面向移動終端的電力安全監督系統

王澤涌

(廣東電力信息科技有限公司，廣東 廣州 510630)

隨著我國電網規模的不斷擴大，對電網的自動化和智能化提出了更高的要求。智能電網監控系統的質量與供電系統的質量直接相關，在電力集成自動化系統中使用的無線網絡技術迫切需要[1]。遠程電網監控系統是一種通用的技術系統，當技術人員在工作場所時，可以使用鍵盤來查看不同的監控數據。當技術人員離開時，也可以通過GPRS(通用分組無線電服務)網絡接收數據。通過該系統，可以非常方便地電網進行管理，這也是智能電網的主要發展方向[2]。GPRS技術是一種基于GSM通信系統的無線數據傳輸方式，采用分組交換技術，每個用戶可以同時使用多個無線信道，相同的無線信道可以被許多用戶共享，充分利用資源。用戶可以始終在線，最大傳輸速度可達到171.2 kb/s，這些優勢保證了可靠的數據傳輸，非常適合于實現電網的遠程監控[3]。本研究結合ZigBee技術和GPRS技術，設計了一種電力監測系統，可以輕松實現變電站的監測、控制、保護及相關設備等功能。實驗結果表明，該系統可以從根本上解決視頻監控的不足，并完全滿足所需的精度。

1 ZigBee技術可行性分析

基于計算機、電子、通信技術的電力監控系統，是實現生產、過程控制和調度自動化的電力系統。通過參數的收集、調整和測量，系統可以實現報警、監控、控制等多種功能。在目前階段，大多數電力監控系統的通信手段都是基于電纜通信的。隨著工業自動化技術的發展，實時數據傳輸、數據接口的可靠性和數據鏈路的安全性越來越重要，電纜監控網絡的局限性也越來越突出[4]。ZigBee是一種新興的短程、低速率的無線網絡技術[5]。由于其穩定、可靠、方便、實用的特點，在許多工業控制領域得到了廣泛的應用[6]。

1.1 ZigBee技術標準

IEEE802.15.4/ZigBee國際標準于2004年12月推出，它是無線傳感器網絡基于微控制的應用程序擁有新的互聯國際標準，引入該標準的目的是提供符合無線傳感器網絡和控制系統的國際標準的解決方案[7]。該標準專門針對無線傳感器網絡和遠程控制的應用，具有網絡容量大、雙向數據傳輸可靠和協議覆蓋廣的突出特點，還具有免費ISM頻段、低功耗、低成本、易于實現等優點。IEEE802.15.4/ZigBee標準在物理層(PHY)和媒體訪問層(MAC)中采用IEEE802.15.4通信標準，在此基礎上，ZigBeeUnion增加了網絡層(NWK)和應用層(APL)[8]。

1.2 ZigBee對電力系統的適應性研究

傳輸速率上，ZigBee最大傳輸速率最高可達250 kb/s，這完全符合電力監控系統所需的數據速率。電力成本上，ZigBee在低功率待機模式下，5號普通干式電池可使用6個月至2年。這是ZigBee的獨特優勢，以確保監控系統在停電的情況下繼續工作。節點容量上，每個ZigBee網絡最多可支持65 000個節點，適用于電力系統的復雜結構。延遲時間，延遲時間通常為15～20 ms，非常適合工業實時數據傳輸系統。系統安全上，采用AES-128加密算法，提供了完整性數據檢查和身份驗證的功能[9]。抗干擾性上，對于來自汽車、手機、發電機、配電室、變壓器等環境的干擾，ZigBee技術可以很好地預防。硬件成本上，采用低成本的產品安裝成本低，維護簡單，而且不需要租用公共網絡，所以不需要支付大量的運營成本[10]。因此，基于以上結論可以得出結論，ZigBee技術完全適合在電力監控系統中的應用，可以為電力系統的運行提供可靠的保護。

2 系統結構

該系統由ZigBee協調器、數據終端節點和GPRS模塊組成。遠程電網監控系統原理示如圖1所示。其中，ZigBee協調器是網絡的創始人和管理者，其主要功能如下：發送網絡信標、啟動、配置和構建網絡；管理網絡節點和存儲信息，實現跨網絡數據的收斂。作為網關節點，為ZigBee網絡提供上行/下行數據接口[11]。數據終端節點用于數據采集、控制設備、環境監控等。GPRS用于遠程傳輸，替代現有的電纜通信方式。

圖1 遠程電網監控系統原理Fig.1 Principle of remote power grid monitoring system

2.1 硬件部分

研究利用TI的CC2430芯片和無線ZigBee協議堆棧，設計了無線傳感器網絡。CC2430是第1個符合ZigBee標準的單芯片2.4GHz系統，它擴展了芯片CC2420框架。在一個單個芯片上，它集成了大量的資源，如ZigBee射頻(RF)收發器、內存、微控制器和定時器。其單片機是一種名為C8051的增強型核心，其性能是標準8051單片機的8倍[12]。在休眠模式下，芯片功率流量小于0.9 μA。基于CC2430芯片設計ZigBee協調器，并進行外部電路擴展，如圖2所示。

圖2 ZigBee協調器示意Fig.2 Schematic diagram of ZigBee coordinator

協調器是網絡的核心，網絡的所有數據都必須通過協調器到達控制中心。同時，來自中心的控制信號應通過協調器發送到終端。因此，該設計采用高性能閃存芯片AM29F010B擴展了內存[13]。增加了液晶顯示器和鍵盤，以方便地監控設備。設備由電纜供電，經交流直流轉換后供電。

設計采用西門子MC35i作為GPRS模塊。MC35i是新一代的GSM/GPRS雙模模塊，它采用了一個緊湊的設計，為用戶提供了一個簡單的、內置的無線GPRS連接。GPRS模塊通過UART與ZigBee協調器連接，兩者構成系統的網關，負責ZigBee網絡與GPRS網絡之間的通信[14]。

根據不同功能的終端節點包括溫度監測節點、煙霧檢測節點、監測電力線的節點、控制電源設備狀態的節點等。它們都使用CC2430作為芯片，并有不同的外圍電路。由于長度限制，本研究僅以電力線監控節點為例，對其他節點將不予詳細描述。電力線監控節點如圖3所示。

圖3 電力線監控節點Fig.3 Power line monitoring node

由圖3可知，光學耦合器芯片監控4條電源線A、B、C、N。TPL521-4的輸出端與CC2430連接。電源檢測電路通過確定電源線上的電壓是否發生變化來檢測故障。在正常狀態下，TPL521-4的AO、BO、CO終點循環輸出，異常時，TPL521-4連續保持高輸出量。在一定時間內，如果TPL521-4的低輸出量小于一定數量，系統定義線路上可能有故障，然后2次檢查TPL521-4的輸出狀態。經過2次查詢，如果低輸出量仍小于一定數量，系統判斷發生故障。

2.2 局部電壓采集結構

本地電壓采集模塊主要完成網絡電壓的實時數據采集，顯示并保存電壓的統計值，同時將數據發送到GPRS無線模塊。在硬件電路方面，主要由變頻轉換器電路、實時時鐘電路、數據存儲電路、電源電路、顯示電路、RS-232、鑰匙控制電路、核心控制電路8個部分組成[15]。其結構如圖4所示。

圖4 GPRS無線數據采集模塊Fig.4 GPRS wireless data acquisition module

GPRS無線數據采集模塊主要完成了本地監控數據的接收，并通過GPRS網絡發送到終端。只需要調整用戶的手機號碼，然后它就可以準確地完成數據的傳輸。計算機用戶還可以通過互聯網訪問監控數據并顯示。

2.3 變頻轉換器電路設計

變頻轉換器電路將模擬電壓轉換為相應的頻率脈沖。單控制器使用計時器中斷計算1 min內的脈沖數即頻率。然后通過公式，可以計算出相應的瞬時電壓值。在此電路中，選擇LM311作為變頻轉換芯片。其基本特點是：價格低、功耗低、線性度好等[16]。它總共有8個引腳；CMPRIN和FREQOUT分別用于完成電壓輸入和頻率輸出，端口T0直接連接到單片控制器的計數端口。硬件電路設計如圖5所示。

圖5 變頻轉換器電路設計Fig.5 Circuit design of frequency conversion converter

2.4 主控制電路設計

主控部分采用(AVR系列)微控制器ATMEGA16L對整個系統進行控制。這個芯片內部包含一個看門狗電路。它用于避免程序運行錯誤、提高系統的抗干擾能力。實時部分使用PCF8583芯片，它為系統的時間和日期提供了一個標準。EEPROM數據存儲電路采用8 kB 24LC64芯片，也與PCF8583一樣，是I2C總線接口。P201有20個引腳，可直接連接到128×64液晶顯示器。4個按鈕用于切換顯示數據。同時，GPRS模塊電路設計GPRS模塊主要完成GPRS網絡接入，選擇了西門子的SIM300CZ芯片。該芯片中嵌入了TCP/IP協議，廣泛應用于遠程讀表、安全監控、遠程遙測等機對機應用等移動數據通信系統。該模塊廣泛用于其行業標準接口，提供GSM/GPRS900/1 800/1 900 MHz或850/900/1 800/1 900 MHz功能，CSD狀態下數據速率達9.6kb/s，HSCSD狀態下數據速率達19.2kb/s。它嵌入了強大的TCP/IP協議堆棧，由AT命令控制，并支持語音、短信、數據和傳真、高速信息傳輸。

3 軟件部分

3.1 GPRS傳輸服務

軟件是控制系統的重要組成部分。該軟件在很大程度上決定了該系統的可行性和可靠性。GPRS傳輸服務流程如圖6所示。啟動整個系統，開始完成初始化，系統獲取電網數據，實時更新數據內存。當需要向終端發送數據時，啟動GPRS模塊，并初始化網絡接口。然后，直接使用AT命令，撥號到中國移動的GPRS節點服務器(GGSN)。通過一個新的PPP任務來完成數據鏈路層與網絡層的連接，然后就可以得到IP并完成準備。此時，可以設置發送數據的任務，請求TCP連接，完成數據傳輸，最后斷開與GGSN的連接。最后，系統返回，不斷更新數據存儲器。

圖6 GPRS傳輸服務流程Fig.6 GPRS transmission service process

3.2 ZigBee網絡協調器的軟件設計

當工作時，ZigBee協調器通過掃描1個空通道來創建1個新的網絡。一旦建立了空通道，ZigBee協調器將選擇1個區域網(PAN)ID并開始監聽該通道，一旦確定了適當的通道和PANID，網絡管理實體將選擇0x0000作為短地址，并通知MAC層。ZigBee協調器還負責維護當前已連接的設備列表，并支持獨立掃描程序，以確保之前的設備能夠重新加入網絡。終端節點成功加入網絡后，下次通電時，將自動嘗試重新加入網絡，然后啟用看門狗時鐘，停止射頻接收器，使控制器進入休眠狀態。當有控制信號或數據時，終端節點會通過PORTB中斷喚醒并發送消息。

3.3 ZigBee協調器與GPRS間的溝通方案

ZigBee協調器與GPRS之間的通信程序流程如圖7所示。

圖7 ZigBee協調器與GPRS間的通信程序Fig.7 Communication program between ZigBee coordinator and GPRS

ZigBee協議數據通過UART發送到GPRS模塊。UART起著2個模塊之間的通信作用，傳輸是透明的。數據從CC2430接收后，不能直接發送，但可以根據SMS協議進行轉換后發送。

MC35i通過AT命令發送短信，有2個主要的AT命令來發送短信：AT+CMGF和AT+CMGS。2個命令的作用分別為：①AT+CMGF。短信選擇命令。格式為：在+CMGF=中，MODE是命令的參數，它有2個值，0，將短信模式設置為PDU；1，將短信模式設置為TEXT。通電后，MC35i的默許模式為TEXT模式，所以在發送SMS模式前應設置為PDU模式。②AT+CMGS：短信發送命令。格式為：AT+CMGS=，LENGH為命令的參數，LENGH的值為用戶信息長度和協議長度的求和。發送AT+CMGS=后，直到MC35i返回“>”，才能發送PDU的數據字符串，或者無法成功發送短信。

4 實測分析

智能電力監測系統設計完成后，進行了小規模的安裝運行，運行良好。測試了包括按鍵與顯示功能測試、報警功能測試、事件記錄功能測試、數據儲存功能基本功能。模擬了在運行中出現欠壓、失壓、失流、電壓越限、超負荷和逆向序等故障。當故障發生時，蜂鳴器響，報警LED閃爍，手機和中控計算機均有相應錯誤代碼和報警顯示。測試記錄功能時，模擬失壓，連續出現30 s后，開始記錄本次失壓相別、失壓累計時間、失壓累計次數，連續記錄5次失壓出現時間和恢復時間。三相全失壓時，電表記錄本次出現時間、失壓累計時間、失壓次數。電壓恢復時可以顯示以上記錄。測試數據儲存功能時，模擬斷電，基本參數在掉電后，保存正確完好，不丟失。

5 結語

本研究基于ZigBee技術和GPRS技術的設計了電力監測系統，在遠程電網監控系統的設計中，在硬件方面，采用微控制器來操作整個系統，具有性價比高的特點。在數據采集時，使用了廉價可靠的變頻芯片。整個電路運行可靠，成本較低。在軟件方面，設計了整個系統的軟件，并展示了流程圖。完成監控數據的采集、存儲、顯示和傳輸。該系統可以自動重啟，抵抗強烈干擾。經過多次實驗表明，表明該系統可以很好地應用于電網的遠程監測，具有可靠性高、結構簡單、成本低、費率合理等優點，ZigBee技術與其他無線技術相結合的巨大優勢，將會徹底改變電力自動化系統的面貌。