基于ZigBee技术的电能质量监测与分析

常 青 叶云龙 史 进

（1.河北建筑工程学院，河北 张家口075000；2.河北北方学院，河北 张家口075000）

0 引 言

电能是由电力部门向用户提供的一种市场化的特殊商品，与其他商品一样，人们对其质量的要求越来越高.随着科技的发展，电力电子技术在工业生产中的应用，电网中非线性、时变性负荷容量的日益增长，使得电能质量问题日渐突出.不良的电能质量必将影响精密生产工艺流程和高精度工业设备的正常生产，对生产生活造成损失.因此，对电能质量的要求和管理日趋严格，其已成为由发电、供电、用电三方共同关注的一个焦点问题，成为电力工作者所面临的重要任务.而传统的变电站对电能质量进行监测时多采用有线的方式来采集信号，工程量大、成本高，不利于后期维护.因此，本文提出了基于ZigBee无线通信技术的电能质量监测分析系统.

1 系统整体方案设计

该系统分为三个主要组成部分，一是信号采集调理部分，可实现电信号的实时监测；二是ZigBee无线模块接收／发送部分，可实现电信号的实时传输；三是上位机LabVIEW监测软件，可实现电能质量的监测和分析.系统总体框图如图1所示.

图1 系统总体框图

信号采集调理部分：采用有线的方式，通过电压电流互感器采集电网实时电压和电流信号，并将其值变换到一定范围之内，再通过信号调理电路将其电平变换为ZigBee模块的可用信号，实现电压、电流数据的实时采集.

ZigBee无线模块接收／发送部分：ZigBee模块负责电信号的接收和无线发送，将信号传送到终端设备.上位机LabVIEW监测软件：接收无线模块传输来的电压电流信号，编写电压偏差、有效值、有功功率、无功功率、视在功率、三相不平衡度等电能质量指标的监测和分析程序，通过良好的人机界面显示出来，并将分析结果与国标进行比较，评价该监测点电能质量的优劣.

2 系统硬件设计

系统采用电压／电流互感器对电网电压／电流进行实时采集，将采集到的信号通过信号调理电路进行电平移动和量程转换后，得到A／D转换器适用的输入电压范围.选用无线模块CC 2530芯片，及时把现场采集的电能相关参数通过ZigBee协议以无线通信的形式发送到接收模块，再传送到上位机.

（1）电压互感器

电压模拟信号在接到无线模块之前，需要把强电信号转换成符合无线模块输入量程要求的弱电信号，为保证系统安全可靠，强弱电信号在电气上是隔离的，因此需采用电压互感器.电压互感器就是降压变压器，在测量交变电流的大电压时，为能够安全测量，在相线和地线之间并联一个变压器，这个变压器的输出端接后续电路，输出电压小于输入电压，输出电压符合后续电路的电压输入要求.互感器需要精度高、线性度好，保证信号采集和转换的准确性，为测试分析处理奠定基础.本系统采用的是基于霍尔原理的闭环补偿电压互感器，产品性能符合国标，精度高、线性度好、质量优.电流互感器工作原理类似.

（2）信号调理电路

交流电压互感器以0～5V的交流电压作为输出信号.因A／D模块的外部基准输入信号范围为0～3V，因此需要有合适的调理电路，以实现A／D输入的要求.交流电压调理电路包括以下三部分：射极跟随器，提高电路的输入阻抗；电压偏移电路，实现电平移动；箝位限幅电路，以保证输出电压信号满足A／D输入信号范围.

（3）CC 2530检测节点和路由节点

CC 2530芯片大致包含三类模块.CPU和内存相关的模块；外设、时钟和电源管理相关的模块、无线电相关的模块.其拥有适应2.4GHz IEEE 802.15.4协议的RF收发器，拥有标准的增强型8051 CPU，128KB的可编程闪存，8KB RAM，8路输入和可配置分辨率的12位ADC，并具有低功耗的优点.检测节点安装在需要监测的电力设备附近，由于节点如采用电池供电电源能量有限，而本系统是对电信号进行监测的，可以同时利用电信号进行供电，采用在电力设备电源进线端基于电磁感应原理套接取能线圈的方式，将导线电磁能量转换到二次侧，再经整流滤波等环节实现隔离式供电.路由节点不需要接外围电路，供电方式可采用电池供电，实现无线信号发射和接受的功能.

图2 软件总体流程图

3 系统软件设计

（1）总体设计首先保证电压传感器正常工作，开始采集数据，如果数据采集正确，就发送给ZigBee采集节点，若不正确返回重新采集.由采集节点将数据发送到下一个节点，最简单的ZigBee网络可以只有一个采集节点和一个接收节点，如果是规模庞大的复杂的网络中间可以有多个路由节点.之后如果下一个节点接收数据正确，则把数据发送至上位机，通过LabVIEW软件编写电能质量分析程序，计算出电能质量指标，将结果以波形图、数据表的形式显示出来，如收发数据不正确，则重新收发数据.系统的软件总体流程图如图2所示.

（2）无线模块软件设计

本系统采用嵌入式IAR Embedded Workbench作为软件开发平台，其适用于大量8位、16位以及32位的微处理器和微控制器，它为用户提供一个具有最大量代码继承能力的简单易学的开发环境.通过IAR工具，可以有效提高用户的工作效率.通过该开发平台主要进行以下软件设计，包括采集节点软件设计、Zig－Bee模块收发数据设计、路由节点设计、ZigBee组网程序设计等.

（3）监测界面软件设计

该系统管理软件采用LabVIEW语言编程.LabVIEW由美国国家仪器公司研制开发，使用的是图形化编程语言G语言，产生的程序是框图形式.LabVIEW软件是虚拟仪器设计平台的核心，具有良好的人机界面，也是开发测控系统的理想选择.

在本系统中，将无线模块接收到的电压电流信号通过串口接收程序传送到计算机后台进行数据分析、处理，在前面板以数据窗口或图形图表的形式显示电流、电压有效值、电压偏差、频率偏差、功率（有功功率、无功功率、视在功率以及功率因数）、三相电压、电流不平衡度等电能质量参数的处理结果，并同时分析这些结果.图3是在某低压用户侧采集的单相电网电压的变化曲线，采样点为207，有效值数据大多集中在230V到234V，平均值约为231.92V，电压偏差5.42%，小于电压偏差标准（GB／T 12325－1990，220V单相供电允许偏差为＋7%）.说明该监测节点的电压偏差指标合格.

图3 单相电压波形与分析

4 结 论

本文提出了基于ZigBee技术的电能质量监测与分析方案，通过低压用户侧的实验结果验证了其有效性和良好的数据传输能力，并利用虚拟仪器软件创建了良好的人机界面，方便实时监测、分析和控制.将该系统应用于变电站自动化监测，可以实现无线化、低成本，具有很好的应用前景.

［1］滕志军，王中宝，等.基于ZigBee的电能质量监测分析系统［J］.电测与仪表，2012（2）：68～70

［2］马丽萍，张卫国.基于ZigBee的电能质量监测系统的研究与设计［J］.电源技术，2012（8）：1192～1195

［3］陈珍萍，欧阳名三，刘淮霞.基于ZigBee的电能质量检测节点设计［J］.低压电器，2011（9）：37～40