一種電能質量監測儀的設計

李芳芳

【摘 要】市場上現有的電能質量監測儀，布線復雜龐大，對于地理環境復雜的地區存在諸多附加的安裝問題，基于現存的問題，本文提出了一種基于ZigBee（紫蜂協議）無線通信技術的便攜式電能質量監測儀的設計方案。系統包括以CC2530芯片為核心的監測節點以及以S3C2410為核心設計的本地監控中心的軟、硬件的架構，該系統能夠對電網中各監測點進行遠程的電能質量監測，避免了地理環境惡劣等情況帶來的布線復雜問題，擴充了電能質量監測的范圍。

【關鍵詞】無線傳感網絡；電能質量；監測系統；ZigBee

一、引言

隨著我國電力部門設施的逐步完善和改革，電能質量的指標成為電力部門和用戶關注的重要的信息。電流波形經過一些電子設備的整流、變流電路，調壓、調頻等電子芯片導致電流波形畸變嚴重，這些諧波電流流入公用電網，嚴重地影響電能質量，產生了電網公害，對電網正常運行產生了干擾。為了保證電網正常的運行，需要對電網的電能質量進行實時有效的監測與評估，為之后的調整改善電能質量工作提供有效的依據。無線傳感網絡的出現避免了有線網絡布線復雜龐大的問題，組網靈活性強，只需在電力監測區域合理放置無線傳感器節點，即可監測電力運行狀態，省去了布線環節，節約了大量的成本和人力。本文在運用無線傳感網絡的基礎上，提出了一種基于ZigBee技術的電能質量監測方案，實現了監控中心遠程地對監測節點電能質量實時、準確的監測，為電力系統的集中管理、維護和檢修提供依據，具有一定的實用價值。

二、Zigbee技術簡介

ZigBee建立在802.15.4標準之上的一種協議，是IEEE無線個人區域網（Personal Area Network，PAN）工作組的一項標準。數據傳輸速率只有10k字節/秒到250k字節/秒；功耗低，無需充電和頻繁更換電池；成本低，由于Zigbee數據傳輸速率低，協議簡單，且Zigbee協議免收專利費，所以大大降低了成本。

三、監測節點與路由節點設計

監測節點和路由節點設計監測節點的功能是完成電力參數的采集，去噪及融合處理，通過ZigBee技術將數據發送到本地監控中心，并根據本地監控中心發送的命令，設置相應的工作模式。為了提高節點電路的可靠性、降低節點電路設計的成本，同時，鑒于 CC2530 內部集成了增強型 51 微控制器、8 路 14 bit A/D、128 KB 可編程閃存和8 KB的 RAM，設計時以 CC2530 為中心，輔助簡單外圍電路來完成監測節點的設計，如圖 1 所示。監測節點以每個工頻周期采樣 256 個點的采樣周期，不間斷地對監測點的電力參數進行采集。

由于監測節點采用接觸式的方式對電能質量參數進行監測，節點可以安裝在電力設備附近，監測節點的電源模塊是基于電磁感應原理設計而成的，采用在電力設備電源進線端套接取能線圈的方式，將導線電磁能量轉換到二次側取電能，并通過整流濾波、保護等環節實現隔離式供電，解決了WSNs（ wireless sensor networks）網絡中節點能量有限的問題。路由節點僅需實現數據的無線發射與接收，無需進行模擬量的采集和處理，采用電池供電的供電方式。

四、監控中心設計

監控中心包括本地監控中心和遠程監控中心。本地監控中心接收 WSNs中所有節點的數據，通過小波變換和支持向量機，對檢測節點的電能質量擾動進行識別，并對檢測節點的數據進行存儲，實現遠程監控中心對各檢測節點電能質量的監測。考慮到大容量數據存儲和小波變換、支持向量機實現的復雜性，選擇 ARM9 系列微控制器 S3C2410 進行本地監控中心系統的設計；通過自帶的 2 路串口，實現 CC2530 模塊和 GPRS 模塊的擴展；通過 SPI 接口，實現 SD 卡的擴展；通過GPIO 擴展液晶顯示電路，用以顯示網絡中各節點的電能質量狀態，具體設計電路如圖 2 所示。遠程監控中心通過 GPRS 技術，接收各 WSNs本地監控中心的數據，通過串口與 PC 機連接。借助于上位機軟件的應用，在 PC 機上將中心控制的各 WSNs 中檢測節點的電能質量狀態實時動態顯示出來，實現工作人員對電網各區域電能質量的監控，提高控制中心的分析能力、決策能力和智能化水平，為電力的合理分配和電力系統的繼電保護提供一個實時依據。

上位機軟件生成exe可執行文件運行后對電能質量監測的實時顯示如圖3。

五、結語

本文在對現有的電網電能質量監測儀進行了分析比較，選擇了CC2530無線芯片和ARM9系列微控制器S3C2410，通過ZigBee網絡和傳感器的搭配使用，有效地降低電能質量監測過程中布線繁瑣程度，靈活應用于復雜的地理環境中，選擇的芯片具有功耗低成本低的特點，經過多組測試可以保證無線網絡監測模塊性能穩定，且在多次改進后監測中心軟件功能基本完善，達到了測量精確且經濟實用的目的。

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