電網參數的異構無線傳感器網絡監測系統

陳飛 朱宗玖

摘 要：針對偏遠地區的電網參數有線監測存在安裝、巡檢和維護成本高，難度大，且容易產生監測盲區，并導致電能輸送效率低的問題，設計了一種基于ZigBee異構無線傳感器網絡的電網參數監測系統。該系統采用CC2530通信模塊實現電網參數的無線采集，利用基于Cortex_M3的多協議網關與監測中心設備通信實現遠程無線監測。測試與仿真表明，該系統能夠實現實時的遠程無線電網參數監測。

關鍵詞：異構無線傳感器網絡；CC2530；Cortex-M3；多協議網關

我國當前的電網覆蓋范圍廣，對于偏遠地區如海島、高原等地方，傳統有線的電網參數監測方式需要大量的通信電纜，安裝、巡檢和維護成本高，實現困難；此外，由于缺乏對輸電線路的運行狀態的實時了解，電力企業的專業分析缺乏實時有效的信息支持，導致輸電線路的輸送效率較低。將無線傳感器網絡技術應用于電網參數監測已成為近年來的技術趨勢，利用WSNs技術在電網參數采集業務中的應用優勢，構建WSNs數據采集網絡。文獻[ 1-4 ] 將基于ZigBee技術的無線傳感器網絡技術應用于輸電線路在線監測，解決了有線布線監測的難題，但只采用GPRS、Wi-Fi、以太網等單一的遠程接入技術；文獻[ 5-7 ]運用基于無線傳感器網絡接入技術實現變電站內電力網絡節點的數據傳輸；文獻實現了配電網無線傳感器網絡監測，但缺乏對遠程數據傳輸的研究。面對電網復雜惡劣的通信環境，單一制式網絡接入功能的網關設備，難以滿足電網參數監測的高可靠性要求。

本文構建基于ZigBee技術的異構WSNs電網參數采集系統，利用基于Cortex-M3的WSNs網關實現WSNs與GPRS、以太網之間的協議轉換和數據轉發，針對不同的應用啟用不同的轉換協議、執行不同網絡之間的協議轉換和數據轉發，實現對電網參數的遠程監測。

1 無線傳感器網絡技術

WSNs綜合了傳感器、嵌入式計算及無線通信三大技術，可以實現人與自然物以及物與物無處不在的對話，同時針對不同的應用對象具有較強的適應性和靈活性。異構無線傳感器網絡是在傳統無線傳感器網絡的基礎上，利用網關接入技術，實現無線傳感器網絡與以太網、GPRS（general packet radio service）等多種網絡的融合。傳感器節點采集感知區域內的數據，進行簡單的處理后發送至匯聚節點；網關讀取數據并轉換成用戶可知的信息，再通過以太網或GPRS進行遠距離傳輸。

2 硬件設計

2.1 系統結構設計

該系統主要完成電網參數的數據采集處理、無線傳輸。傳感器節點負責采集監測區域的電壓、電流等數據信息，并將數據傳送給網關節點；網關節點完成監控終端與采集節點之間的信息交換以及對網絡中監控終端的數據采集、處理、同步、信息傳輸和控制，并利用遠程網絡系統將采集的數據發送到更高一級的監控中心，實現遠程監測輸電線路運行狀況。遠程監測中心為工作人員提供信息支持。

2.2 無線傳感器節點設計

2.2.1數據采集模塊

三相電壓采集采用直接測量的方式，用分壓電阻進行分壓，輸出-1V～+1V之間的雙極性交流電壓信號，將電壓信號調理到單片機的A/D轉換模塊可接收的單極性電壓信號（0～3.0V）范圍，通過RC低通濾波電路，輸入ADC進行轉換。三相電流采集采用精密電流互感器SCT254FK進行調理變換，在互感器負載側接一負載電阻，將電流信號轉換成電壓信號，調理電路同電壓信號調理電路。

2.2.2無線通信模塊

基于無線式SoC CC2530無線通信模塊主要負責電網參數的無線采集。它內部集成了1個高性能的RF射頻收發器和1個增強型C8051微控制器內核，完全滿足短距離無線通信，較強的抗干擾能力。

2.2.3電源模塊

設計中無線通信模塊和數據采集電路分別需要提供3.0V和1.5V的直流穩壓電源。采用低壓差電壓調節器LM1117和帶隙電壓參考芯片REF3030得到3.3V和3.0V直流穩壓電源。利用放大器和電阻分壓實現從3.0V 到1.5V的轉換。

3 軟件設計

本系統采用IAR Embedded Workbench作為嵌入式軟件開發平臺，它是瑞典IAR Systems公司為微處理器開發的一個集成開發環境（簡稱IAR EW），操作方便，用戶能夠在短時間內上手并進行實際項目的開發。

3.1 無線傳感器節點程序

無線傳感器采集節點的基本工作流程，主要包括系統上電自檢、數據采集模塊、數據接收與發送、電源管理等模塊。系統上電后啟動程序，對各端口進行配置，利用中斷的方式執行相應的模塊。

3.2 網關節點程序

網關節點具有雙重功能，一是充當網絡協調器的角色，負責網絡的自動建立和維護、數據匯集；二是作為監測網絡與監控中心的接口，與監控中心傳遞信息。

4 結論

本系統分別從電網參數采集模塊和網關模塊進行研究與測試，采用CC2530無線模塊實現監測區域的無線數據傳輸，與網關節點相互通信。網關節點進行數據的進一步處理、傳送和管理，再通過以太網、GPRS上傳至監控中心。該設計可以實現電網參數的無線傳感監測，數據的傳輸和管理方便，特別適合于偏遠地區、危險區域以及農村的電網參數監測，很好地解決了有線通信的缺點，實現了電網參數的可靠無線遠程監控，為智能電網的實現提供了一個依據。但對于傳感器網絡的網關的多網融合需要進一步的研究，以及數據傳輸過程中WSN網絡的能量損耗，提高WSN的健壯性。

參考文獻：

[1] 桂勛，馮浩.基于無線公網和 ZigBee 無線傳感器網絡技術的輸電線路綜合監測系統[J].電網技術，2008，32（10）：40-43

[2] 段毅.基于ZigBee技術的高壓輸電線監測系統研制[D].江蘇：蘇州大學，2014

[3] 鐘運平，等.基于ZigBee技術輸電線路在線監測系統的研究[J].電測與儀表，2013（05）-0105-05.

[4] 方剛，張雷.基于ZigBee技術的電力輸電線路監測系統設計[J].儀表技術與傳感器，2013（03）-0054-04.

[5] 鄧遠寧.基于無線傳感網絡的獨立電網遠程監控系統設計[D].湖南：湖南大學，2013.

[6] 馮俊青，趙不賄，等.基于GPRS的電網參數遠程監測儀設計[J].儀表技術與傳感器，2009（11）：0031-03.

[7] 畢建剛，等.基于無線傳感網絡的變電站分布式智能在線監測技術[J].電網與清潔能源，2012（11）：0052-04.