基于ZigBee的變電站監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

楊波 鄔軍軍 趙德基 高玉寶

摘要：變電站監(jiān)測數(shù)據(jù)有利于運(yùn)檢人員及時了解變電站運(yùn)行狀況，因為變電站監(jiān)測數(shù)據(jù)具有重要價值，變電站數(shù)據(jù)采集的智能化是智能電網(wǎng)重要基礎(chǔ)。隨著無線技術(shù)的發(fā)展，變電站監(jiān)測數(shù)據(jù)智能采集在電力行業(yè)被廣泛的應(yīng)用，其中基于藍(lán)牙、無線WIFI傳輸技術(shù)最具有代表性，但是功耗很大，一般需要外接電源，造成電力資源的浪費(fèi)，成本比較高，并且存在不安全因素。本系統(tǒng)依托ZigBee無線傳輸技術(shù)，設(shè)計一種基于FPGA的變電站開關(guān)柜電能ZigBee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括基于FPGA的采集終端、ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心上位，為用戶提供了一種低成本、高性能的變電站在線監(jiān)測方式。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測數(shù)據(jù)；ZigBee；變電站開關(guān)柜；采集終端；上位機(jī)

中圖分類號：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0140-03

1 技術(shù)介紹

1.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種新型的局域網(wǎng)協(xié)議，相對于藍(lán)牙和無線WIFI無線通訊方式來說。功耗低和短距離通訊是ZigBee最大的特點(diǎn)。在國際上，ZigBee已經(jīng)被納入了國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。目前在國內(nèi)正在逐步普及，比如自動化控制和遠(yuǎn)程控制等。其中應(yīng)用場合可以是不同類型的設(shè)備，總之，ZigBee是一種功耗低、近距離、便宜的無線通訊技術(shù)以及無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

根據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee作為一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，也具有層次結(jié)構(gòu)，由下往上依次為物理層、控制場、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

1.2 SOPC技術(shù)

SOPC全稱為“System-on-a-Programmable-Chip”，意思為“可編程片上系統(tǒng)”，將處理器、輸入/輸出口、存儲器以及需要的功能模塊集成到一個片上，從而實(shí)現(xiàn)一個可編程的片上系統(tǒng)。SOPC技術(shù)是基于FPGA解決方案的SOC片上系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，是計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的重要成果，同時也是處理器應(yīng)用的重要研究和發(fā)展方向。

SOPC結(jié)合了FPAG、PLD所有的優(yōu)點(diǎn)，主要特征如下：

（1）至少需要一個處理器內(nèi)核；（2）容量小片內(nèi)具有高速RAM資源；（3）豐富的資源可供選擇；（4）片上足夠可編程邏輯資源；（5）功耗低以及單一芯片。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

系統(tǒng)利用采集終端采集變電站開關(guān)柜的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，通過ZigBee無線通訊網(wǎng)絡(luò)將設(shè)備運(yùn)行參數(shù)上送到上位機(jī)，上位機(jī)對上送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型格式，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

1.4 采集終端架構(gòu)

采用FPGA芯片和SOPC技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集終端的控制單元；利用ZigBee無線通訊網(wǎng)絡(luò)來上送終端采集的數(shù)據(jù)。其中數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計是主要核心單元，如圖2所示。

電流互感器的信號通過信號調(diào)理模塊，進(jìn)行濾波和放大，之后通過AD接收；信號調(diào)理模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后的信息通過FPGA做數(shù)據(jù)分析和處理，最后把將處理過后的數(shù)據(jù)信息一臺依托ZigBee無線通訊網(wǎng)絡(luò)上送到遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心。

2 模塊設(shè)計

2.1 基于SOPC的FPGA模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

連接圖如圖3所示。

在一個FPGA芯片上可以集成采集終端的所有模塊，比如定時器模塊等等，模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞通過Avalon作為橋梁來實(shí)現(xiàn)的，這種集成的架構(gòu)方式可以運(yùn)行在不同類型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行同時處理，不需要等待，所以不會造成數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象的發(fā)生，并且處理的數(shù)據(jù)量比較大，實(shí)現(xiàn)模塊之間數(shù)據(jù)的正常傳遞。

2.2 信號采集及信號調(diào)理模塊

通常互感器輸出的模擬信號（電流或者電壓）是比較微弱的。因此在對輸電線上的設(shè)備做監(jiān)測時，要考慮到運(yùn)算放大器的質(zhì)量效果，其中低噪聲和低失調(diào)電壓是兩個中重要因素。因此系統(tǒng)選擇INA337來做數(shù)據(jù)調(diào)理的運(yùn)算放大器，原因在于功耗低以及失調(diào)電壓較小。R4是決定芯片的輸出電壓（UMAX）。如圖4所示。

2.3 AD轉(zhuǎn)換模塊

轉(zhuǎn)換模塊是數(shù)據(jù)采集的核心技術(shù)，其芯片的設(shè)計是否合理是關(guān)系到系統(tǒng)是否能達(dá)到應(yīng)用要求的關(guān)鍵。系統(tǒng)采用AD7656作為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的芯片。可以滿足高分辨率、多通道、高轉(zhuǎn)換速率和功耗低的要求，主要應(yīng)用于電力監(jiān)控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

2.4 ZigBee無線模塊

CC253芯片沿用了CC2430芯片構(gòu)架，主要在于它可以以低成本的材料來建立和健全高科技的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，主要將優(yōu)良性能的收發(fā)器RF、具有增強(qiáng)型的8051內(nèi)核、系統(tǒng)自帶編程閃存以及其它的功能。同時還具有多種類型的運(yùn)行模式以及功耗低的性能。同時為了提高了網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器和路由器節(jié)點(diǎn)無線傳輸模塊的性能，采用CC2530和CC2591兩個芯片結(jié)合起來的芯片組來延長ZigBee無線通訊的距離。

3 軟件設(shè)計

3.1 基于Nios軟核的控制流程設(shè)計

具體流程設(shè)計如圖5所示。

初始化主要針對與系統(tǒng)的控制器以及其它輔助設(shè)備的操作，根據(jù)設(shè)備信號中斷情況來判斷下一步流程走向，如果信號中斷，則整個流程結(jié)束。如果信號沒有中斷，則繼續(xù)走模塊流程，如果是開關(guān)量控制模塊，則整個流程結(jié)束，反之走其它模塊進(jìn)行信號的逐一模塊的處理和分析。最終依托ZigBee技術(shù)將處理和分析的數(shù)據(jù)上送到數(shù)據(jù)中心做存儲。

3.2 ZigBee數(shù)傳模塊發(fā)送數(shù)據(jù)流程

具體數(shù)據(jù)流程如圖6所示。

節(jié)點(diǎn)上送數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備和收發(fā)器開始數(shù)據(jù)初始化，首先要確定采集模塊和路由器之間是否通訊。如果通訊，則開始發(fā)送數(shù)據(jù)，反之，采集模塊要重新連接路由器，直到連接成功為止。對于發(fā)送的數(shù)據(jù)也要進(jìn)行檢查數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功，失敗要重新發(fā)送，發(fā)送正確的數(shù)據(jù)上送到終端設(shè)備，最終有終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示和分析處理。

4 結(jié)語

系統(tǒng)依托ZIGBEE無線傳輸技術(shù)，設(shè)計一種基于FPGA的變電站開關(guān)柜電能ZIGBEE數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括基于FPGA的采集終端、ZIGBEE傳輸網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心上位，為用戶提供了一種低成本、高性能的變電站在線監(jiān)測方式。實(shí)現(xiàn)變電站數(shù)據(jù)采集的智能化，為智能電網(wǎng)的大力建設(shè)提供了有力的應(yīng)用價值。