基于ZigBee的電力參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的研究

陳和平

（天水電氣傳動研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741001）

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城鄉(xiāng)用電負(fù)荷需求與日俱增，給用戶提供穩(wěn)定的電能指標(biāo)，是電力系統(tǒng)的重要任務(wù)之一。因此，對變配電站或用電大戶的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控成為了電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動化必須要做的事情。調(diào)查顯示，在有些情況下使用有線監(jiān)控方式，監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)施成本將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過購買監(jiān)控設(shè)備的費(fèi)用。例如，在一個監(jiān)控點(diǎn)較多區(qū)域內(nèi)實(shí)施監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，數(shù)據(jù)的傳輸和遠(yuǎn)程備份，都是一筆龐大的開支，維護(hù)成本很高。尤其是在一些傳統(tǒng)電纜很難延伸到的區(qū)域?qū)嵤┍O(jiān)控，有線監(jiān)控更是無能為力。

本文結(jié)合電力系統(tǒng)對變配電站和用戶的監(jiān)控要求，兼顧低成本、低功耗、安裝方便的要求，研究開發(fā)了采用單片機(jī)控制的SPI智能終端，利用Zig-Bee智能無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對電力參數(shù)無線監(jiān)控。此方法可以節(jié)省耗費(fèi)巨大的導(dǎo)線材料和人工費(fèi)用，而且免除了日常檢修和維護(hù)費(fèi)用，具有高可靠性、擴(kuò)展性和抗干擾性。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)故障信息報(bào)警和實(shí)時(shí)負(fù)荷監(jiān)測功能［1］。具有很好的應(yīng)用前景。

2 ZigBee智能無線傳感網(wǎng)絡(luò)

本方案中采用 ZigBee／802.15.4 協(xié)議下的智能無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)架，由SPI智能監(jiān)控終端、ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)和協(xié)調(diào)器構(gòu)成，如圖1所示。

2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

作為一種新興的短距離、低功耗標(biāo)準(zhǔn)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，ZigBee 協(xié)議棧是建立在 IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)之上，并且增加了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層規(guī)范的完整的一種協(xié)議棧，在智能無線傳感網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。本方案中，核心器件采用與ZigBee兼容的以FreescaleMC1319x芯片組為核心的XBee RF 模塊，工作頻率為 2.4GHz。發(fā)送功率為1mw，接收靈敏度為-92dBm，室內(nèi)傳輸距離為40m／100m，室外傳輸距離為120m／1600m，RF數(shù)據(jù)傳輸速率為250000bps，在網(wǎng)絡(luò)性能方面，具有DSS（直接序列擴(kuò)頻技術(shù)）功能，可以組成對等網(wǎng)、點(diǎn)對點(diǎn)及點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，12個軟件可選的直接序列信道，每個信道具有65000個可用網(wǎng)絡(luò)地址。具有自動路由、自我診斷、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)容錯等特點(diǎn)［2、3］。ZigBee 通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型如下：

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架示意圖

（1）終端節(jié)點(diǎn)：安裝在用戶電表進(jìn)線位置或者嵌入在配變監(jiān)控裝置，或者根據(jù)需要臨時(shí)部署在一些要監(jiān)控的位置，實(shí)時(shí)采樣電力參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳送給路由節(jié)點(diǎn)或者協(xié)調(diào)器。

（2）路由節(jié)點(diǎn)：起到一個網(wǎng)絡(luò)延伸拓展的作用，完成監(jiān)控終端與協(xié)調(diào)器之間的信息交換。可根據(jù)需要固定地或臨時(shí)地部署在監(jiān)控場地。

（3）協(xié)調(diào)器：用于對周邊路由節(jié)點(diǎn)或監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)采集、同步、信息傳輸和控制。可以是一臺筆記本電腦或者手持設(shè)備，可通過內(nèi)置的GPRS網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到更高一級的監(jiān)控中心，讓用戶足不出戶了解遠(yuǎn)方變配電站或用戶的電力運(yùn)行狀況。當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警信息，可及時(shí)處理，有效監(jiān)管電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和安全性。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器，一個或多個路由器或終端組成。路由器與終端使用的多少視實(shí)際監(jiān)控要求而定。當(dāng)協(xié)調(diào)器選擇一個信道和PAN ID并啟動時(shí)，便建立了一個ZigBee局域網(wǎng)（PAN），一旦協(xié)調(diào)器啟動，便可允許路由器和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)加入PAN。路由器和終端設(shè)備加入PAN時(shí)，將在多條信道上向已經(jīng)加入PAN的路由器和協(xié)調(diào)器發(fā)出一個802.15.4信標(biāo)請求命令，并從返回的信標(biāo)中找到有效的PAN，一旦成功加入到PAN，它就能與PAN網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備通訊，路由器可作為父設(shè)備允許新的設(shè)備（路由器或終端）加入進(jìn)來。終端設(shè)備作為子設(shè)備只能與其加入的父設(shè)備直接通訊，并通過父設(shè)備代其完成與PAN網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳送。如圖2所示［4］。

圖2 基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)

2.2 XBee 模塊的應(yīng)用編程接口（API）

XBee模塊有5種工作狀態(tài)，兩種操作方式，一種是透明傳輸操作，另一種是API（應(yīng)用編程接口）操作，當(dāng)工作在透明模式時(shí)，模塊在數(shù)據(jù)的傳輸中起到了替代串口線的作用，也是模塊上電默認(rèn)的一種模式。API操作是基于數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)化的一種接口方式，擴(kuò)展了模塊的應(yīng)用范圍，使主設(shè)備（MCU系統(tǒng)）和ZigBee網(wǎng)絡(luò)更好的進(jìn)行信息交互。使用時(shí)，通過免費(fèi)的X-CTU測試軟件對各個節(jié)點(diǎn)射頻模塊操作模式進(jìn)行配置，使AP＝2，這樣，模塊便工作在帶轉(zhuǎn)義字符的API操作模式下，當(dāng)發(fā)出或接收一個串口數(shù)據(jù)幀時(shí)，特殊數(shù)據(jù)必須進(jìn)行轉(zhuǎn)義，以免干擾有效的數(shù)據(jù)幀序列。具體做法是，在需轉(zhuǎn)義的字節(jié)位置插入0x7d，其后是需轉(zhuǎn)義的字節(jié)與0x20異或后的字節(jié)數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)義的字符：

0x7e—數(shù)據(jù)幀起始特征字

0x7d—轉(zhuǎn)義特征字

0x11—XON

0x13—XOFF

數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

“長度”：不包括起始字節(jié)、字節(jié)數(shù)、校驗(yàn)和的原數(shù)據(jù)幀（轉(zhuǎn)義之前）字節(jié)數(shù)。占2字節(jié)，高字節(jié)在前。“API結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)序列”：包含的信息有API幀名稱，控制信息，64位目標(biāo)地址，16位網(wǎng)絡(luò)地址，待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)等。“校驗(yàn)和”：原數(shù)據(jù)幀（轉(zhuǎn)義之前）中，不包含起始分界符和長度，把所有字節(jié)相加，結(jié)果僅保留最低 8 位［5］。

XBee模塊接口電路如圖4所示。

圖4 XBee模塊接口框圖

3 監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

監(jiān)控終端的主要作用是采集電力參數(shù)，由于電網(wǎng)的波動及電力系統(tǒng)存在各種瞬間的高頻干擾信號，在對電力參數(shù)的監(jiān)測，尤其是電能的測量中，要求A／D的采樣速度較高，電壓電流采樣最好同步進(jìn)行。通常的做法是采用高速A／D轉(zhuǎn)換芯片，如AD73360，通過對大量的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到電壓、電流、相位、功率因數(shù)等參數(shù)。由于大量的采樣和數(shù)據(jù)運(yùn)算給MCU帶來很大的負(fù)擔(dān)，大大影響MCU處理其他問題的速度。為此，本方案中選擇基于△-∑A／D方式的ATT7022B作為轉(zhuǎn)換器，很好地解決了這一矛盾。ATT7022B是一款國產(chǎn)的電能計(jì)量專用芯片，比進(jìn)口電路價(jià)格低廉，片內(nèi)集成的數(shù)據(jù)運(yùn)算電路，可以大大節(jié)省MCU的工作負(fù)荷。系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)采用軟件校正，大大減少開發(fā)人員的工作量，并可將誤差校正到0.5級以內(nèi)，有效值測量誤差小于 0.1%［6］。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件連接圖如圖5所示。

監(jiān)控終端主要以單片機(jī)C8051F340［5］為控制核心，與ATT7022B接口有6條線連接，其中4條是SPI口線 CS、SCLK、DIN、DOUT，1條ATT7022B 的復(fù)位控制線RESET，1條握手信號線SIG。它們分別和單片機(jī)的I／O口連接，通過SPI接口既可對ATT7022B復(fù)位、輸入校正數(shù)據(jù)，也可將ATT7028經(jīng)過運(yùn)算得出的電壓、電流、有功、功率因數(shù)、相位等參數(shù)讀出。XBee RF模塊通過串口和單片機(jī)連接。

圖5 測量終端原理框圖

三相采樣電壓電流的輸入均采用電流互感器方式接入ATT7022B，電壓采樣電路中，通過在互感器一次側(cè)串接220K電阻的方式將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流（220V時(shí)，為1mA），再通過電流互感器轉(zhuǎn)換成電壓信號（1mA時(shí)，為0.5V）；電流采樣電路中，通過50A／25mA鉗型電流互感器轉(zhuǎn)換，通過ATT7022B實(shí)時(shí)采集電力參數(shù)，單片機(jī)通過SPI口接收采集的各種參數(shù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，借助Zig-Bee／802.15.4 智能無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器［7］。

3.2 電磁兼容設(shè)計(jì)

作為應(yīng)用在電力測量領(lǐng)域的產(chǎn)品，電磁兼容設(shè)計(jì)是保證采樣終端可靠性的重要環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)中，電磁兼容設(shè)計(jì)主要從通過設(shè)計(jì)合理的PCB板布線和軟件編程實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)PCB板布線時(shí)要考慮以下幾點(diǎn)：

（1）元器件的布局上應(yīng)注意強(qiáng)弱電分開。

（2）零線和火線的進(jìn)線接上壓敏電阻，零線連接壓敏電阻的輔銅導(dǎo)線越粗越好，至少在1mm寬以上。

（3）電源的地線和信號地線在進(jìn)線處單點(diǎn)相接，最大限度減少由電源竄入整個系統(tǒng)的干擾。

（4）ATT7022B的模擬地和數(shù)字地就近相接，盡可能的減少地線上的電阻、電感和分布電容。

PCB板布線如圖6所示。

圖6 PCB板布線圖

3.3 軟件編程

單片機(jī)與ATT7022B通過SPI通訊時(shí)，有8位地址，24位數(shù)據(jù)，MSB在前，LSB在后，通訊開始時(shí)時(shí)，SLCK為低電平，CS由高到低，經(jīng)過32個SLCK時(shí)鐘脈沖，CS由低到高，完成一個寄存器的讀或?qū)懖僮鳌TT7022B在時(shí)鐘的下降沿從DIN線上取單片機(jī)送出的數(shù)據(jù)，在上升沿從DOUT線上向單片機(jī)送出數(shù)據(jù)［8、9］。

4 系統(tǒng)校準(zhǔn)

對電壓、電流測量通常采用互感器輸入方式，這時(shí)各通道不可避免地存在增益、相位方面的誤差，在高精度測量時(shí)這些誤差不容忽視。ATT7022B支持全數(shù)字校表，功率校正主要分比差校正和角差校正兩部分。比差校正主要是對互感器的比差進(jìn)行修正，角差修正也采用分段修正，還可對電壓、電流有效值進(jìn)行修正。軟件校準(zhǔn)是通過SPI接口將校正的數(shù)據(jù)寫入ATT7022B校準(zhǔn)寄存器中實(shí)現(xiàn)的，為了正確讀取各項(xiàng)參數(shù)寄存器的數(shù)值，必須在讀取前對校表寄存器進(jìn)行設(shè)置。在設(shè)計(jì)中，必須將ATT7022B的SIG端子與MCU的INT腳連通，當(dāng)ATT7022B受干擾復(fù)位或內(nèi)部錯亂時(shí)SIG端子給MCU信號以便MCU重新寫入修正數(shù)據(jù)。同時(shí)，將電壓通道對應(yīng)的ADC的輸入選在0.5V左右，而電流通道的ADC輸入選在0.1V左右，這時(shí)的電能芯片測量比較精確，且線性度高。圖7為輸入0.2V，按照50V校表和100V校表后，A相電壓的測量情況。

通過上述處理，測量精度完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，使電壓電流測量線性精度在1000：1的動態(tài)范圍內(nèi)，保證在0.1%以內(nèi)，使得測量精度比傳統(tǒng)的測量手段提高了一個數(shù)量級［10］。

圖7 校表后測量值與實(shí)際值比較

5 結(jié)束語

基于ZigBee無線傳輸采用SPI串行接口設(shè)計(jì)的監(jiān)控終端，簡化了系統(tǒng)初期的開發(fā)過程，節(jié)省了開發(fā)費(fèi)用，能夠高速、高效傳輸數(shù)據(jù)，并且便于日后對監(jiān)控終端進(jìn)行功能擴(kuò)充。ZigBee傳輸與其他無線標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控通信相比，可靠性高、傳輸能力強(qiáng)、鏈路接通快、可擴(kuò)充性強(qiáng)、費(fèi)用低廉，有其優(yōu)越性。它符合配電變壓器實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求，對于監(jiān)控設(shè)備分散的鐵路、油田、農(nóng)村等電網(wǎng)更有實(shí)用意義。

［1］何岸.基于ZigBee的自動電抄表系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［D］.成都：成都電子科技大學(xué)，2007.

［2］XBee／XBee-PRO ZB OEM RF Modules.pdf.

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［8］Komatsu，Masatoshi：Proceedings-IEEE International Symposium on Circuits and Systems Volt-ampere-hour meter using a digital signal processor.

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