環(huán)境信息的監(jiān)測方法。采用TI公司的16位處理器MSP430F149和CC1100射頻模塊，借助SHT10溫濕度一體傳感器，基于SimpiliciTI協(xié)議設(shè)計433MHz頻段的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。試驗表明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離及數(shù)據(jù)丟包率均滿足監(jiān)測需要，效果良好。

變電站；環(huán)境監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

變電站作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其運行可靠性直接影響著電力的穩(wěn)定可靠供給［1-3］。工況環(huán)境的實時監(jiān)測，是監(jiān)管與預(yù)防變電站災(zāi)難發(fā)生的一個重要途徑。傳統(tǒng)的變電站工況環(huán)境監(jiān)測多以有線方式進行，這種方式不但成本高，戶外施工繁瑣，工作量大，而且數(shù)據(jù)線路易老化而影響信息監(jiān)測。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的加快，越來越多的科研單位在該領(lǐng)域展開了研究［4-7］。趙龍等［8］對GSM通信在配變電監(jiān)測中的應(yīng)用進行了相關(guān)實踐研究；于朝輝等［9］借助無線公用網(wǎng)絡(luò)通信，配合計算機系統(tǒng)組建了居民區(qū)變電站環(huán)境信息的采集與存儲，完成對變電站運行環(huán)境的監(jiān)控。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）技術(shù)憑借無線、低功耗、自組網(wǎng)、應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點，也越來越多地被應(yīng)用于電力系統(tǒng)的信息傳輸與監(jiān)測［10-12］。本文基于433MHz ISM頻段，結(jié)合嵌入式及傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，研制了應(yīng)用于變電站溫濕度及露點信息監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并進對網(wǎng)絡(luò)通信性能進行試驗研究分析。

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)采用自主設(shè)計的軟硬件方案，組建一個基于433MHz的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并借助各種傳感器對變電站的環(huán)境信息進行分布式采集，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)

環(huán)境信息監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由環(huán)境信息采集節(jié)點和信息匯聚網(wǎng)關(guān)兩部分組成，系統(tǒng)運行后，信息匯聚節(jié)點發(fā)起并組建網(wǎng)絡(luò)，并為入網(wǎng)的采集節(jié)點分配唯一的網(wǎng)絡(luò)ID；采集節(jié)點融合了溫濕度傳感器，并可計算露點信息，當(dāng)監(jiān)聽到網(wǎng)關(guān)下達的“采集”命令，立即進行相應(yīng)環(huán)境信息的采集，并自尋路徑完成向匯聚網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；匯聚網(wǎng)關(guān)集成了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換模塊，為實現(xiàn)局域網(wǎng)或Internet接入提供接口。

2 硬件

2.1 采集節(jié)點

環(huán)境信息采集節(jié)點以TI公司的16位FLASH型混合信號處理器MSP430F149為核心，包括射頻模塊、電源模塊、JTAG模塊、傳感器模塊，節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中，射頻模塊采用TI公司基于IEEE 802.15.4標(biāo)準開發(fā)的CC1100芯片設(shè)計的433MHz射頻電路，該模塊經(jīng)4線SPI兼容接口（SI、SO、SCLK、CSn）與MCU連接，支持多種調(diào)制格式（MSK、ASK、FSK等）和傳輸速率配置（傳輸速率范圍0.6～500kb/s），結(jié)合跳頻通信技術(shù)實現(xiàn)短距離無線通信。

采用4線制IIC接口的二合一Sensirion溫濕度傳感器——SHT10進行溫濕度采集。應(yīng)用了工業(yè)CMOS過程微加工技術(shù)，由電容式聚合體測濕元件、能隙式測溫元件、A/D轉(zhuǎn)換器和一個串行接口電路組成。SHT10采用典型工作電壓3.3V DC供電，SCK引腳用于與MCU的通訊同步，DATA引腳采用10K電阻上拉，向MCU輸出溫濕度數(shù)據(jù)。每次采樣傳感器內(nèi)部均對數(shù)字信號進行校準而后輸出，具有快速響應(yīng)、抗干擾能力強等優(yōu)點，性能指標(biāo)見表1。

節(jié)點電路采用雙層電路板設(shè)計，傳感器經(jīng)信號線引出，便于安裝測量。

表1 SHT10參數(shù)

2.2 匯聚網(wǎng)關(guān)

匯聚網(wǎng)關(guān)采用與節(jié)點同構(gòu)設(shè)計的原則，為實現(xiàn)與遠程監(jiān)控系統(tǒng)的通信，在節(jié)點硬件基礎(chǔ)上擴展了通信功能模塊。為支持以太網(wǎng)通信，通信功能模塊采用了串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換模塊。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換模塊組成如圖3所示。

圖3 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換模塊示意圖

LPC1114為NXP公司基于Cortex-M0內(nèi)核的微控制器，是連接RS232串口與網(wǎng)口芯片ENC28J60的中間環(huán)節(jié)，ENC28J60支持輕量級的TCP/IP通信協(xié)議——uIP協(xié)議，通過SPI接口與LPC1114進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信，ENC28J60性能指標(biāo)如表2所示。

此外，該芯片的TTL電平類型能夠直接與LPC1114兼容，最高速度能夠達到10MB/s。

3 軟件

3.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議移植

常用的低功耗無線通信協(xié)議有藍牙、Wi-Fi、ZigBee等，本研究采用TI公司推出的SimpliciTI通信協(xié)議，在設(shè)計的硬件基礎(chǔ)上創(chuàng)建433MHz的傳感器網(wǎng)絡(luò)，相較于Zig-Bee等2.4GHz頻段有更好的穿透性，傳輸距離更遠。SimpliciTI協(xié)議棧包括BSP層、MRFI層、NWK層和NWK Appication層，協(xié)議棧架構(gòu)如圖4所示。SimpliciTI移植采用IAR 5.3開發(fā)環(huán)境，主要接口如表3所示。

圖4 SimpliciTI協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

表3 主要接口說明

表2 ENC28J60特性

采用IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境，完成SimpliciTI協(xié)議棧在MSP430F149上的移植。

3.2 溫濕度采集

SHT10傳感器具備溫度及濕度采集功能，并可根據(jù)采集的溫度及濕度值，實時計算空氣露點，溫度及濕度采集表達式如式（1）和（2）所示：

式（1）（2）中，T為溫度值，RH為濕度值，DT和DRH分別為傳感器輸出的溫、濕度數(shù)字量，d1和d2是分別與電源電壓和所采用的分辨率相關(guān)的參數(shù)，m1、m2和m3為與分辨率相關(guān)的參數(shù)。由于選用的3.3VDC供電電源及12bit采樣精度，參照官方手冊，相關(guān)參數(shù)設(shè)定如表4所示。

表4 SHT10參數(shù)值列表

露點Dp通過T和RH計算得到，計算公式如下：

3.3 軟件流程

調(diào)用SimpliciTI協(xié)議接口，對采集節(jié)點和匯聚網(wǎng)關(guān)進行軟件實現(xiàn)。設(shè)計流程如圖5所示。

系統(tǒng)上電完成時鐘、硬件初始化后，匯聚網(wǎng)關(guān)即發(fā)起無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立，各節(jié)點初始化完成后，即開始向匯聚網(wǎng)關(guān)（協(xié)調(diào)器）請求建立鏈接，當(dāng)網(wǎng)關(guān)偵聽到節(jié)點的請求入網(wǎng)命令后，便為每個節(jié)點分配一個地址唯一的網(wǎng)絡(luò)ID，并告知節(jié)點入網(wǎng)成功；設(shè)計的采集節(jié)點為被動響應(yīng)類型，當(dāng)匯聚網(wǎng)關(guān)接收到遠程上位機的信息采集命令時，即將該命令向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)點收到命令后隨即進行溫濕度數(shù)據(jù)采集和露點的計算，然后再通過無線的方式轉(zhuǎn)發(fā)至匯聚網(wǎng)關(guān)；匯聚網(wǎng)關(guān)收到節(jié)點數(shù)據(jù)后，則通過串口轉(zhuǎn)發(fā)出去，經(jīng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模塊轉(zhuǎn)發(fā)給遠程上位機。

4 試驗及結(jié)論

整合設(shè)計的軟硬件，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行傳輸距離測試及通信質(zhì)量測試，試驗方案如下：在10kV變電站附近，取節(jié)點與網(wǎng)關(guān)各一個，設(shè)定節(jié)點與網(wǎng)關(guān)相距200m且視距無障礙，天線距地面高度2m，發(fā)射功率0dBm，天線增益5dB，網(wǎng)關(guān)采用RS232與PC連接，通過串口調(diào)試助手周期發(fā)送100次1個字節(jié)的采集命令，節(jié)點返回數(shù)據(jù)格式“T025.00H010.00P-08.69”共21個字節(jié)。接收數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示：有效數(shù)據(jù)100組，計2 100字節(jié)，有效字節(jié)數(shù)2 100，丟包率及錯誤率均為0%，具有良好的通信性能，適用于變電站環(huán)境信息監(jiān)測。

圖5 軟件流程圖

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Design of Wireless Sensor Network Applied in Substation Condition Monitoring

Li Jianqiang
（Datang Sanmenxia Power Co.,Ltd.，Sanmenxia Henan 472143）

In order to monitor the working conditions of substations,to guarantee the safe operation of power equipment,and to improve the traditional monitoring system construction complex and high cost,this paper presented the monitoring method of wireless sensor network technology in substation based on the information of temperature and humidity environment.Using TI's 16 bit MSP430F149 processor and RF module CC1100,with SHT10 temperature and humidity sensor,this paper designed 433MHz band wireless sensor network based on the SimpiliciTI protocol,to monitor temperature,humidity and dew point information of substation operation condition.The experimental results show that the transmission distance and the packet loss rate of wireless sensor network can meet the monitoring needs.

substation；environmental monitoring；wireless sensor network

TM764

A

1003-5168（2017）05-0021-03

2017-04-21

李建強（1983-），男，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)自動化及保護。