基于ZigBee技术的无线智能高压电流表系统设计

王永兴，刘 罡，姜春阳

（1.大连理工大学，辽宁 大连 116024；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；3.中国电力科学研究院，湖北 武汉 430074）

0 引言

无线智能高压电流表（以下简称智能高流表）是测量高压电器或绝缘材料等被试品的高压泄漏电流不可缺少的高流表。其主要与工频耐压试验装置配套使用，是对交流高压泄漏电流测试最理想的仪表工具。在工频耐压试验中，被试品的泄漏电流是一项重要的测量项目。传统的高流表在测量交流泄漏电流时，存在无高压过流分断保护、功能单一、抗干扰能力差等问题［1］。目前，对无线智能高流表的相关文献较少，仅有文献［2］介绍了一种基于WiFi 通信技术的无线泄漏电流表。然而该技术采用WiFi 通信技术，对环境要求较高，需依附于通信基站或有限网络才能完成。近年来，随着ZigBee（无线个域网）在不同领域的广泛应用，使基于ZigBee 技术的无线高流表的研究和设计成为可能。文献［3-7］分别在光伏发电、配电自动化、电力电缆、高压开关柜、智能家居等领域介绍了ZigBee技术的应用，为本文提供了借鉴。

对ZigBee技术进行了介绍，将无线高流表的网络拓扑结构进行了分析并将ZigBee技术应用其中。对无线高流表的硬件结构进行了设计，采用STC15F2K60S2单片机作为微控制单元（Microcontroller Unit，MCU），24 位模数转换器CS5532AS 作为模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC），对精密全波整流电路、高压脱扣驱动电路、无线射频电路等方面分别进行了分析，给出了系统软件的主程序流程图，并进行了验证试验，试验结果满足预期要求。本设计系统可广泛应用于带电作业用绝缘手套、绝缘靴等被试品的工频耐压试验中。

1 ZigBee技术

1.1 ZigBee技术介绍

ZigBee 技术是一种基于蜜蜂通信原理的近距离、低功耗、低速率和低成本的双向无线通信技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。因此主要应用于小型电子设备或家用电器的无线控制指令传输［8-11］。

ZigBee 技术采用DSSS（直接序列扩频）扩频技术，在全球的大部分地区使用的频段为2.4 GHz，费用为免费。通信距离从标准的75 m 到几百米、几千米，并且支持无限扩展。

1.2 ZigBee技术特点

ZigBee 技术的特点主要有几点：其一，ZigBee 技术功耗低，由于ZigBee 的传输速率低，发射功率仅为1 mW，而且采用了休眠模式，因此ZigBee 设备非常省电。据估算，ZigBee 设备仅靠两节5 号电池就可以使用6 个月到2 年，这是其他无线设备望尘莫及的。其二，ZigBee 技术成本低。由于ZigBee 协议栈设计简单，其研发和生产成本较低。普通网络模块硬件只需8 位微处理器，4～32 kB 的ROM，且软件实现也很简单。ZigBee 模块的初始成本在6 美元左右，估计能降到1.5～2.5 美元之间，且ZigBee 协议免专利费。其三，ZigBee技术可靠性高。ZigBee采用了CSMA/CA碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。所以从根本上保证了数据传输的可靠性。如果传输过程中出现问题可以进行重发。其四，ZigBee技术可靠性高。ZigBee采用了CSMA/CA 碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC 层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。所以从根本上保证了数据传输的可靠性。如果传输过程中出现问题可以进行重发［12-15］。

2 智能高流表及其网络拓扑结构

智能高流表是测量高压电器或绝缘材料等被试品的高压泄漏电流的电流表，其控制台与高流表试验距离较近，试验过程对高流表输出响应要求不高且数据量较低，因此其特别适合采用ZigBee 通信技术。由若干个智能高流表作为无线终端节点，一个智能耐压试验装置作为协调器节点。终端节点以点播的方式向协调器节点上传实时泄漏电流、击穿电流、电池电量、通信链路状态等无线数据，协调器节点以组播的方式向终端节点下发高压保护电流值，终端节点闪烁屏幕响应。网络中终端节点的媒体介入控制层（Media Access Control，MAC）都拥有一个64 位的IEEE地址，设计使用16位短地址来描述和区分不同的智能高流表［16］。

智能高流表采用的ZigBee 协议，是一种短距离无线传感器网络与控制协议，主要用于传输控制信息，数据量相对来说较小，特别适合高流表的电池供电系统，并且ZigBee 协议更容易实现。IEEE802.15.4/ZigBee 协议中明确定义了3种拓扑结构，包括星型结构（Star）、簇树结构（Cluster Tree）和网状结构（Mesh），如图1 所示。其中，FFD 代表完整功能设备（Full Functional Device，FFD），RFD 代表精简功能设备（Reduced Functional Device，RFD）。

图1 ZigBee网络拓扑结构

智能高流表的网络系统设计上，采用星型拓扑结构，层次化路由协议。若干个智能高流表作为无线终端节点，一个智能耐压试验装置作为协调器节点。终端节点以点播的方式向协调器节点上传实时泄漏电流、击穿电流、电池电量、通信链路状态等无线数据，协调器节点以组播的方式向终端节点下发高压保护电流值，终端节点闪烁屏幕响应。网络中的终端节点的MAC 层都拥有一个64 位的IEEE 地址，设计使用16位短地址来描述和区分不同的智能高流表。

3 系统硬件设计

智能高流表硬件结构如图2 所示，采用STC15F2K60S2 单片机作为MCU，24 位模数转换器CS5532AS 作为ADC，精密全波整流电流作为模拟信号输入端口，无线射频电路作为无线信号接收端口，高压脱扣电路和液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）电路为输出端口。

图2 智能高流表硬件结构

3.1 精密全波整流电路

精密全波整流电路结构图如图3 所示，利用集成运算放大器LM258的放大作用和深度负反馈作用克服了二极管的非线性和门槛电压带来的信号失真，设计一种高精度、低损耗、成本低廉的精密整流滤波电路。通过SMBJ6.8CA 模块采集交流和直流电流信号，改变取样电阻R1、R2阻值可以改变测量的量程。通过光电耦合模块TLP-521 控制信号的通断。由集成运算放大器LM258 将信号送至线性误差为±0.001 5%FS的24位ADC。

图3 精密整流电路结构

3.2 高压脱扣驱动电路

高压脱扣驱动电路如图4 所示，当无线高流表电压值过大时，光电耦合模块TLP-521 将信号发送至STC15F2K60S2单片机中，单片机控制继电器是高压脱扣装置执行脱扣功能。无线高流表中直流吸盘式电磁铁采用高纯度的电工纯铁表面镀镍，吸盘不会有剩磁，加工平整的脱扣片保证与电吸盘的吸合面完全接触贴合，减少了脱扣误动作的概率。

图4 高压脱扣驱动电路

3.3 无线射频电路

无线射频电路硬件结构如图5 所示，主要由CC2530 芯片、接收电路、射频放大电路、发送电路和电源组成。通过TI 公司的CC2530 芯片，采用基于ZigBee 技术的无线2.4 G 的ISM 频段，完成数据的发送和接收。其具有抗干扰强、低功耗、安全性高等特点。由于试验中不需要长距离通信，试验距离一般是2～3 m以内，射频电路中未采用功率放大电路设计。

图5 无线射频电路硬件结构

4 系统软件设计

系统软件基于STC15F2K60S2单片机开发平台，开发集成环境采用KEIL3 V3.30，运用C 语言进行代码编写。主程序流程如图6 所示，包括初始化操作、LCD显示、建立ZigBee网络、无线数据发送、无线数据接收、泄漏电流检测、中断试验等。当建立完成ZigBee网络之后进行数据发送和数据接收命令，若未得到接收信号则重新发送数据，若得到接收信号则进行泄漏电流判断，若泄漏电流正常则重新发送数据，若泄漏电流过大则发出中断试验命令结束试验。

图6 主程序流程

5 验证试验

为验证智能高流表的通信功能、脱扣功能以及显示功能，选取1 级绝缘手套作为被试品，采用通用耐压测试平台作为升压控制系统进行验证试验。依据国家标准GB/T 17622—2008《带电作业用绝缘手套》［17］和电力行业标准DL/T 976—2005《带电作业工具、装备和设备预防性试验规程》［18］要求，需对被试品在10 kV额定电压条件下通电1 min，不发生击穿或闪络即证明被试品合格，部分试验结果如表1所示。由表1可得，在试验电压小于0.5 kV时，智能高流表泄漏电流显示值为0；当试验电压在大于0.5 kV 小于10 kV时，智能高流表正常显示高压回路中的实际泄漏电流值；当试验电压为60 kV远大于额定电压10 kV时，智能高流表脱扣电路响应，试验中断。本次验证试验通信功能、脱扣功能以及显示功能均满足预期要求。

表1 验证试验结果

6 结语

以ZigBee 技术为基础，设计一种使用可靠、抗干扰强，具有泄漏电流、通信链路状态等无线数据传输功能，并具备过流分断保护功能的无线智能高流表。从精密全波整流电路、高压脱扣驱动电路、无线射频电路等方面对智能高流表的硬件结构进行了分析，给出了系统软件的主程序流程图，选取1 级绝缘手套作为被试品进行了验证试验，试验结果满足预期要求。本设计系统可广泛应用于带电作业用绝缘手套、绝缘靴等被试品的工频耐压试验中。