基于ZigBee的變電站監測數據采集系統

楊波 鄔軍軍 趙德基 高玉寶

摘要：變電站監測數據有利于運檢人員及時了解變電站運行狀況，因為變電站監測數據具有重要價值，變電站數據采集的智能化是智能電網重要基礎。隨著無線技術的發展，變電站監測數據智能采集在電力行業被廣泛的應用，其中基于藍牙、無線WIFI傳輸技術最具有代表性，但是功耗很大，一般需要外接電源，造成電力資源的浪費，成本比較高，并且存在不安全因素。本系統依托ZigBee無線傳輸技術，設計一種基于FPGA的變電站開關柜電能ZigBee數據采集系統，系統主要包括基于FPGA的采集終端、ZigBee傳輸網絡和數據中心上位，為用戶提供了一種低成本、高性能的變電站在線監測方式。

關鍵詞：監測數據；ZigBee；變電站開關柜；采集終端；上位機

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0140-03

1 技術介紹

1.1 ZigBee技術

ZigBee是一種新型的局域網協議，相對于藍牙和無線WIFI無線通訊方式來說。功耗低和短距離通訊是ZigBee最大的特點。在國際上，ZigBee已經被納入了國際標準規定。目前在國內正在逐步普及，比如自動化控制和遠程控制等。其中應用場合可以是不同類型的設備，總之，ZigBee是一種功耗低、近距離、便宜的無線通訊技術以及無線網絡協議。

根據IEEE802.15.4標準，ZigBee作為一種網絡協議，也具有層次結構，由下往上依次為物理層、控制場、傳輸層、網絡層和應用層。

1.2 SOPC技術

SOPC全稱為“System-on-a-Programmable-Chip”，意思為“可編程片上系統”，將處理器、輸入/輸出口、存儲器以及需要的功能模塊集成到一個片上，從而實現一個可編程的片上系統。SOPC技術是基于FPGA解決方案的SOC片上系統設計技術，是計算機應用技術發展的重要成果，同時也是處理器應用的重要研究和發展方向。

SOPC結合了FPAG、PLD所有的優點，主要特征如下：

（1）至少需要一個處理器內核；（2）容量小片內具有高速RAM資源；（3）豐富的資源可供選擇；（4）片上足夠可編程邏輯資源；（5）功耗低以及單一芯片。

1.3 系統架構

系統架構圖如圖1所示。

系統利用采集終端采集變電站開關柜的設備運行參數，通過ZigBee無線通訊網絡將設備運行參數上送到上位機，上位機對上送的數據進行分析和處理，根據不同的數據類型格式，進行數據存儲。

1.4 采集終端架構

采用FPGA芯片和SOPC技術構建數據采集終端的控制單元；利用ZigBee無線通訊網絡來上送終端采集的數據。其中數據采集終端的設計是主要核心單元，如圖2所示。

電流互感器的信號通過信號調理模塊，進行濾波和放大，之后通過AD接收；信號調理模塊將數據轉換后的信息通過FPGA做數據分析和處理，最后把將處理過后的數據信息一臺依托ZigBee無線通訊網絡上送到遠端數據中心。

2 模塊設計

2.1 基于SOPC的FPGA模塊結構設計

連接圖如圖3所示。

在一個FPGA芯片上可以集成采集終端的所有模塊，比如定時器模塊等等，模塊之間的數據傳遞通過Avalon作為橋梁來實現的，這種集成的架構方式可以運行在不同類型的系統結構，主要特點是實現將所有數據進行同時處理，不需要等待，所以不會造成數據丟失現象的發生，并且處理的數據量比較大，實現模塊之間數據的正常傳遞。

2.2 信號采集及信號調理模塊

通常互感器輸出的模擬信號（電流或者電壓）是比較微弱的。因此在對輸電線上的設備做監測時，要考慮到運算放大器的質量效果，其中低噪聲和低失調電壓是兩個中重要因素。因此系統選擇INA337來做數據調理的運算放大器，原因在于功耗低以及失調電壓較小。R4是決定芯片的輸出電壓（UMAX）。如圖4所示。

2.3 AD轉換模塊

轉換模塊是數據采集的核心技術，其芯片的設計是否合理是關系到系統是否能達到應用要求的關鍵。系統采用AD7656作為模數轉換模塊的芯片。可以滿足高分辨率、多通道、高轉換速率和功耗低的要求，主要應用于電力監控系統和控制系統。

2.4 ZigBee無線模塊

CC253芯片沿用了CC2430芯片構架，主要在于它可以以低成本的材料來建立和健全高科技的網絡節點，主要將優良性能的收發器RF、具有增強型的8051內核、系統自帶編程閃存以及其它的功能。同時還具有多種類型的運行模式以及功耗低的性能。同時為了提高了網絡中協調器和路由器節點無線傳輸模塊的性能，采用CC2530和CC2591兩個芯片結合起來的芯片組來延長ZigBee無線通訊的距離。

3 軟件設計

3.1 基于Nios軟核的控制流程設計

具體流程設計如圖5所示。

初始化主要針對與系統的控制器以及其它輔助設備的操作，根據設備信號中斷情況來判斷下一步流程走向，如果信號中斷，則整個流程結束。如果信號沒有中斷，則繼續走模塊流程，如果是開關量控制模塊，則整個流程結束，反之走其它模塊進行信號的逐一模塊的處理和分析。最終依托ZigBee技術將處理和分析的數據上送到數據中心做存儲。

3.2 ZigBee數傳模塊發送數據流程

具體數據流程如圖6所示。

節點上送數據后，數據監測設備和收發器開始數據初始化，首先要確定采集模塊和路由器之間是否通訊。如果通訊，則開始發送數據，反之，采集模塊要重新連接路由器，直到連接成功為止。對于發送的數據也要進行檢查數據是否發送成功，失敗要重新發送，發送正確的數據上送到終端設備，最終有終端設備進行數據的顯示和分析處理。

4 結語

系統依托ZIGBEE無線傳輸技術，設計一種基于FPGA的變電站開關柜電能ZIGBEE數據采集系統，系統主要包括基于FPGA的采集終端、ZIGBEE傳輸網絡和數據中心上位，為用戶提供了一種低成本、高性能的變電站在線監測方式。實現變電站數據采集的智能化，為智能電網的大力建設提供了有力的應用價值。