應用于變電站工況信息監測的無線傳感器網絡設計

李建強

（大唐三門峽電力有限責任公司，河南 三門峽 472143）

應用于變電站工況信息監測的無線傳感器網絡設計

李建強

（大唐三門峽電力有限責任公司，河南 三門峽 472143）

為監測變電站工況環境，保障電力設備安全運行，同時改善傳統監控方式施工繁瑣、成本高等缺陷，本文提出基于無線傳感器網絡技術的變電站溫濕度等環境信息的監測方法。采用TI公司的16位處理器MSP430F149和CC1100射頻模塊，借助SHT10溫濕度一體傳感器，基于SimpiliciTI協議設計433MHz頻段的無線傳感器網絡。試驗表明無線傳感器網絡的傳輸距離及數據丟包率均滿足監測需要，效果良好。

變電站；環境監測；無線傳感器網絡

變電站作為電力系統的重要組成部分，其運行可靠性直接影響著電力的穩定可靠供給［1-3］。工況環境的實時監測，是監管與預防變電站災難發生的一個重要途徑。傳統的變電站工況環境監測多以有線方式進行，這種方式不但成本高，戶外施工繁瑣，工作量大，而且數據線路易老化而影響信息監測。隨著智能電網建設的加快，越來越多的科研單位在該領域展開了研究［4-7］。趙龍等［8］對GSM通信在配變電監測中的應用進行了相關實踐研究；于朝輝等［9］借助無線公用網絡通信，配合計算機系統組建了居民區變電站環境信息的采集與存儲，完成對變電站運行環境的監控。無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）技術憑借無線、低功耗、自組網、應用領域廣等特點，也越來越多地被應用于電力系統的信息傳輸與監測［10-12］。本文基于433MHz ISM頻段，結合嵌入式及傳感器網絡等技術，研制了應用于變電站溫濕度及露點信息監測的無線傳感器網絡，并進對網絡通信性能進行試驗研究分析。

1 系統方案

本系統采用自主設計的軟硬件方案，組建一個基于433MHz的無線傳感器網絡，并借助各種傳感器對變電站的環境信息進行分布式采集，無線傳感器網絡應用架構如圖1所示。

圖1 無線傳感器網絡應用架構

環境信息監測網絡由環境信息采集節點和信息匯聚網關兩部分組成，系統運行后，信息匯聚節點發起并組建網絡，并為入網的采集節點分配唯一的網絡ID；采集節點融合了溫濕度傳感器，并可計算露點信息，當監聽到網關下達的“采集”命令，立即進行相應環境信息的采集，并自尋路徑完成向匯聚網關的數據轉發；匯聚網關集成了異構網絡轉換模塊，為實現局域網或Internet接入提供接口。

2 硬件

2.1 采集節點

環境信息采集節點以TI公司的16位FLASH型混合信號處理器MSP430F149為核心，包括射頻模塊、電源模塊、JTAG模塊、傳感器模塊，節點硬件結構如圖2所示。

其中，射頻模塊采用TI公司基于IEEE 802.15.4標準開發的CC1100芯片設計的433MHz射頻電路，該模塊經4線SPI兼容接口（SI、SO、SCLK、CSn）與MCU連接，支持多種調制格式（MSK、ASK、FSK等）和傳輸速率配置（傳輸速率范圍0.6～500kb/s），結合跳頻通信技術實現短距離無線通信。

采用4線制IIC接口的二合一Sensirion溫濕度傳感器——SHT10進行溫濕度采集。應用了工業CMOS過程微加工技術，由電容式聚合體測濕元件、能隙式測溫元件、A/D轉換器和一個串行接口電路組成。SHT10采用典型工作電壓3.3V DC供電，SCK引腳用于與MCU的通訊同步，DATA引腳采用10K電阻上拉，向MCU輸出溫濕度數據。每次采樣傳感器內部均對數字信號進行校準而后輸出，具有快速響應、抗干擾能力強等優點，性能指標見表1。

節點電路采用雙層電路板設計，傳感器經信號線引出，便于安裝測量。

表1 SHT10參數

2.2 匯聚網關

匯聚網關采用與節點同構設計的原則，為實現與遠程監控系統的通信，在節點硬件基礎上擴展了通信功能模塊。為支持以太網通信，通信功能模塊采用了串口轉以太網的異構網絡轉換模塊。異構網絡轉換模塊組成如圖3所示。

圖3 異構網絡轉換模塊示意圖

LPC1114為NXP公司基于Cortex-M0內核的微控制器，是連接RS232串口與網口芯片ENC28J60的中間環節，ENC28J60支持輕量級的TCP/IP通信協議——uIP協議，通過SPI接口與LPC1114進行數據交互，實現數據的雙向通信，ENC28J60性能指標如表2所示。

此外，該芯片的TTL電平類型能夠直接與LPC1114兼容，最高速度能夠達到10MB/s。

3 軟件

3.1 網絡協議移植

常用的低功耗無線通信協議有藍牙、Wi-Fi、ZigBee等，本研究采用TI公司推出的SimpliciTI通信協議，在設計的硬件基礎上創建433MHz的傳感器網絡，相較于Zig-Bee等2.4GHz頻段有更好的穿透性，傳輸距離更遠。SimpliciTI協議棧包括BSP層、MRFI層、NWK層和NWK Appication層，協議棧架構如圖4所示。SimpliciTI移植采用IAR 5.3開發環境，主要接口如表3所示。

圖4 SimpliciTI協議棧結構

表3 主要接口說明

表2 ENC28J60特性

采用IAR Embedded Workbench開發環境，完成SimpliciTI協議棧在MSP430F149上的移植。

3.2 溫濕度采集

SHT10傳感器具備溫度及濕度采集功能，并可根據采集的溫度及濕度值，實時計算空氣露點，溫度及濕度采集表達式如式（1）和（2）所示：

式（1）（2）中，T為溫度值，RH為濕度值，DT和DRH分別為傳感器輸出的溫、濕度數字量，d1和d2是分別與電源電壓和所采用的分辨率相關的參數，m1、m2和m3為與分辨率相關的參數。由于選用的3.3VDC供電電源及12bit采樣精度，參照官方手冊，相關參數設定如表4所示。

表4 SHT10參數值列表

露點Dp通過T和RH計算得到，計算公式如下：

3.3 軟件流程

調用SimpliciTI協議接口，對采集節點和匯聚網關進行軟件實現。設計流程如圖5所示。

系統上電完成時鐘、硬件初始化后，匯聚網關即發起無線傳感器網絡的建立，各節點初始化完成后，即開始向匯聚網關（協調器）請求建立鏈接，當網關偵聽到節點的請求入網命令后，便為每個節點分配一個地址唯一的網絡ID，并告知節點入網成功；設計的采集節點為被動響應類型，當匯聚網關接收到遠程上位機的信息采集命令時，即將該命令向網絡內所有節點進行轉發，節點收到命令后隨即進行溫濕度數據采集和露點的計算，然后再通過無線的方式轉發至匯聚網關；匯聚網關收到節點數據后，則通過串口轉發出去，經異構網絡模塊轉發給遠程上位機。

4 試驗及結論

整合設計的軟硬件，對無線傳感器網絡進行傳輸距離測試及通信質量測試，試驗方案如下：在10kV變電站附近，取節點與網關各一個，設定節點與網關相距200m且視距無障礙，天線距地面高度2m，發射功率0dBm，天線增益5dB，網關采用RS232與PC連接，通過串口調試助手周期發送100次1個字節的采集命令，節點返回數據格式“T025.00H010.00P-08.69”共21個字節。接收數據統計結果顯示：有效數據100組，計2 100字節，有效字節數2 100，丟包率及錯誤率均為0%，具有良好的通信性能，適用于變電站環境信息監測。

圖5 軟件流程圖

［1］彭州紅，馬國強，吳金勇，等.嵌入式電力監控系統的研究與實現［J］.工業控制計算機，2005（4）：12-13.

［2］羅毅.電力系統安全監控的理論及方法研究［D］.武漢：華中科技大學，2004.

［3］錢毅.基于云計算和視頻智能分析的變電站視頻及環境監控系統升級方案的設計［J］.電力學報，2011（2）：151-155.

［4］劉美俊，黃菊生，胡俊達.供電設備智能環境監控儀的設計［J］.華東電力，2003（8）：59-60.

［5］秦業，袁海文，袁海斌，等.電力設備運行環境溫度遠程監控系統的實現［J］.低壓電器，2011（12）：19-23.

［6］余貽鑫，欒文鵬.智能電網［J］.電網與清潔能源，2009（1）：7-11.

［7］黃科文.變電站視頻及環境監控系統的設計與實施［D］.廣州：華南理工大學，2010.

［8］趙龍，李仁俊，車仁飛.GSM應用于配變監測的研究［J］.電力系統及其自動化學報，2003（4）：55-57.

［9］于朝輝.居民區變電站運行環境監測與綜合分析系統［D］.北京：華北電力大學，2011.

［10］幸敏，寧愛民，龍祖連，等.基于nRF2401A的無線環境監控系統設計［J］.廣西教育，2014（7）：190-192.

［11］劉俊材.物聯網環境下電力傳輸線路安全監控系統體系架構研究［J］.電子設計工程，2014（16）：155-158.

［12］郭麗霞，李正斌，楊欣.基于MSP430F2012和CC1100的無線溫濕度傳感器節點設計［J］.電子與封裝，2010（7）：12-15.

Design of Wireless Sensor Network Applied in Substation Condition Monitoring

Li Jianqiang
（Datang Sanmenxia Power Co.,Ltd.，Sanmenxia Henan 472143）

In order to monitor the working conditions of substations,to guarantee the safe operation of power equipment,and to improve the traditional monitoring system construction complex and high cost,this paper presented the monitoring method of wireless sensor network technology in substation based on the information of temperature and humidity environment.Using TI's 16 bit MSP430F149 processor and RF module CC1100,with SHT10 temperature and humidity sensor,this paper designed 433MHz band wireless sensor network based on the SimpiliciTI protocol,to monitor temperature,humidity and dew point information of substation operation condition.The experimental results show that the transmission distance and the packet loss rate of wireless sensor network can meet the monitoring needs.

substation；environmental monitoring；wireless sensor network

TM764

A

1003-5168（2017）05-0021-03

2017-04-21

李建強（1983-），男，工程師，研究方向：電力系統自動化及保護。