基于ZigBee技術的電能質量監測系統的研究與設計

摘 要：針對現有電能質量監測儀在智能電網運行中存在布線難、工程量大、成本高、難維護等問題，本文提出了基于加窗FFT和全相位FFT相結合的電力系統諧波檢測算法，測試結果表明，該算法在諧波檢測時，對信號的幅值、相位和頻率測量值檢測精度較高。并給出了一種基于ZigBee技術的便攜式電能質量監測系統的整體設計以及軟硬件設計方案。

關鍵詞：智能電網；電能質量監測；無線通信

中圖分類號：TM764 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 24-0000-02

電能質量問題帶來的影響已非常嚴重，對電能質量進行時實時監測已迫不及待。采用ZigBee技術來實現電能質量的監測是實現監測系統智能化、網絡化、無線化的一條可行之路。新一代的監測系統尚需突破系統成本、有效地檢測算法、數據統一分析等方面的挑戰。

電能質量監測整個系統主要由三部分組成：電能質量數據檢測設備、ZigBee接收/發送設備和終端設備。電能質量數據經檢測設備采集后傳至ZigBee模塊，再經ZigBee模塊發送出去，經過無線網絡最后由終端設備接收。本系統可實現三個功能，即電能質量數據實時檢測功能，電能質量數據實時傳輸功能和終端數據監測分析功能。

一、ZigBee應用于電力系統通信的實現

（一）無線傳感器網絡通信標準的選擇

2000年12月IEEE定制了802.15.4/Zigbee協議即完整的Zigbee協議套件[1]。它包括了高層應用規范、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層，其中IEEE負責定制了物理層和MAC層的協議，而從網絡層到以上的協議則由Zigbee聯盟來完成。該協議的突出特點是網絡系統極低成本、極低功耗、易實現、可靠的數據傳輸、短距離操作、各層次的安全性等[2]?；赯igBee各方面的優點，ZigBee技術在電力通信行業也必將得到良好的應用，是監測電能質量數據的一項首選技術。這是因為ZigBee具有如下特性：魯棒性，即通信可靠性；實時性，ZigBee技術完全可以滿足實時性的要求；安全性，電磁兼容性。

（二）Zigbee無線網絡硬件電路的實現

遠程數據的采集可以通過分布在各個檢測區域的ZigBee無線網絡數據采集節點實現數據的無線釆集，將得到的數據匯總到信息平臺進行處理。系統可以自發的進行數據的采集和記錄處理，那么系統需要有以下的功能：

（1）定時自動向信息平臺發送采集數據。

（2）信息平臺可以對特定節點進行參數設置和控制。

（3）節點的添加和移除要平滑，不能對系統造成影響。

（4）系統的運行要節省能源，使得遠程節點可以長時間的工作。

（三）Zigbee無線網絡節點工作協議的設計

Z-Stack是TI專為自己生產的CC2430芯片設計的ZigBee 2006實現體。Z-satck協議棧支持三種邏輯設備類型：協調器（Coordinator），路由器（Router）和終端設備（End-Device在本文中就是傳感器Sensor）。在一個ZigBee網絡內，大多數情況下都是由一個Coordinator，多個Router和多個Sensor組成的網絡。

三、基于加窗FFT和全相位FFT的諧波檢測算法

快速傅里葉變換是對諧波進行檢測的最直接有效方法，然而“頻譜泄露”和“欄柵效應”使得它在特定條件應用時顯現出較大的缺陷。因此，本文從提高檢測諧波精度出發，提出了基于加窗FFT和全相位FFT相結合的電力系統諧波檢測方法。

（一）加窗插值FFT算法

本文選用有IEC推薦的hanning窗，它的主瓣寬度、旁瓣峰值以及旁瓣衰落速度可滿足對諧波測量精度的要求。

余弦窗的一般表達式為：

（1）

其中，n=0，1…N-1。

當k和a的取值不同，將決定不同的窗函數。當k=1，a0=a1=0時，即為hanning窗。

（二）加hanning窗插值FFT算法

通過matlab進行算法的仿真，假設信號：

（2）

其中，n=1，…7；f0=50.2HZ，An、Φn分別為基波、二次諧波到七次諧波的幅值和相位。

加hanning窗插值算法對諧波幅值和頻率的計算精度接近理論值，誤差控制在1%以下，滿足響應諧波檢測的國家標準。加hanning窗插值FFT算法對相位的處理還不夠精確，最高的誤差為1.8。這就需要引入全相位FFT算法進行相位校正，以求得更高相位精度，滿足諧波檢測的國家標準。

（三）全相位FFT算法

全相位FFT算法是基于解決信號截斷產生的誤差而提出的，具體解決信號經離散傅氏變換處理后相位偏離較大的問題，其數據處理過程如下：

在輸入序列x（n）中取出2N-1個樣本點（n=-（N-1），…0，…，N-1），乘以三角函數窗后得到以x（0）中心的序列（N-|n|）X（n）。

對序列做FFT變換，然后取振幅或者振幅的平方輸出，即為APFFT算法處理過程。APFFT的變換譜幅值計算公式為：

Y（k）=F2g（kΔω-ω）ejθ，k∈[0，N-1] （3）

其中，ω為為角頻率，θ為初始相位。從式中可以看出幅值的變化與初相位無關，說明全相位FFT算法具有“相位不變特性”。這種特性提高了相位的計算精確度，與加窗FFT相比極大地減小了誤差。

四、基于ZigBee技術的電能質量監測系統設計

本文提出的基于ZigBee技術的電能質量實時監測系統，具有低成本，高可靠性，高容量、組網簡單等特點，適用于電能質量的實時監測，對提高生產效率，節能減排具有實際意義。

（一）能質量監測系統硬件設計

系統主要由三個功能模塊組成：無線采集部分、變電站內部傳輸部分和遠程傳輸部分。本文主要完成變電站內部數據采集、無線傳輸過程中相關硬件設計。

數據采集模塊硬件設計如圖1所示。它主要負責采集電力系統的三相電壓和三相電流6路數據，主要由數據采集前端、無線傳輸模塊和能量供應模塊組成。

圖1 數據采集模塊原理圖

電壓、電流等數據采集時，由于相與相之間相角相差120o，故采用分相處理的方式，即對每相數據分別采集，然后進行數據傳輸。

網絡協調節點屬于全功能節點（FFD）。監測系統中有且只有唯一的協調器節點，其主要任務是負責組建ZigBee網絡、發送網絡信標、管理采集節點、存儲采集節點信息和網絡消息的路由選擇等工作。CC2430芯片內部集成了微處理器和射頻收發模塊，可以通過直流電源直接供電。同時，CC2430可以通過RS232串行接口連接計算機，將接收到的電能質量數據發送到計算機中，最后通過計算機上安裝的電能質量分析軟件來觀察串口輸出的電能質量數據，進行更加科學的管理和分析。

（二）電能質量監測系統軟件設計

電能質量監測系統的整體軟件架構，主要包括采集節點軟件設計、ZigBee發送/接收數據設計、路由器節點軟件設計以及ZigBee組網程序設計。

系統首先初始化相關設備。在電壓、電流傳感器正確接入后，開始采集數據。若數據采集正確，則發送給ZigBee無線模塊，并由它發送到下一個節點。下一個節點接收的數據正確的情況下，則把數據發送至終端數據處理中心，由數據處理中心分析計算電能質量數據，包括電壓畸變率、諧波電流等。最后在監控中心將電能質量數據以圖形和報表的方式顯示出來。

五、系統測試及數據分析

節點通信距離測試，驗證監測系統中功能節點的有效通信距離。波特率由以下公式給出：

（4）

其中，F為系統時鐘頻率（32MHz）。實驗中，CC2430的波特率設置為57600bps。

通過分析實驗數據，可以發現當D≤25m時，丟包率較低（≤1.36%），可以認為網關節點和節點之間的通信穩定可靠。當D>30m時，丟包率急劇增大，已經不能滿足網關節點和節點之間的通信要求?？紤]到通信可靠性的特殊要求以及監測系統位置的選取，可在25m范圍內安排節點位置及數目。

傳輸結果表明，本系統在監測電能質量時可以及時監測到關于電能質量的。各種不良情況，方便作出及時處理。在傳輸試驗中，ZigBee展現了良好的數據穩定傳輸能力，對所測得的電能質量數據可以準確無誤的傳輸。

六、結束語

本文通過對ZigBee技術的發展現狀和趨勢的分析，提出了一種基于ZigBee技術的電能質量監測系統，通過數據傳輸實驗，有效地驗證了本監測系統的可行性及穩定性。總之，本電能質量監測系統可以滿足電力通信系統的要求，克服了電能質量數據有線傳輸方式下布線難、成本高的缺點，實現了變電站無線化，具有一定的工程應用價值。

參考文獻：

[1]廣建設.基于DSP的電能質量監測儀設計與開發[D].湖南大學，2010.

[2]Celal Koeatepe，Asian Inan，Oktay Arlkan etc.Power quality assessment ofgrid-connected wind farms considering regulations in Turkey[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009（09）：2553-2561.

[作者簡介]華良（1982-），男，浙江杭州人，應用電子專業教師，主要從事電力系統繼電保護、自動化裝置、計算機控制技術研究；馮鐘（1982-），男，浙江杭州人，應用電子專業教師，研究方向：電子技術、自動控制技術；葉芊芊（1980-），女，浙江杭州人，應用電子專業教師，研究方向：數字電路、單片機技術。