一種基于WSN和GPRS的箱式變電站監控系統設計

摘 要： 針對目前箱式變電站內部布線復雜、不易辨識、處理延時等問題，提出一種基于無線傳感器網絡（WSN）和GPRS的箱式變電站監控系統設計方案。結合ZigBee無線傳感技術和GPRS通信技術，實現箱式變電站集中抄表、數據采集和控制、遠程監控等功能。實驗結果證明該系統成本低，穩定可靠，準確度高，具有較高的應用價值。

關鍵詞： 箱式變電站； WSN； GPRS； 監控系統； CC2530

中圖分類號： TN926?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）17?0035?04

Design of WSN and GPRS based monitoring system for box?type substations

HE Biyi， ZHOU Guoping， DING Jianqiang， ZHONG Ji， XING Su

（College of Information Science and Technology， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

Abstract： To solve the problems of complex internal wiring， difficult identification and poor real?time performance of the box?type substation， a design scheme of box?type substation monitoring system based on wireless sensor network （WSN） and GPRS is proposed. In combination with ZigBee wireless sensor technology and GPRS communication technology， the functions of centralized meter reading， data acquisition and control， and remote monitoring of the box?type substation were realized. The experimental results indicate that the system has the advantages of low cost， stable running， high accuracy， and high application value.

Keywords： box?type substation； WSN； GPRS； monitoring system； CC2530

0 引 言

隨著國家城鄉電網的建設與發展，箱式變電站（以下簡稱箱變）作為一種將電網設備集于一體的變配電成套裝置，具有建設快、面積小、功能豐富等特點，得到了廣泛應用。一般而言，為確保箱變的安全性和穩定性需要相關部門定期進行維修和試驗，這樣一方面消耗人力物力，另一方面其監測數據僅局限于歷史記錄和當前監測，存在一定的時滯性。GPRS作為當前主流的通信技術被應用于各類監控系統中以實現信息交換和傳輸的目的。然而該裝置大面積使用會產生較大的傳輸流量費用，成本較高且穩定性不能保證。與此同時近幾年興起的ZigBee技術[1?3]具有覆蓋面廣、穩定性好、監測精度高、低功耗等特點，但是它的局限性在于傳輸距離近，不能滿足遠程監控的要求。本文所設計的基于WSN和GPRS的箱式變電站監控系統集電網遙測、遙控、記錄存儲、定位于一體，實時監測電力設備，定位準確，避免有線傳輸的線路布局，降低了傳輸費用，實現遠距離通信。

1 系統總體結構

本系統由終端節點、協調器節點和上位機監控系統三部分組成，結合ZigBee與GPRS各自優勢實現協調器節點與上位機的實時通信。終端節點負責采集箱變內部高壓柜、變壓器室、低壓柜的電參量、開關量、溫濕度環境信息，信息處理后通過ZigBee多跳路由協議的方式將采集到的數據傳輸給協調器節點。協調器節點微控制器負責分析數據并存儲記錄，通過GPRS網絡經過協議轉換后上傳至監控中心或管理人員的手機。監控中心通過GPRS網絡下達控制命令，控制箱變內部開關量如電容投切、斷路器通斷等。系統原理結構圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 終端節點設計

CC2530是TI公司生產的一款支持IEEE 802.15.4/ZigBee協議的片上系統芯片[4?5]。CC2530具有較為先進的RF收發器性能及增強型8051 CPU，本身帶有的8 KB RAM在各種供電方式下具有數據保持能力。RF射頻收發器具有很高的接收靈敏度和抗干擾能力，輸出功率可以進行編程調節，具有成本低、功耗低等優點。CC2530在終端節點負責采集電參量、非電參量、開關量等數據信息，并利用內部發射器將數據信息通過ZigBee組網發送至協調器節點。同時接收協調器發送的控制命令，控制箱變內部風機開關狀態，控制繼電器通斷從而實現對箱變內部斷路器、電容投切等開關的狀態控制。

本系統采集的非電參量主要指箱變內部溫濕度變量。系統選取溫濕度傳感器SHT11[6?7]檢測箱變內部環境。SHT11溫度傳感器內含溫度傳感器和濕度傳感器，通過二線數字以串行方式輸出，且內部包含校驗存儲器用于測量校準，其特有的溫度補償和露點計算功能確保了檢測結果的可靠性和穩定性。

電參量采集選取深圳珠海炬力公司生產的專用電能計量芯片ATT7022B[8?9]，其內部集成電路能夠滿足本設計對箱式變電站內部的電壓、電流、功率、電能等電力參數的測量，且支持軟件校表，可通過SPI接口與微控制器進行電力參數、校表信息的傳遞。在電壓、電流信號采樣電路中，由于實際工作時的箱式變電站三相電流較大，如果采用電流分流器，在高溫、重載的情況下易影響精度，因而在電流采樣電路中選取5 A/2.5 mA電流互感器，采用差分輸入方式，并聯兩個100 Ω電阻，確保電流采樣信號在0.1 V左右。電壓采樣選取電阻分壓方式，利用電阻分壓將電網中的交流電通過線性比例變換為適合芯片識別的小電壓。為保證測量的精準度，本系統選取穩定性強，溫度飄移小于25 ppm/℃的精密電阻。同時為了防止采樣可能引起的失真，采樣電路中電阻1.2 kΩ和電容0.01 μF構成了抗混疊濾波器。A相電壓、電流采樣電路，如圖2所示。

箱變內部結構復雜，易產生干擾，因而在采集開關量和控制開關量的過程中選用光耦TLP521進行光電隔離，防止信息誤判與開關誤動作。如圖3所示，開關量輸入信號經過光電隔離進入微控制器I/O口，為防止干擾加4.7 kΩ上拉電阻。開關量輸出通過I/O口，經過光電隔離，傳遞給繼電器驅動外部開關。電路中加入1N4007續流二極管，用于防止三極管被擊穿。

2.2 協調器節點設計

協調器節點選取MCU+RF收發器的方案。MCU選擇STM32F103C微控制器，RF收發器為CC2530射頻芯片。協調器節點接收終端節點發來的數據信息，通過GPRS模塊在線發送至上位機供后臺管理分析。協調器節點需要接收大量的數據，其中包括系統參數、歷史數據、異常檢測等，因此配備時鐘模塊DS1302和E2PROM芯片，用于事件記錄并提高微控制器的存儲能力。E2PROM芯片選取X5043芯片[10]，該存儲器集上電復位控制、看門狗定時、降壓管理以及快速保護功能于一體，減少了成本并且提高了系統的穩定性。本系統選取GTM900C作為通信媒介[11?12]，該模塊具有GPRS永久在線的功能，具備EGSM 900/GSM 1800雙頻段，短信模式為Text和PDU模式，本身帶有內嵌TCP/IP協議棧，非常適合本系統要求的實時在線監測功能，且開發方式簡便，開發效率較高。該模塊與微控制器通過RS 232串口連接，微控制器發送AT指令，實現信息調制、解調和轉換。協調器節點硬件框圖如圖4所示。

3 軟件設計

3.1 終端節點軟件設計

終端節點是監控系統的核心部分，負責監測箱變工作時的電力參數、開關機構的開閉情況、溫濕度等環境參數，與協調器進行數據命令的交換，以單跳方式傳輸檢測參數，并接收協調器命令控制開關量狀態。終端節點在數據采集過程中依次初始化ZigBee協議棧，其中包括工作模式選擇、參數設置、寄存器初始化等，完成初始化后申請加入ZigBee無線通信網絡，得到允許后綁定目標地址，進入自定義函數，執行數據采集與控制命令程序。在數據采集過程中設置定時器，以較短的時間間隔接收協調器傳來的開關控制命令，從而保證及時有效地執行上位機下達的命令。數據采集完畢后打包處理，在接收協調器確認命令后發送數據。終端節點軟件流程圖如圖5所示。

3.2 協調器節點設計

協調器節點在本系統中負責建立網絡、自動組網、接收數據、傳遞指令、GPRS通信、存儲記錄，實現終端節點數據的采集和無線發送。在協調器節點軟件部分，首先進行初始化選擇信道組建ZigBee網絡，然后生成無線網絡短地址，等待終端節點發送入網請求，組網成功后分配地址、接收處理數據并存儲，再通過GPRS將數據包發送至上位機，同時接收上位機發送的控制命令，執行相應機構動作，控制開關通斷。協調器節點流程圖如圖6所示。

3.3 上位機界面設計

針對集中抄表，遠程監控等功能，設計了監控系統界面，如圖7所示。通過下拉菜單選擇監控對象，數據采集部分實時顯示變化的電力參數；開關控制部分實現遠程監測箱變內部開關狀態，并根據需要遠程控制箱變內部的開關投切；上位機針對實時采集到的數據進行數據分析，自動生成變化曲線，有助于后期電能管理分析；事件記錄用于顯示箱變內部發生的過載、斷相、失壓、失流等事件，使箱變的管理具有時效性，真正達到無人值守。

4 系統抗干擾設計

4.1 硬件抗干擾設計

為了使系統測量精確、運行可靠，需要采取抗干擾措施。為了避免強電信號對弱電信號的干擾，采用互感器進行隔離。設計旁路電容和退耦電容抑制電源噪聲干擾。開關量輸入輸出均設計光電隔離及上拉電阻，確保信號穩定，免受干擾。模擬電路和數字電路分別設計模擬地和數字地并分開布線，從而提高模擬地和數字地的抗干擾能力。

4.2 軟件抗干擾設計

本系統采用電能計量芯片分時復用技術，需要保證電能測量的精度，因而選用數字加權求平均值的方法，多次讀取電力參數取平均值計算，避免干擾信號產生的計量誤差。為防止程序進入“死循環”的現象，加入“看門狗”技術，當程序出現“死循環”時，“看門狗”立即復位，從而避免檢測不準確。

5 測試結果與數據分析

5.1 電壓、電流精準度

測試選用標準測試儀分別作為恒壓源、恒流源對系統進行測試，測試結果如表1和表2所示，經測試驗證，該系統各相電壓、電流相對誤差均小于0.5%，達到精度0.5級以內的指標要求。

5.2 遠程控制抗干擾測試

為了確保系統開關量遠程控制和檢測的準確性、穩定性、可靠性，對系統釋放一系列干擾源進行抗干擾測試。靜放電干擾測試按照GB/T17626.26相關規定執行，快速瞬變脈沖干擾測試按照GB/T17626.4相關規定執行，浪涌干擾實驗按照GB/T15153.1相關規定執行。在正常大氣壓下，用干擾發生器對系統依次進行干擾測試，系統工作正常穩定，測試結果如表3所示。

6 結 語

本系統結合WSN無線傳感網絡與GPRS通信二者的優勢，設計了一種箱式變電站監控系統，該設計的創新點在于免去了布線復雜的困擾，采用分布式結構提高了無線傳輸的距離，降低了傳輸成本。還設計了上位機界面，實現了遠程監控、集中抄表，數據采集等功能。 經實驗測試，該系統計量精確、抗干擾能力強、傳輸速率高，在電網自動化領域具有廣闊的應用前景。

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