基于WSN的高校園區變送電遠程監控系統設計

薛亞平

(揚州工業職業技術學院，江蘇揚州225127)

基于WSN的高校園區變送電遠程監控系統設計

薛亞平

(揚州工業職業技術學院，江蘇揚州225127)

變送電安全監控是保證電力安全、穩定運行的重要環節。結合某高校園區變送電項目，對配變電及電力設備的安全隱患問題進行研究，研制出了變送電安全監控系統。該設計采用了無線傳感網來構建變送電遠程監控系統的底層通信系統，并利用32位ARM處理器S3C6410和新型高精度3相電能測量集成芯片ADE7758，研制了一套配變電安全監控裝置。經測試證明，該設計具有較高的應用價值。

變送電；遠程監控；WSN

高校園區是電能需求量較為集中的場所。同時，隨著電子技術的進步，多媒體教學、各類科研教研活動都離不開電子設備的支撐，這對高校園區內的電力設施的運行和電能質量提出了更高的要求，因此對高校內的電力設施進行24 h的實時監控，對重點實驗室和教室的電能質量進行實時分析，是保證及時發現故障設備和線路，減少停電干擾的必要措施。

變配送電系統是高校園區電力系統的重要組成部分，是電力系統存在安全隱患最為嚴重的部分。據相關資料統計，1960年以來，我國因配變電及電力設備的安全隱患所引起的重大火災事故就有近百起，減少發電供電超過100億度，直接經濟損失達數十億元[1]。而且隨著電力需求的日益增大和電網規模的日益復雜，這個數字還呈上升趨勢。因此，研究可行的先進變配送電安全監控系統，已經成為非常重要和必要的課題。

1 目前監控現狀及改進思路

我國的變送電安全監控的發展始于20世紀80年代，近幾年隨著國內科技水平的提高，也逐步發展成熟，但是還存在著功能較為單一、精度較低、體積相對較大、使用不夠靈活等問題。

隨著高科技技術的不斷發展，高精度的自動化、智能化儀表也紛紛涌現。這些儀表不僅可以完成傳統計量表的計量功能，還具有測量、保護、控制、通信等多種功能，極大地提高了監控的可行性。同時，電子電路技術的發展也使眾多的算法可以在一些處理器中得到很好的體現，為準確監控打下了良好的基礎[1]。

本設計利用現有技術手段，設計出一種基于快速傅里葉變換FFT算法的高校園區變送電監控系統，可以滿足電力監控系統在計量、測量、突變信號處理等方面的高實時性和高可靠的要求。

整個變送電安全監控系統具有智能變送電安全監控和環境控制兩部分功能。主要改進的功能有以下幾項：

(1)監控系統的數據處理采用具有浮點運算能力的高精度ARM芯片，可以適應復雜的快速傅里葉變換，為監控的高準確性和智能化打下基礎；

(2)使用無線傳輸方式進行通信，底層通信采用無線傳感網技術，加強系統的底層靈活性；上層通信采用4G網絡，可以有效支撐系統實時通信的要求；

(3)快速本地操作，USB抄表。當通信系統出現問題時，能以最快的速度在本地操作，實現故障控制，并支持USB抄表，記錄故障情況；

(4)可以自動調節環境溫濕度。

除以上功能外，整個系統的主要核心是智能變送電安全監控部分，要求必須具有計量、遠程實時抄表、用電異常信息自動報警、電能質量檢測、用電檢查、抗干擾等功能。

2 系統硬件設計

根據系統的具體要求，本設計采用模塊化設計，整個系統包括四個模塊，分別為電源模塊、信號實時采集和數據處理模塊、通信和人機接口模塊和系統管理模塊。具體系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框架圖

如圖1所示，系統的核心是ARM芯片，本設計采用的是S3C6410，S3C6410是一款低功率、高性價比、高性能的通用處理RSIC處理器，采用64/32bit的內部總線架構，融合了AXI、AHB、APB總線，具有很多強大的硬件加速器，能有效支撐算法的運行，并把計算后的結果存入Flash進行初步的保存。

電源模塊是為ARM芯片供電的模塊，在本設計中，采用兩種供電方式，一種是USB供電，一種是電池供電，具體電路圖如圖2所示。

圖2 電源電路圖

USB接口、串口、4G接口都是通信接口，串口主要接收底層傳輸數據所用，在本設計中采用的無線傳感網來采集底層數據，無線傳感網的匯聚節點通過串口和ARM片相連，將數據傳輸至ARM芯片，同時接受來自于ARM芯片的控制命令，下傳至無線傳感網的執行機構；USB口供4G通信不暢時利用USB實時傳送數據；4G接口模塊是完成數據由ARM芯片上傳至監控中心，以實現遠程控制。

人機接口部分由液晶顯示和鍵盤組成，供現場控制的完成。

信號采集模塊是系統的最底層。在本設計中，底層通信采用無線傳感網來完成，所采用的技術是ZigBee技術，這是一種低功耗、短距離、低成本的無線傳輸方式，節點之間可以在幾十米的范圍之內進行數據傳輸。節點工作的頻率是2.4GHz，可以免費使用，本設計中節點選用的是CC2530，采取星形拓撲結構，處理星形中心的是協調器，協調器和S3C6410之間利用串口相連，協調器把數據傳輸至嵌入式處理器中。

CC2530內部集成了8051內核，可以對數據進行簡單處理。

電能的測量采用ADE7758芯片，它是一種高精度電能測量IC芯片，支持國際電工委員會的60687、61036、61268、62053-21、62053-22、62053-23等標準，兼容三相/三線制、三相/四線制和其他的三相設備，除能準確提供電壓和電流的有效值，提供波形采樣數據外，還能夠測量有功功率、無功功率和視在功率三種能量[2]。

ADE7758芯片帶有一個串口，可以順利地連接至CC2530中，并將數據傳至無線傳感網的終端節點，再由終端節點，通過路由節點，傳送至協調器，并通過串口傳入S3C6410。

電流和電壓數據的采集采用電流和電壓互感器來完成，采集數據傳入ADE7758，具體結構如圖3所示。

圖3 底層數據采集系統

3 系統軟件設計

系統軟件采用C語言來編寫，具體流程如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

其中，CC2530接收電壓采集數據的程序為：

4 結論

本文利用無線傳感網構建了高校園區的變送電遠程監控系統。該系統利用ADE7758來采集電能的運行數據，利用CC2530來構建底層數據傳輸網，S3C6410來進行電能質量的分析和計算。經實踐證明，該系統可以穩定地提供電能質量的分析，滿足高校園區的電力安全監控的需求。

[1]何正林.配變電安全監控系統的開發與研究[D].長沙：中南大學，2008：9-11.

[2]曲延濱，王建平.基于CAN總線和DSP的變電站監控系統[J].電力系統自動化，2003(12)：86-88.

Remotemonitoring system of university campuspower transm ission and transformation based onWSN

XUEYa-ping
(Yangzhou Polytechnic Institute，Yangzhou Jiangsu 225127，China)

The securitymonitoring for power transm ission and transformation is an im portant link to ensure secure and stable operation of the power.Based on a university cam pus variable transm ission project，the safety problem of distribution substation and power equipmentwas studied，and the variable transm ission security monitoring system was developed.The underlying communication system of remote monitoring system was builtwith w ireless sensor network，and the 32-bit ARM CPU S3C6410 and new type of high precision and three phase powermeasurement chip ADE7758 were used to develop a setof distribution substation safetymonitoring device.The test show that this design has high application value.

power transm ission and transformation;remotemonitoring;WSN

TM 131

A

1002-087 X(2016)07-1505-03

2016-02-25

薛亞平(1978—)，男，江蘇省人，碩士，講師，主要研究方向為無線傳感器網絡。