基于WSN的智能環(huán)網柜綜合檢測系統設計

秦川　關家華　譚家祺　潘景志　劉振祥

【摘 要】環(huán)網柜因為自身全封閉性結構、所安裝的環(huán)境條件惡劣等因素，柜內的一二次電氣設備容易出現凝露或被氧化、或絕緣層易被損壞，從而導致局部放電、漏電現象，嚴重時危及維護人員生命安全。為解決該問題，本文基于無線傳感器網絡設計了一個智能環(huán)網柜綜合檢測系統用以檢測智能環(huán)網柜運行工況并進行安全預警。本次論文以ARM芯片STM32F103為核心，設計了無線傳感器采集單元和中央通信單元，組成無線傳感器網絡。采集單元實時測量開關、電纜、接頭等絕緣電阻量以及電纜溫度、環(huán)網柜環(huán)境溫濕度等模擬量，然后通過無線傳感器網絡將數據信息傳輸到中央通信單元進行數據匯總和數據融合分析，實現故障檢測預判與預警功能。該設計擴展性好，能對環(huán)網柜運行工況進行評價分析，為完善配電環(huán)網柜智能化安全預警開創(chuàng)了新的思路。

【關鍵詞】無線傳感器網絡；環(huán)網柜；故障檢測；安全預警；智能化；

Abstract：Due to factors such as its fully enclosed structure and poor installation environment，the secondary electrical equipment in the cabinet is prone to condensation or oxidation，or the insulation layer is easily damaged，resulting in partial discharge and leakage.In severe cases，the safety of maintenance personnel is endangered.In order to solve this problem，this paper designs a ring main unit integrated detection system based on wireless sensor network to detect the operating conditions of intelligent ring main unit and conduct safety warning.This paper takes the ARM chip STM32F103 as the core，designs the wireless sensor acquisition unit and the central communication unit to form a wireless sensor network.The acquisition unit measures the insulation resistance of switches，cables，connectors，etc.，as well as the cable temperature，the ambient temperature and humidity of the ring main unit，and then transmits the data information to the central communication unit through the wireless sensor network for data aggregation and data fusion analysis to achieve faults.Detection of pre-judgment and early warning functions.The design has good expansibility，can evaluate and analyze the operating conditions of the ring main unit，and opens up new ideas for improving the intelligent security warning of the distribution ring main unit.

Key words：wireless sensor network；RMU；STM32；fault detection；security warning.

引言

隨著我國科學技術的進步，特別電力行業(yè)的迅速發(fā)展，我國的配網自動化逐步由數字化向智能化邁進。在配電自動化建設中，配電環(huán)網開關柜因其結構緊湊、安裝和維護方便、供電運行安全可靠、等優(yōu)點，在發(fā)電、輸電和配電的各環(huán)節(jié)中被廣泛運用。據統計，2010年至今，配電環(huán)網柜的市場需求每年以5%的速度增長。這樣越來越多的環(huán)網柜被應用于配網自動化建設中，環(huán)網柜的運行安全將直接影響用戶供電的可靠性。

目前，環(huán)網柜的配電網自動化功能已經相當全面，并繼續(xù)向著智能化的方向發(fā)展。但是環(huán)網柜對其自身的安全檢測則比較薄弱。環(huán)網柜因為自身全封閉性結構、所安裝的環(huán)境通風或排水條件差等因素，環(huán)網柜內的一二次電氣設備容易出現凝露或被氧化、或絕緣層易被損壞，從而導致局部放電、漏電現象，嚴重時危及維護人員生命安全。為解決該問題并彌補環(huán)網柜對其自身檢測的不足，本文運用無線傳感器網絡技術，設計了一個環(huán)網柜綜合檢測系統用以檢測智能環(huán)網柜運行工況并進行安全預警。

1 系統總體設計

環(huán)網柜室內以無線傳感器網絡為核心，主要包含了無線傳感器采集單元（Sensor）和中央通信單元（Monitor）。采集單元主要對接的是傳感器設備，所以要求擴展性強，可以同時采集多個模擬量和數字量。中央通信單元則主要負責對各個采集單元的數據匯總和數據融合分析，以及對上網絡層的通信。系統的總體結構設計如圖1所示。

系統總體結構主要分為應用層、網絡層和環(huán)網柜室。中央通信單元可以通過無線或者有線的方式接入網絡層，這樣，通信單元必須支持GPRS或者RS232、RS485、CAN、Modbus、以太網等通信方式。

為了對接應用層軟件應用和適應智能化發(fā)展需求，中央通信單元在對上的通信協議上采用電力行業(yè)IEC61850通信協議。一個中央匯集單元可以管理其下多大200多個無線傳感器采集單元。在一個配電室內就可以只用一套這樣的系統采集多個環(huán)網柜的信息，從而節(jié)省了中央通信單元數量。而且在后期進行功能升級的時候，只需要增加單個的采集單元的節(jié)點，便可以擴展功能，為環(huán)網柜的智能化二次開發(fā)降低了難度，節(jié)約了研發(fā)成本。中央通信單元將匯集到的數據可以直接進行融合分析，預判出故障后報警，實現無人值守。也可以將數據上傳至應用層軟件進行專家系統的評估與預警，有效地提高配網事故處理的響應效率，提升配網運維信息化水平和管理智能化水平，為配網的運行、檢修提供重要輔助支撐，為安全生產保駕護航。

2 系統具體實現

系統的實現主要分為兩個方面的設計，一個是系統硬件的設計：包括了傳感器采集單元的硬件設計和中央通信單元的硬件設計，因為其功能不同，故硬件的外圍電路有所區(qū)別，但中央處理器的電路設計則是相同的。綜合考慮功能的復雜性和實用性以及硬件成本，核心處理器采用的是高性能、低成本、低功耗的嵌入式微控處理器STM32F103ZET。另外一個方面則是系統的軟件設計，傳感器單元主要實現的功能是數據信息的采集和無線數據的收發(fā)，而中央通信單元則主要實現無線組網功能、數據信息匯總與分析、網絡層的應用數據信息交互。根據功能設計，采用由簡到難，由整體到局部的設計思路，系統的功能實現步驟如圖2所示，主要分為無線網絡搭建、傳感器單元采集功能實現、中央單元數據匯總與處理、應用層信息交互。

2.1 通信方案設計

無線傳感器網絡是本系統設計的核心，無線傳感器網絡的網絡拓撲結構是組織無線傳感器節(jié)點的組網技術。常用的無線網絡拓撲結構有點對點、星型、環(huán)形、網狀這幾類。由于點對點和環(huán)型結構受限于通信接入數量，在這里不予考慮。星型結構是又稱為集中式網絡，便于集中控制，所有端節(jié)點之間的通信必須經過中心站。由于這一特點，星型結構控制簡單，易于維護。端節(jié)點因為故障而停機時也不會影響其它節(jié)點間的通信。同時星型拓撲結構的網絡延遲時間較小，系統的可靠性較高。但是，本文采用的是系統可靠性更強的MESH網絡，它是一種新型的網狀結構網絡。它的網絡拓撲結構如圖所示。

無線Mesh網絡也稱為“多跳”網絡，它是一種與傳統無線網絡完全不同的新型無線網絡技術。它不依賴于預設的基礎設施，具有可臨時組網、快速展開、無控制中心、抗毀性強等特點。除此之外，無線Mesh網絡還具備的優(yōu)點有：

1、安裝簡單，組網迅速。無線MESH網絡的安裝布置難度低，沒有太多復雜的設置。通過無線方式連接，當第一個終端設備接入設置上網后，其他設備通電即可與最近設備自動組網。

2、覆蓋面大，可擴展性強。無線MESH網絡中，每一個節(jié)點能同時接收和發(fā)送信號，而且很容易增加新的節(jié)點設備來擴大無線網絡的覆蓋范圍和網絡容量。

3、應用行業(yè)廣。無線MESH網絡不僅可用于大部分日常生活室內外場所，例如企業(yè)、校園、酒店、醫(yī)院、住宅等，更重要的是，它還在WIFI等傳統網絡難以適用的場所仍然表現優(yōu)秀，如大型倉庫、港口碼頭、制造業(yè)、工業(yè)生產車間等等。

4、免布線，節(jié)約成本。不需要使用網線，從而可以省去大量布線時間、大大減少組網工作量，節(jié)約材料和人工成本。在制造業(yè)、工業(yè)領域，需要覆蓋大面積開放區(qū)域的應用場景，更適合采用無線MESH網絡。

無線傳感器節(jié)點采用Mesh網絡結構能夠經多跳轉發(fā)，通過基站或匯聚節(jié)點或網關接入網絡，在網絡的任務管理節(jié)點對感應信息進行管理、分類和處理，再把感應信息送給應用用戶使用。選擇高效、實用的無線傳感器網絡結構，為構建高性能的無線傳感器網絡十分重要，因為網絡的拓撲結構嚴重制約無線傳感器網絡通信協議（如MAC協議和路由協議）設計的復雜度和性能的發(fā)揮。

2.2 核心單元設計

本設計采用的核心處理器是高性能、低成本、低功耗的嵌入式微控處理器STM32F103ZET。它是意法半導體公司生產的32位ARM芯片，其內核是Cortex-M3架構，支持嵌入Linux系統進行應用開發(fā)。STM32F103系列微處理器是首款基于ARMv7-M體系結構的32位標準RISC（精簡指令集）處理器，提供很高的代碼效率，在通常8位和16位系統的存儲空間上發(fā)揮了ARM 內核的高性能。該系列微處理器工作頻率為72MHz，內置高達128K 字節(jié)的Flash存儲器和20K 字節(jié)的SRAM，具有豐富的通用I /O 端口。圖4是以STM32F103ZET為CPU核心的最新系統電路原理圖。它主要包括了CPU I/O接口、電源濾波電路、JTAG接口、復位電路、時鐘電路。

2.3采集單元設計

采集單元也可以稱為無線傳感器節(jié)點，主要負責數據信息的采集和與中央通信單元的數據交互。圖5是采集單元的硬件設計示意圖。

本系統中采集單元主要接入的傳感器設備有：水浸傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、電纜絕緣電阻傳感器、開關絕緣電阻傳感器、接頭絕緣電阻傳感器、煙霧傳感器、SF6檢測傳感器、局放電檢測傳感器、紅外傳感器等，另外還要采集開關柜門狀態(tài)、門磁狀態(tài)、地刀狀態(tài)等。傳感器的輸入到電路一般都是標準的1～5V或者4～20mA模擬信號。這就需要對其調理電路對其進行轉換，本設計的模擬信號調理電路入下圖所示

圖6中的第一個OP07運放U1與PNP型三極管以及R2、R5、R7以及R8一起組成了一個有源運算放大器穩(wěn)壓源。U1的同相輸入端是由負電壓12V經過R7與R8進行分壓后提供的，輸入的電壓大小應該為：

反相輸入端則是由4～20mA模擬電流進過R1輸入的。同時運放的輸出端與PNP型三極管相連，主要用于擴展輸出能力，輸出電壓隨著運放同相端的電壓增加而不斷增加，這樣就可以通過調節(jié)R2和R7的阻值從而控制輸入到U2同相端的參考電壓恒定不變。R1是一個I/V轉換電阻，這就要求R1應采用高精度、低溫漂的薄膜電阻。為了降低干擾信號的影響，在U2的同相輸入端增加電容C1進行電容濾波，另外兩只二極管1N4148可以對可能出現的超限電壓輸入信號進行保護。

2.4 中央通信單元設計

中央通信單元主要負責無線傳感器網絡的管理、與各個采集單元的數據交互、采集數據的匯總融合分析、安全預警。圖5給出了通信單元的硬件設計示意圖。與采集單元不同的是，中央通信單元沒有了模擬量和數字量的采集，而是多出了網絡通信的接口電路和告警指示電路。網絡通信接口比較豐富，主要包括了GPRS的無線通信，RS485現場通信，RS232串口通信、CAN總線通信以及以太網通信。

3 結語

本文所設計的智能環(huán)網柜綜合檢測系統采用的是以STM32F103微控處理器為核心，利用高性能、低功耗、遠距離的微功率無線 MESH 組網模塊，內嵌無線MESH自組網協議，組成分布式的對等網狀網絡保障數據傳輸的正確和可靠性。采集單元設計了信號隔離調制電路，方便接入不同類型的傳感器，可實時采集環(huán)網柜的監(jiān)測模擬量。中央通信單元網絡接口豐富，能支持串口、CAN、網絡等多種通信形式，方便采集到的環(huán)網柜綜合信息傳輸到主站或者應用層軟件進行系統的評估與預測，有效地提高配網事故處理的響應效率。并且中央通信單元還具備傳感器數據融合分析功能，實現對環(huán)網柜的安全預警，為配網的運行、檢修提供重要的輔助支撐，進而提升配網運維信息化水平和管理智能化水平，推動配電環(huán)網柜智能化發(fā)展進程。

本論文來源于廣東電網有限責任公司佛山供電局科技項目；項目名稱為：配電設備模塊化及智能化關鍵技術研究，課題2：配電環(huán)網柜智能化技術研究與應用；項目編號為：GDKJXM20172889。

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項目基金：本論文來源于廣東電網有限責任公司佛山供電局科技項目；項目名稱為：配電設備模塊化及智能化關鍵技術研究，課題2：配電環(huán)網柜智能化技術研究與應用；項目編號為：GDKJXM20172889。

（作者單位：1 廣東電網有限制責任公司佛山供電局；2廣州思泰信息技術有限公司）