基于ZigBee技術的無線智能高壓電流表系統(tǒng)設計

王永興，劉 罡，姜春陽

（1.大連理工大學，遼寧 大連 116024；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；3.中國電力科學研究院，湖北 武漢 430074）

0 引言

無線智能高壓電流表（以下簡稱智能高流表）是測量高壓電器或絕緣材料等被試品的高壓泄漏電流不可缺少的高流表。其主要與工頻耐壓試驗裝置配套使用，是對交流高壓泄漏電流測試最理想的儀表工具。在工頻耐壓試驗中，被試品的泄漏電流是一項重要的測量項目。傳統(tǒng)的高流表在測量交流泄漏電流時，存在無高壓過流分斷保護、功能單一、抗干擾能力差等問題［1］。目前，對無線智能高流表的相關文獻較少，僅有文獻［2］介紹了一種基于WiFi 通信技術的無線泄漏電流表。然而該技術采用WiFi 通信技術，對環(huán)境要求較高，需依附于通信基站或有限網(wǎng)絡才能完成。近年來，隨著ZigBee（無線個域網(wǎng)）在不同領域的廣泛應用，使基于ZigBee 技術的無線高流表的研究和設計成為可能。文獻［3-7］分別在光伏發(fā)電、配電自動化、電力電纜、高壓開關柜、智能家居等領域介紹了ZigBee技術的應用，為本文提供了借鑒。

對ZigBee技術進行了介紹，將無線高流表的網(wǎng)絡拓撲結構進行了分析并將ZigBee技術應用其中。對無線高流表的硬件結構進行了設計，采用STC15F2K60S2單片機作為微控制單元（Microcontroller Unit，MCU），24 位模數(shù)轉換器CS5532AS 作為模數(shù)轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC），對精密全波整流電路、高壓脫扣驅動電路、無線射頻電路等方面分別進行了分析，給出了系統(tǒng)軟件的主程序流程圖，并進行了驗證試驗，試驗結果滿足預期要求。本設計系統(tǒng)可廣泛應用于帶電作業(yè)用絕緣手套、絕緣靴等被試品的工頻耐壓試驗中。

1 ZigBee技術

1.1 ZigBee技術介紹

ZigBee 技術是一種基于蜜蜂通信原理的近距離、低功耗、低速率和低成本的雙向無線通信技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽谩Ｒ虼酥饕獞糜谛⌒碗娮釉O備或家用電器的無線控制指令傳輸［8-11］。

ZigBee 技術采用DSSS（直接序列擴頻）擴頻技術，在全球的大部分地區(qū)使用的頻段為2.4 GHz，費用為免費。通信距離從標準的75 m 到幾百米、幾千米，并且支持無限擴展。

1.2 ZigBee技術特點

ZigBee 技術的特點主要有幾點：其一，ZigBee 技術功耗低，由于ZigBee 的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1 mW，而且采用了休眠模式，因此ZigBee 設備非常省電。據(jù)估算，ZigBee 設備僅靠兩節(jié)5 號電池就可以使用6 個月到2 年，這是其他無線設備望塵莫及的。其二，ZigBee 技術成本低。由于ZigBee 協(xié)議棧設計簡單，其研發(fā)和生產(chǎn)成本較低。普通網(wǎng)絡模塊硬件只需8 位微處理器，4～32 kB 的ROM，且軟件實現(xiàn)也很簡單。ZigBee 模塊的初始成本在6 美元左右，估計能降到1.5～2.5 美元之間，且ZigBee 協(xié)議免專利費。其三，ZigBee技術可靠性高。ZigBee采用了CSMA/CA碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。所以從根本上保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｈ绻麄鬏斶^程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。其四，ZigBee技術可靠性高。ZigBee采用了CSMA/CA 碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC 層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。所以從根本上保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｈ绻麄鬏斶^程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)［12-15］。

2 智能高流表及其網(wǎng)絡拓撲結構

智能高流表是測量高壓電器或絕緣材料等被試品的高壓泄漏電流的電流表，其控制臺與高流表試驗距離較近，試驗過程對高流表輸出響應要求不高且數(shù)據(jù)量較低，因此其特別適合采用ZigBee 通信技術。由若干個智能高流表作為無線終端節(jié)點，一個智能耐壓試驗裝置作為協(xié)調器節(jié)點。終端節(jié)點以點播的方式向協(xié)調器節(jié)點上傳實時泄漏電流、擊穿電流、電池電量、通信鏈路狀態(tài)等無線數(shù)據(jù)，協(xié)調器節(jié)點以組播的方式向終端節(jié)點下發(fā)高壓保護電流值，終端節(jié)點閃爍屏幕響應。網(wǎng)絡中終端節(jié)點的媒體介入控制層（Media Access Control，MAC）都擁有一個64 位的IEEE地址，設計使用16位短地址來描述和區(qū)分不同的智能高流表［16］。

智能高流表采用的ZigBee 協(xié)議，是一種短距離無線傳感器網(wǎng)絡與控制協(xié)議，主要用于傳輸控制信息，數(shù)據(jù)量相對來說較小，特別適合高流表的電池供電系統(tǒng)，并且ZigBee 協(xié)議更容易實現(xiàn)。IEEE802.15.4/ZigBee 協(xié)議中明確定義了3種拓撲結構，包括星型結構（Star）、簇樹結構（Cluster Tree）和網(wǎng)狀結構（Mesh），如圖1 所示。其中，F(xiàn)FD 代表完整功能設備（Full Functional Device，F(xiàn)FD），RFD 代表精簡功能設備（Reduced Functional Device，RFD）。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構

智能高流表的網(wǎng)絡系統(tǒng)設計上，采用星型拓撲結構，層次化路由協(xié)議。若干個智能高流表作為無線終端節(jié)點，一個智能耐壓試驗裝置作為協(xié)調器節(jié)點。終端節(jié)點以點播的方式向協(xié)調器節(jié)點上傳實時泄漏電流、擊穿電流、電池電量、通信鏈路狀態(tài)等無線數(shù)據(jù)，協(xié)調器節(jié)點以組播的方式向終端節(jié)點下發(fā)高壓保護電流值，終端節(jié)點閃爍屏幕響應。網(wǎng)絡中的終端節(jié)點的MAC 層都擁有一個64 位的IEEE 地址，設計使用16位短地址來描述和區(qū)分不同的智能高流表。

3 系統(tǒng)硬件設計

智能高流表硬件結構如圖2 所示，采用STC15F2K60S2 單片機作為MCU，24 位模數(shù)轉換器CS5532AS 作為ADC，精密全波整流電流作為模擬信號輸入端口，無線射頻電路作為無線信號接收端口，高壓脫扣電路和液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）電路為輸出端口。

圖2 智能高流表硬件結構

3.1 精密全波整流電路

精密全波整流電路結構圖如圖3 所示，利用集成運算放大器LM258的放大作用和深度負反饋作用克服了二極管的非線性和門檻電壓帶來的信號失真，設計一種高精度、低損耗、成本低廉的精密整流濾波電路。通過SMBJ6.8CA 模塊采集交流和直流電流信號，改變取樣電阻R1、R2阻值可以改變測量的量程。通過光電耦合模塊TLP-521 控制信號的通斷。由集成運算放大器LM258 將信號送至線性誤差為±0.001 5%FS的24位ADC。

圖3 精密整流電路結構

3.2 高壓脫扣驅動電路

高壓脫扣驅動電路如圖4 所示，當無線高流表電壓值過大時，光電耦合模塊TLP-521 將信號發(fā)送至STC15F2K60S2單片機中，單片機控制繼電器是高壓脫扣裝置執(zhí)行脫扣功能。無線高流表中直流吸盤式電磁鐵采用高純度的電工純鐵表面鍍鎳，吸盤不會有剩磁，加工平整的脫扣片保證與電吸盤的吸合面完全接觸貼合，減少了脫扣誤動作的概率。

圖4 高壓脫扣驅動電路

3.3 無線射頻電路

無線射頻電路硬件結構如圖5 所示，主要由CC2530 芯片、接收電路、射頻放大電路、發(fā)送電路和電源組成。通過TI 公司的CC2530 芯片，采用基于ZigBee 技術的無線2.4 G 的ISM 頻段，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。其具有抗干擾強、低功耗、安全性高等特點。由于試驗中不需要長距離通信，試驗距離一般是2～3 m以內，射頻電路中未采用功率放大電路設計。

圖5 無線射頻電路硬件結構

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件基于STC15F2K60S2單片機開發(fā)平臺，開發(fā)集成環(huán)境采用KEIL3 V3.30，運用C 語言進行代碼編寫。主程序流程如圖6 所示，包括初始化操作、LCD顯示、建立ZigBee網(wǎng)絡、無線數(shù)據(jù)發(fā)送、無線數(shù)據(jù)接收、泄漏電流檢測、中斷試驗等。當建立完成ZigBee網(wǎng)絡之后進行數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收命令，若未得到接收信號則重新發(fā)送數(shù)據(jù)，若得到接收信號則進行泄漏電流判斷，若泄漏電流正常則重新發(fā)送數(shù)據(jù)，若泄漏電流過大則發(fā)出中斷試驗命令結束試驗。

圖6 主程序流程

5 驗證試驗

為驗證智能高流表的通信功能、脫扣功能以及顯示功能，選取1 級絕緣手套作為被試品，采用通用耐壓測試平臺作為升壓控制系統(tǒng)進行驗證試驗。依據(jù)國家標準GB/T 17622—2008《帶電作業(yè)用絕緣手套》［17］和電力行業(yè)標準DL/T 976—2005《帶電作業(yè)工具、裝備和設備預防性試驗規(guī)程》［18］要求，需對被試品在10 kV額定電壓條件下通電1 min，不發(fā)生擊穿或閃絡即證明被試品合格，部分試驗結果如表1所示。由表1可得，在試驗電壓小于0.5 kV時，智能高流表泄漏電流顯示值為0；當試驗電壓在大于0.5 kV 小于10 kV時，智能高流表正常顯示高壓回路中的實際泄漏電流值；當試驗電壓為60 kV遠大于額定電壓10 kV時，智能高流表脫扣電路響應，試驗中斷。本次驗證試驗通信功能、脫扣功能以及顯示功能均滿足預期要求。

表1 驗證試驗結果

6 結語

以ZigBee 技術為基礎，設計一種使用可靠、抗干擾強，具有泄漏電流、通信鏈路狀態(tài)等無線數(shù)據(jù)傳輸功能，并具備過流分斷保護功能的無線智能高流表。從精密全波整流電路、高壓脫扣驅動電路、無線射頻電路等方面對智能高流表的硬件結構進行了分析，給出了系統(tǒng)軟件的主程序流程圖，選取1 級絕緣手套作為被試品進行了驗證試驗，試驗結果滿足預期要求。本設計系統(tǒng)可廣泛應用于帶電作業(yè)用絕緣手套、絕緣靴等被試品的工頻耐壓試驗中。