电网参数的异构无线传感器网络监测系统

陈飞 朱宗玖

摘 要：针对偏远地区的电网参数有线监测存在安装、巡检和维护成本高，难度大，且容易产生监测盲区，并导致电能输送效率低的问题，设计了一种基于ZigBee异构无线传感器网络的电网参数监测系统。该系统采用CC2530通信模块实现电网参数的无线采集，利用基于Cortex_M3的多协议网关与监测中心设备通信实现远程无线监测。测试与仿真表明，该系统能够实现实时的远程无线电网参数监测。

关键词：异构无线传感器网络；CC2530；Cortex-M3；多协议网关

我国当前的电网覆盖范围广，对于偏远地区如海岛、高原等地方，传统有线的电网参数监测方式需要大量的通信电缆，安装、巡检和维护成本高，实现困难；此外，由于缺乏对输电线路的运行状态的实时了解，电力企业的专业分析缺乏实时有效的信息支持，导致输电线路的输送效率较低。将无线传感器网络技术应用于电网参数监测已成为近年来的技术趋势，利用WSNs技术在电网参数采集业务中的应用优势，构建WSNs数据采集网络。文献[ 1-4 ] 将基于ZigBee技术的无线传感器网络技术应用于输电线路在线监测，解决了有线布线监测的难题，但只采用GPRS、Wi-Fi、以太网等单一的远程接入技术；文献[ 5-7 ]运用基于无线传感器网络接入技术实现变电站内电力网络节点的数据传输；文献实现了配电网无线传感器网络监测，但缺乏对远程数据传输的研究。面对电网复杂恶劣的通信环境，单一制式网络接入功能的网关设备，难以满足电网参数监测的高可靠性要求。

本文构建基于ZigBee技术的异构WSNs电网参数采集系统，利用基于Cortex-M3的WSNs网关实现WSNs与GPRS、以太网之间的协议转换和数据转发，针对不同的应用启用不同的转换协议、执行不同网络之间的协议转换和数据转发，实现对电网参数的远程监测。

1 无线传感器网络技术

WSNs综合了传感器、嵌入式计算及无线通信三大技术，可以实现人与自然物以及物与物无处不在的对话，同时针对不同的应用对象具有较强的适应性和灵活性。异构无线传感器网络是在传统无线传感器网络的基础上，利用网关接入技术，实现无线传感器网络与以太网、GPRS（general packet radio service）等多种网络的融合。传感器节点采集感知区域内的数据，进行简单的处理后发送至汇聚节点；网关读取数据并转换成用户可知的信息，再通过以太网或GPRS进行远距离传输。

2 硬件设计

2.1 系统结构设计

该系统主要完成电网参数的数据采集处理、无线传输。传感器节点负责采集监测区域的电压、电流等数据信息，并将数据传送给网关节点；网关节点完成监控终端与采集节点之间的信息交换以及对网络中监控终端的数据采集、处理、同步、信息传输和控制，并利用远程网络系统将采集的数据发送到更高一级的监控中心，实现远程监测输电线路运行状况。远程监测中心为工作人员提供信息支持。

2.2 无线传感器节点设计

2.2.1数据采集模块

三相电压采集采用直接测量的方式，用分压电阻进行分压，输出-1V～+1V之间的双极性交流电压信号，将电压信号调理到单片机的A/D转换模块可接收的单极性电压信号（0～3.0V）范围，通过RC低通滤波电路，输入ADC进行转换。三相电流采集采用精密电流互感器SCT254FK进行调理变换，在互感器负载侧接一负载电阻，将电流信号转换成电压信号，调理电路同电压信号调理电路。

2.2.2无线通信模块

基于无线式SoC CC2530无线通信模块主要负责电网参数的无线采集。它内部集成了1个高性能的RF射频收发器和1个增强型C8051微控制器内核，完全满足短距离无线通信，较强的抗干扰能力。

2.2.3电源模块

设计中无线通信模块和数据采集电路分别需要提供3.0V和1.5V的直流稳压电源。采用低压差电压调节器LM1117和帶隙电压参考芯片REF3030得到3.3V和3.0V直流稳压电源。利用放大器和电阻分压实现从3.0V 到1.5V的转换。

3 软件设计

本系统采用IAR Embedded Workbench作为嵌入式软件开发平台，它是瑞典IAR Systems公司为微处理器开发的一个集成开发环境（简称IAR EW），操作方便，用户能够在短时间内上手并进行实际项目的开发。

3.1 无线传感器节点程序

无线传感器采集节点的基本工作流程，主要包括系统上电自检、数据采集模块、数据接收与发送、电源管理等模块。系统上电后启动程序，对各端口进行配置，利用中断的方式执行相应的模块。

3.2 网关节点程序

网关节点具有双重功能，一是充当网络协调器的角色，负责网络的自动建立和维护、数据汇集；二是作为监测网络与监控中心的接口，与监控中心传递信息。

4 结论

本系统分别从电网参数采集模块和网关模块进行研究与测试，采用CC2530无线模块实现监测区域的无线数据传输，与网关节点相互通信。网关节点进行数据的进一步处理、传送和管理，再通过以太网、GPRS上传至监控中心。该设计可以实现电网参数的无线传感监测，数据的传输和管理方便，特别适合于偏远地区、危险区域以及农村的电网参数监测，很好地解决了有线通信的缺点，實现了电网参数的可靠无线远程监控，为智能电网的实现提供了一个依据。但对于传感器网络的网关的多网融合需要进一步的研究，以及数据传输过程中WSN网络的能量损耗，提高WSN的健壮性。

参考文献：

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