面向移动终端的电力安全监督系统

王泽涌

(广东电力信息科技有限公司，广东 广州 510630)

随着我国电网规模的不断扩大，对电网的自动化和智能化提出了更高的要求。智能电网监控系统的质量与供电系统的质量直接相关，在电力集成自动化系统中使用的无线网络技术迫切需要[1]。远程电网监控系统是一种通用的技术系统，当技术人员在工作场所时，可以使用键盘来查看不同的监控数据。当技术人员离开时，也可以通过GPRS(通用分组无线电服务)网络接收数据。通过该系统，可以非常方便地电网进行管理，这也是智能电网的主要发展方向[2]。GPRS技术是一种基于GSM通信系统的无线数据传输方式，采用分组交换技术，每个用户可以同时使用多个无线信道，相同的无线信道可以被许多用户共享，充分利用资源。用户可以始终在线，最大传输速度可达到171.2 kb/s，这些优势保证了可靠的数据传输，非常适合于实现电网的远程监控[3]。本研究结合ZigBee技术和GPRS技术，设计了一种电力监测系统，可以轻松实现变电站的监测、控制、保护及相关设备等功能。实验结果表明，该系统可以从根本上解决视频监控的不足，并完全满足所需的精度。

1 ZigBee技术可行性分析

基于计算机、电子、通信技术的电力监控系统，是实现生产、过程控制和调度自动化的电力系统。通过参数的收集、调整和测量，系统可以实现报警、监控、控制等多种功能。在目前阶段，大多数电力监控系统的通信手段都是基于电缆通信的。随着工业自动化技术的发展，实时数据传输、数据接口的可靠性和数据链路的安全性越来越重要，电缆监控网络的局限性也越来越突出[4]。ZigBee是一种新兴的短程、低速率的无线网络技术[5]。由于其稳定、可靠、方便、实用的特点，在许多工业控制领域得到了广泛的应用[6]。

1.1 ZigBee技术标准

IEEE802.15.4/ZigBee国际标准于2004年12月推出，它是无线传感器网络基于微控制的应用程序拥有新的互联国际标准，引入该标准的目的是提供符合无线传感器网络和控制系统的国际标准的解决方案[7]。该标准专门针对无线传感器网络和远程控制的应用，具有网络容量大、双向数据传输可靠和协议覆盖广的突出特点，还具有免费ISM频段、低功耗、低成本、易于实现等优点。IEEE802.15.4/ZigBee标准在物理层(PHY)和媒体访问层(MAC)中采用IEEE802.15.4通信标准，在此基础上，ZigBeeUnion增加了网络层(NWK)和应用层(APL)[8]。

1.2 ZigBee对电力系统的适应性研究

传输速率上，ZigBee最大传输速率最高可达250 kb/s，这完全符合电力监控系统所需的数据速率。电力成本上，ZigBee在低功率待机模式下，5号普通干式电池可使用6个月至2年。这是ZigBee的独特优势，以确保监控系统在停电的情况下继续工作。节点容量上，每个ZigBee网络最多可支持65 000个节点，适用于电力系统的复杂结构。延迟时间，延迟时间通常为15～20 ms，非常适合工业实时数据传输系统。系统安全上，采用AES-128加密算法，提供了完整性数据检查和身份验证的功能[9]。抗干扰性上，对于来自汽车、手机、发电机、配电室、变压器等环境的干扰，ZigBee技术可以很好地预防。硬件成本上，采用低成本的产品安装成本低，维护简单，而且不需要租用公共网络，所以不需要支付大量的运营成本[10]。因此，基于以上结论可以得出结论，ZigBee技术完全适合在电力监控系统中的应用，可以为电力系统的运行提供可靠的保护。

2 系统结构

该系统由ZigBee协调器、数据终端节点和GPRS模块组成。远程电网监控系统原理示如图1所示。其中，ZigBee协调器是网络的创始人和管理者，其主要功能如下：发送网络信标、启动、配置和构建网络；管理网络节点和存储信息，实现跨网络数据的收敛。作为网关节点，为ZigBee网络提供上行/下行数据接口[11]。数据终端节点用于数据采集、控制设备、环境监控等。GPRS用于远程传输，替代现有的电缆通信方式。

图1 远程电网监控系统原理Fig.1 Principle of remote power grid monitoring system

2.1 硬件部分

研究利用TI的CC2430芯片和无线ZigBee协议堆栈，设计了无线传感器网络。CC2430是第1个符合ZigBee标准的单芯片2.4GHz系统，它扩展了芯片CC2420框架。在一个单个芯片上，它集成了大量的资源，如ZigBee射频(RF)收发器、内存、微控制器和定时器。其单片机是一种名为C8051的增强型核心，其性能是标准8051单片机的8倍[12]。在休眠模式下，芯片功率流量小于0.9 μA。基于CC2430芯片设计ZigBee协调器，并进行外部电路扩展，如图2所示。

图2 ZigBee协调器示意Fig.2 Schematic diagram of ZigBee coordinator

协调器是网络的核心，网络的所有数据都必须通过协调器到达控制中心。同时，来自中心的控制信号应通过协调器发送到终端。因此，该设计采用高性能闪存芯片AM29F010B扩展了内存[13]。增加了液晶显示器和键盘，以方便地监控设备。设备由电缆供电，经交流直流转换后供电。

设计采用西门子MC35i作为GPRS模块。MC35i是新一代的GSM/GPRS双模模块，它采用了一个紧凑的设计，为用户提供了一个简单的、内置的无线GPRS连接。GPRS模块通过UART与ZigBee协调器连接，两者构成系统的网关，负责ZigBee网络与GPRS网络之间的通信[14]。

根据不同功能的终端节点包括温度监测节点、烟雾检测节点、监测电力线的节点、控制电源设备状态的节点等。它们都使用CC2430作为芯片，并有不同的外围电路。由于长度限制，本研究仅以电力线监控节点为例，对其他节点将不予详细描述。电力线监控节点如图3所示。

图3 电力线监控节点Fig.3 Power line monitoring node

由图3可知，光学耦合器芯片监控4条电源线A、B、C、N。TPL521-4的输出端与CC2430连接。电源检测电路通过确定电源线上的电压是否发生变化来检测故障。在正常状态下，TPL521-4的AO、BO、CO终点循环输出，异常时，TPL521-4连续保持高输出量。在一定时间内，如果TPL521-4的低输出量小于一定数量，系统定义线路上可能有故障，然后2次检查TPL521-4的输出状态。经过2次查询，如果低输出量仍小于一定数量，系统判断发生故障。

2.2 局部电压采集结构

本地电压采集模块主要完成网络电压的实时数据采集，显示并保存电压的统计值，同时将数据发送到GPRS无线模块。在硬件电路方面，主要由变频转换器电路、实时时钟电路、数据存储电路、电源电路、显示电路、RS-232、钥匙控制电路、核心控制电路8个部分组成[15]。其结构如图4所示。

图4 GPRS无线数据采集模块Fig.4 GPRS wireless data acquisition module

GPRS无线数据采集模块主要完成了本地监控数据的接收，并通过GPRS网络发送到终端。只需要调整用户的手机号码，然后它就可以准确地完成数据的传输。计算机用户还可以通过互联网访问监控数据并显示。

2.3 变频转换器电路设计

变频转换器电路将模拟电压转换为相应的频率脉冲。单控制器使用计时器中断计算1 min内的脉冲数即频率。然后通过公式，可以计算出相应的瞬时电压值。在此电路中，选择LM311作为变频转换芯片。其基本特点是：价格低、功耗低、线性度好等[16]。它总共有8个引脚；CMPRIN和FREQOUT分别用于完成电压输入和频率输出，端口T0直接连接到单片控制器的计数端口。硬件电路设计如图5所示。

图5 变频转换器电路设计Fig.5 Circuit design of frequency conversion converter

2.4 主控制电路设计

主控部分采用(AVR系列)微控制器ATMEGA16L对整个系统进行控制。这个芯片内部包含一个看门狗电路。它用于避免程序运行错误、提高系统的抗干扰能力。实时部分使用PCF8583芯片，它为系统的时间和日期提供了一个标准。EEPROM数据存储电路采用8 kB 24LC64芯片，也与PCF8583一样，是I2C总线接口。P201有20个引脚，可直接连接到128×64液晶显示器。4个按钮用于切换显示数据。同时，GPRS模块电路设计GPRS模块主要完成GPRS网络接入，选择了西门子的SIM300CZ芯片。该芯片中嵌入了TCP/IP协议，广泛应用于远程读表、安全监控、远程遥测等机对机应用等移动数据通信系统。该模块广泛用于其行业标准接口，提供GSM/GPRS900/1 800/1 900 MHz或850/900/1 800/1 900 MHz功能，CSD状态下数据速率达9.6kb/s，HSCSD状态下数据速率达19.2kb/s。它嵌入了强大的TCP/IP协议堆栈，由AT命令控制，并支持语音、短信、数据和传真、高速信息传输。

3 软件部分

3.1 GPRS传输服务

软件是控制系统的重要组成部分。该软件在很大程度上决定了该系统的可行性和可靠性。GPRS传输服务流程如图6所示。启动整个系统，开始完成初始化，系统获取电网数据，实时更新数据内存。当需要向终端发送数据时，启动GPRS模块，并初始化网络接口。然后，直接使用AT命令，拨号到中国移动的GPRS节点服务器(GGSN)。通过一个新的PPP任务来完成数据链路层与网络层的连接，然后就可以得到IP并完成准备。此时，可以设置发送数据的任务，请求TCP连接，完成数据传输，最后断开与GGSN的连接。最后，系统返回，不断更新数据存储器。

图6 GPRS传输服务流程Fig.6 GPRS transmission service process

3.2 ZigBee网络协调器的软件设计

当工作时，ZigBee协调器通过扫描1个空通道来创建1个新的网络。一旦建立了空通道，ZigBee协调器将选择1个区域网(PAN)ID并开始监听该通道，一旦确定了适当的通道和PANID，网络管理实体将选择0x0000作为短地址，并通知MAC层。ZigBee协调器还负责维护当前已连接的设备列表，并支持独立扫描程序，以确保之前的设备能够重新加入网络。终端节点成功加入网络后，下次通电时，将自动尝试重新加入网络，然后启用看门狗时钟，停止射频接收器，使控制器进入休眠状态。当有控制信号或数据时，终端节点会通过PORTB中断唤醒并发送消息。

3.3 ZigBee协调器与GPRS间的沟通方案

ZigBee协调器与GPRS之间的通信程序流程如图7所示。

图7 ZigBee协调器与GPRS间的通信程序Fig.7 Communication program between ZigBee coordinator and GPRS

ZigBee协议数据通过UART发送到GPRS模块。UART起着2个模块之间的通信作用，传输是透明的。数据从CC2430接收后，不能直接发送，但可以根据SMS协议进行转换后发送。

MC35i通过AT命令发送短信，有2个主要的AT命令来发送短信：AT+CMGF和AT+CMGS。2个命令的作用分别为：①AT+CMGF。短信选择命令。格式为：在+CMGF=中，MODE是命令的参数，它有2个值，0，将短信模式设置为PDU；1，将短信模式设置为TEXT。通电后，MC35i的默许模式为TEXT模式，所以在发送SMS模式前应设置为PDU模式。②AT+CMGS：短信发送命令。格式为：AT+CMGS=，LENGH为命令的参数，LENGH的值为用户信息长度和协议长度的求和。发送AT+CMGS=后，直到MC35i返回“>”，才能发送PDU的数据字符串，或者无法成功发送短信。

4 实测分析

智能电力监测系统设计完成后，进行了小规模的安装运行，运行良好。测试了包括按键与显示功能测试、报警功能测试、事件记录功能测试、数据储存功能基本功能。模拟了在运行中出现欠压、失压、失流、电压越限、超负荷和逆向序等故障。当故障发生时，蜂鸣器响，报警LED闪烁，手机和中控计算机均有相应错误代码和报警显示。测试记录功能时，模拟失压，连续出现30 s后，开始记录本次失压相别、失压累计时间、失压累计次数，连续记录5次失压出现时间和恢复时间。三相全失压时，电表记录本次出现时间、失压累计时间、失压次数。电压恢复时可以显示以上记录。测试数据储存功能时，模拟断电，基本参数在掉电后，保存正确完好，不丢失。

5 结语

本研究基于ZigBee技术和GPRS技术的设计了电力监测系统，在远程电网监控系统的设计中，在硬件方面，采用微控制器来操作整个系统，具有性价比高的特点。在数据采集时，使用了廉价可靠的变频芯片。整个电路运行可靠，成本较低。在软件方面，设计了整个系统的软件，并展示了流程图。完成监控数据的采集、存储、显示和传输。该系统可以自动重启，抵抗强烈干扰。经过多次实验表明，表明该系统可以很好地应用于电网的远程监测，具有可靠性高、结构简单、成本低、费率合理等优点，ZigBee技术与其他无线技术相结合的巨大优势，将会彻底改变电力自动化系统的面貌。