基于ZigBee技术和GPRS的高压电网设备远程在线监测系统

张子红,秦淑香,冯进玫,周连臣

(1.黑龙江科技大学 电子与信息工程学院,哈尔滨 150027; 2.东北轻合金有限责任公司，哈尔滨 150060)



●电网设备●

基于ZigBee技术和GPRS的高压电网设备远程在线监测系统

张子红1,秦淑香1,冯进玫1,周连臣2

(1.黑龙江科技大学 电子与信息工程学院,哈尔滨 150027; 2.东北轻合金有限责任公司，哈尔滨 150060)

为避免高压电网设备因发热、泄露电流造成的停电事故,笔者提出搭建一个基于ZigBee技术和GPRS的高压电网设备远程在线监测系统,即采用低功耗单片机MSP430实现多点温度和泄露电流的采集和处理,通过ZigBee模块实现高压开关柜的温度和泄露电流信号的采集和传输,由无线数据传输模块MC39I 通过GPRS网络将监测的数据传输到远程监控中心;通过对监控中心软件和数据采集终端和现场控制端软件的合理设计,实现监测点温度及泄露电流的在线监测、显示、数据查询、打印和报警等功能。

GPRS; msp430单片机; 数据采集; 无线传输

高压电网设备通常指绝缘子、高压开关柜。绝缘子是高压电网绝缘的薄弱环节,一旦表面染上污秽,将导致泄漏电流增大,引发闪络事故,影响电力系统正常运行。高压开关柜是电力系统重要的控制设备,长期工作在大电流、高电压、强磁场的环境中,而且多数采用封闭结构,散热效果较差,易造成设备故障,影响电网安全稳定运行。因此,为解决上述这些问题,本文研发了一种基于ZigBee技术和GPRS的远程电网设备在线监测系统,以实现对高压电网设备进行在线温度和泄露电流监测,为监控人员实时分析电网运行状态,提供有效数据。

1 系统总体结构

针对远程电网设备数据采集传输的需求,结合现有的GPRS网络,组建了一个无线的、实时的远程数据采集传输系统。该系统由采集端、现场控制端、监控中心和GPRS无线通信网络四大部分构成。采集端是监测系统的第一环节主要包括电源模块、数据采集模块、通讯模块等主要部分。GPRS通信网络是连接控制端与监控中心之间的纽带,现场数据通过GPRS网络能够及时准确的传送到监控中心计算机中,监控中心发出的各种命令也可以通过GPRS网络传回给采集端。监控中心主要包括监控中心服务器,数据库服务器,企业内网(Internet),打印机等外围设备;监控中心软件通过GPRS网络与控制端进行双向通信,为监控人员提供一个可视化的操作界面,以便监控人员实时掌握现场设备运行情况[1]。采集传输系统结构如图1所示。

图1 系统的总体结构

2 采集端电路的设计

前端数据采集单元的硬件结构如图2所示。

图2 采集端的组成框图

2.1 泄漏电流采集方式

绝缘子污闪从发生到发展的整个过程中,都伴随着泄漏电流幅值和波形的变化。因此通过在线实时临测绝缘子泄漏电流的波形可以估计绝缘子的运行状态,而且,电流信号的采样也是绝缘子在线临测技术中的一个非常关键的环节。对柱型支撑绝缘子,将传感器接在绝缘子接地引线上;对悬式绝缘子,将传感器套接在绝缘子低压端的球头挂环处。

绝缘子泄漏电流传感器采集的泄漏电流信号是经过电压、过电流保护后由屏蔽电缆引入的,变换成电压信号后进入信号调理电路,在信号调理电路中对该电压信号进行抗干扰抑制处理,RC滤波处理和PGA增益放大后送入到MSP430单片机中,对这一系列各路信号的采样值计算处理后就能得到泄漏电流的幅值[2]。

2.2 多点温度采集电路

高压开关柜柜内空气温度采用多点温度测量,使用多片 DS18B20数字式温度传感器,温度传感器可安装在高压开关柜柜体的不同位置上。

前端机的MCU采用TI公司的MSP430系列超低功耗微处理器MSP430F149,该芯片内部集成了丰富的资源,如高性能12位 A/D、模拟比较器、硬件乘法器、两个串行口、两个16 位脉宽调制定时器、60 kB的低功耗FLASH、2 kB的内部RAM,同时它具有多种低功耗模式,适合于设计片上系统和电池供电的场合。其中硬件乘法器是一个16 位的片内外设,它独立于CPU之外运行,不占用CPU任何时间,适宜于大量运算[3]。测温电路采用独立电源供电,所以电源通过上拉电阻与DSl8B20的数据线相连, DSl8B20的数据线与单片机的P1.4引脚相连。当进行温度采集时,由于每个DSl8B20器件都有一个独一无二的序列号存在它自己的ROM中,因此可利用DSl8B20的匹配命令,根据测温原理编程实现多点测温。多点温度采集电路如图3所示。

2.3 信号调理电路

泄漏电流的变化范围通常在几十微安到几百毫安之间。选用KT-VDJ型小电流传感器,其测量范围为0～1 A,且该传感器在1～200 mA间线性度较好,能够满足该监测系统的要求。小电流传感器采集的信号中,既有基波信号,又有各次谐波成分,因此采用RC滤波电路和同相比例放大电路组成的二阶低通滤波器通过合理地选择电阻R1、R2、R3、R4的阻值和电容C11、C12的电容值,使R4与R3的比值小于2,电路才能稳定工作;当信号频率与R1 C11的乘积为10时,能将信号中高频谐波成分滤出。

由于电流传感器输出的是交流信号,存在正负极性,而MSP430F149的A/D采样电压范围是0～2.5 V,在进入A/D转换前,通过调节放大器的增益,使被采集的电压信号落到-1.25～+1.25 V之内,通过1.25 V的基准电压源的电平抬高电路将被采集信号进行电平抬高,保证采样信号在0～2.5 V间。泄漏电流幅度随着塔形、运行电压、天气等情况不同而不同,需要选用一个可编程放大器来动态改变信号的增益,可选可编程的单片仪表放大器AD526,其增益范围广。信号调理电路如图4所示。温度传感器采集的信号不需要进行信号调理可直接送入到MSP430单片机中。

图3 多点温度采集电路

图4 信号调理电路

2.4 CC2420无线通信模块应用电路

作为一种新兴的无线网络技术,ZigBee的基础是IEEE无线个人区域网工作组的一项标准,被称为IEEE802.15.4技术标准[4]。

CC2420 射频芯片是Chipcon公司开发的首款符合ZigBee标准的2.4 GHz射频芯片,集成了所有ZigBee技术的优点。CC2420提供一个SPI接口与微处理器MSP430F149连接,通过这个接口完成设置和收发数据两方面的工作。采集端的CC2420无线通信电路如图5所示。

图5 采集端的CC2420无线通信电路

3 控制端电路的设计

控制端电路主要的功能是通过CC2420点对点接收采集端发送的采集数据,微处理器MSP430F149通过对数据的分析处理将接收到的数据通过GPRS网络传送到监控中心计算机,从而实现对高压开关柜的运行状况远程在线监测[5]。其组成框图如图6所示。

图6 控制端的组成框图

在系统的设计中ZigBee无线数据传输的电路与微处理器之间通过SPI接口进行通信,GPRS无线数据传输与微处理器之间通过串口进行通信。

3.1 电源电路

整个系统采用5 V电源供电,MSP430模块的工作电压为3.3 V,选用TI公司的TPS70633来实现5 V到3.3 V的电平转换, MC39I模块的工作电压为3.6 V,选用可调式稳压芯片LP3966-ADJ芯片。电源电路如图7所示。

图7 电源电路

3.2 无线模块MC39I接口电路

MC无线39I是SIEMENS公司的基于GPRS/GSM网络的无线数据传输模块,在GPRS网中能够完成语音、数据呼叫、网络连接、短消息以及传真的传送。它外部有40个引脚,通过一个ZIF(Zero

图8 MC39I模块接口电路

Insertion Force,零阻力插座)连接器引出,实现各种信号的双向传输[6]。MC39I的DTR0和RTS0作为输入引脚分别接10 k的上拉电阻将其拉高。/IGT管脚为MC39I的工作状态控制引脚,通过一个10 k的电阻将其拉高,且将其与单片机的P1.3引脚相连,从而实现单片机对MC39I模块的控制。MC39I的SYNC引脚连接一个指示灯用来指示GPRS模块的工作状态。其接口电如图8所示。另外,MC39I模块还需要连接SIM卡座,实现一个完整独立的GPRS终端。

3.3 电平转换电路

由于MC39I模块与单片机通信时接口电平不同,MC39I的串口的工作电平是CMOS电平,而单片机串口的工作电平是TTL电平,因此需要进行接口转换,从而实现单片机系统与MC39I模块的双向通信。这里采用SP3220芯片完成接口电平的转换。转换电路如图9所示。

图9 电平转换电路

4 软件设计

系统的软件设计主要包括传感器数据采集部分的软件设计、现场控制器部分的软件设计和监控中心软件设计等。

单片机通过串口0向GPRS模块发送相应的AT命令来实现短消息的发送和接收。系统工作时,控制端程序首先对系统进行初始化设置并进行系统自检,初始化MC39I模块,如果GPRS网络能正常登录则系统进入主循环,主程序通过查询各功能标志进入相应的功能模块进行处理。各功能模块在完成各自的任务后通过改变相应的标志通知主程序继续执行下一步工作。现场控制端程序流程如图10所示。

多点温度数据采集部分软件设计的主要流程如图11所示。

监控中心站通过宽带、ISDN或ADSL等方式以固定的公网IP地址接入Internet。监控中心软件的主要功能是接收各监控终端发送来的信息并对其进行显示、存储、打印等处理以供管理者使用。

监控中心要与远端GPRS终端建立连接进行数据传输,监控中心必须启动一个服务器程序,这里采用Winsock控件实现。服务器端利用Winsock控件接收数据流程如图12所示。

5 结 语

本文利用GPRS方式进行远程电网设备实时监测,可以节约通信网络建设费用,利用MSP430单片

机可以较好地解决能耗的要求,且只需要简单的数据采集和收发模块就能对远端进行实时监测。设备安装比较方便,具有投资少、易于安装、实时性强、传输速度高及适应性好等特点,因此它将来一定能广为应用于高压电网设备远程监控领域。

图10 现场控制端程序流程图

图11 多点温度采集程序流程图

图12 服务器端接收数据流程图

[1] 刘博.基于GPRS的远程数据采集传输系统设计[D].大连：大连海事大学硕士学位论文,2008. LIU Bo. Design of remote data acquisition and transmission system based on GPRS [D]. Dalian:Dalian Maritime University Master Degree Thesis, 2008.

[2] 张卫.基于MSP430的电网设备实时监测系[D].天津：河北工业大学硕士论文,2008. ZHANG Wei. Power grid equipment real-time monitoring system based on MSP 430[D]. Tianjin:Hebei University of Technology, 2008.

[3] 洪利,章杨,李世宝. MSP430单片机原理与应用实例详解[M].北京：北京航空航天大学出版社,2010. HONG Li, ZHANG Yang, LI Shibao. Principle of mcu and analysis of its application [M]. Beijing:Beihang University Press, 2010.

[4] 张文斌,高慧玲.基于ZigBee技术的自动抄表系统在选煤厂的应用[J].黑龙江电力,2013,35(2):86-88. ZHANG Wenbin, GAO Huiling. Application of AMRS based on ZigBee in coal preparation plant[J]. Heilongjiang Electric Power, 2013,35(2) :86-88.

[5] 杨增汪,王宜怀,戴新宇.基于ZigBee和GPRS的高压开关柜无线监测系统设计[J].电力系统保护与控制2010(12):203-206. YANG Zengwang, WANG Yihuai, DAI Xinyu. Design of wireless monitoring system for high voltage switchgear based on ZigBee and GPRS [J]. Power System Protection and Control, 2010(12):203-206.

[6] MC39I Siemens Cellular Engine. Siemens,2002:41-47.

(责任编辑 郭金光)

Remote on-line monitoring system of HV power grid equipment based on ZigBee and GPRS

ZHANG Zihong1, QIN Shuxiang1, FENG Jinmei1, ZHOU Lianchen2

(1.School of Electronics and Information Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin 150027, China; 2.Nontheast Light Alloy Co., Ltd., Harbin 150060, China)

To avoid HV power grid equipment outage caused by heat and leakage current, the author proposed to establish the remote on-line monitoring system of HV power grid equipment based on ZigBee and GPRS. It is a system by which acquisition and processing of multi-channel temperature and leakage current could be realized by MSP430 microcontroller with low power consumption, besides acquisition and transmission of HV switchgear temperature and leakage current signal could be realized by ZigBee. The data acquired by the monitoring system is transmitted to the remote monitoring and control center through GPRS network by wireless data transmission model MC39I. Due to the reasonable design of monitoring and control center software, data acquisition terminal and onsite control terminal software, the functions, including online monitoring, displaying, data searching, printing and warning of monitoring point temperature and leakage current, could be realized.

GPRS; MSP430 microcontroller; data collection; wireless transmission

2016-01-27。

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12543068)。

张子红(1976—),女，讲师，主要从事嵌入式系统和智能网的研究和教学。

TN915

A

2095-6843(2016)02-0155-06