变电站保护出口压板电压量测数据智能采集方法

刘锦新

（广东电网有限责任公司佛山供电局）

0 引言

变电站保护出口压板电压量测是电力系统中非常重要的工作，其对监测系统运行安全、电力设备故障诊断、电力系统功率控制等方面发挥重要作用。通过对电压的量测可以判断电力系统是否处于正常运行状态，如果电压异常，则可以此为依据完成电力系统中设备的故障诊断，且其还可通过对电压合理控制，调节电流的大小，进而控制电力系统功率的输出。因此，对保护出口压板电压进行准确的量测，有助于维护电力系统运行，保障电力系统安全，故研究变电站保护出口压板电压量测数据智能采集方法，具有重要的科学意义和实际应用价值。在传统的数据采集方式中，需要人工操作或使用传统仪器进行采集，不仅效率低下，还存在潜在的人为误差风险，而通过智能采集方法，可以利用先进的传感技术和自动化设备，实现对电压数据的自动、准确和高效采集。在该背景下，本次研究基于Zig Bee技术完成变电站保护出口压板电压量测数据智能采集方法的设计与研究。

1 保护出口压板电压量测数据采集终端设计

1.1 Zig Bee通讯模块设计

为提高保护出口压板电压量测数据的传输效果，本次研究选取CC2530通讯芯片完成Zig Bee模块设计，以实现其无线通讯传输功能。CC2530芯片是一款功能强大的芯片，具备许多优秀特性。首先，它采用兼容8051架构的设计，可为系统提供了稳定的运行平台。其次，芯片使用的RF收发器具有高灵敏度与强抗干扰功能，适用于2.4GHzIEEE802.15.4通信标准，能够在不同国家的无线电频率相关法规要求下进行工作。此外，CC2530芯片还拥有8KB闪存，能够存储海量数据，并且其还可提供可编程的存储器，使系统能够安全存储关键信息。CC2530内存仲裁器可以智能选存储器，然后经过SFR总线衔接外部设备、单片机、内部存储器与CPU，实现高效的数据传输。CC2530芯片具有工作模式和睡眠模式，以此来规划Zig Bee模块电路图，如图1所示。

图1 Zig Bee模块电路图

通过该模块，可保证采集到的电压量测数据安全传输。

1.2 电压采集模块设计

本次研究采用了IM1281电压计量模块对保护出口压板电压量测数据进行收集。该模块完成了取样电流电压隔离电路与芯片的计量，可以精准的收集电流、电压的值和功率的变量，以此进行输出串口的数据。为方便用户查看用电情况，该无线电能表还配备一块液晶显示模版。经过这个模版，可以直观地了解到用电数量的信息。通过电能表的具体需求，还设立脉冲指示灯与跳闸指示灯，来向客户表示用电负荷与跳闸信息。为了确保电表的正常运转，在电源模块中使用了开关电源来供应5V电源输出，还设立电池为电源的备用，以此来保证没电的时候还可以正常的工作。另外，电源模块中又选取了线性稳压芯片AMS117，为CC2530模块供给稳固的3.3V电压。根据以上配置与设计，这个无线电能表能够准确采集、显示和传输保护出口压板的电压量测数据，满足用户对用电情况的监测需求。

2 保护出口压板电压量测数据传输软件设计

2.1 Zig Bee组网设计

在Zig Bee组网初始时，网络层利用分配合约的信道先向MAC层发出命令。然后，网络层管理实体等候信道扫描的结果，利用结果选取适合信道，另外为新网络选取网络标识符。一旦明确网络标识符，无线网关会选16位网络地址192.168.0.0／16为短地址，开始设置。经过MAC层发送网络请求，然后回到网络初始状况。经过初始化网络与节点进入网络，两步骤落实组网。网络初始化由协调器网络发起的。在网络建立时，要判断本节点能否和其他网络相连。只能在节点判断不能和另外的网络相连并本身是全功能设备的时候，才可以操作初始化网络。一旦Zig Bee网络初始化形成，节点进入网络过程将开始。节点选择信号最高的父节点为宗旨，申请进入这个网络。进入网络后，节点会被指派一个短地址，并通过该地址进行数据的收发。通过以上步骤，Zig Bee网络能够自动完成组网过程，并实现节点的入网操作。这样的组网方式不仅简化了网络配置，也保证了网络的稳定性和可靠性。

2.2 电压量测数据采集流程设计

在系统开始工作时，第一步是要使各个传感器以及CC2530芯片进入到休眠模式，也就是待工作状态，这个操作可通过初始化实现，初始化完成后节点主动进行网络搜索，组网要在搜索到网络并申请加入成功之后才能实现。传输数据之前，因为没有接收到换成工作模式的指令，节点仍处于低功耗的休眠模式，传感器和CC2530并不能直接对数据进行采集和传输，必须等到接收到特定的指令之后，节点才能进入正常的数据采集工作模式，具体来说就是终端采集节点会在完成全部部件的初始化操作之后进行其他操作。首先是组网相关步骤，包含关联网络和建立关联表等，然后通过路由器与协调器传输采集所得数据，具体步骤流程如图2所示。

图2 量测数据采集流程图

如图2所示，在采集终端上的传输经过一系列操作上传到上位机后，可利用系统内的传感器界面查看采集的具体数据。达到实现节点工作时间的增长，需更好的拉低终端节点在启动期间的耗能，基于此目的，有两种工作模式应用在本系统的终端采集节点上，分别是数据采集（主动）模式与休眠（低功耗）模式。当节点处于休眠模式下时，外界发送的操作指令将无法被接收，所有外设除晶振以外均不工作，节点的功耗降至最低。在节点的组网过程中，节点会第一时间上报自身设备类型与地址给上级，然后判断是否有任务需要执行，如果没有则节点进入休眠模式，休眠时间从系统中获取，如果有则执行相应的数据采集操作。休眠时间结束之后，需要再次发送查询请求给到上级，确认休眠期间是否有数据采集指令给到自身，有指令要求就直接进行数据采集传输，完成后再次确认指令要求，没有指令则直接恢复休眠模式直到节点下一次启动。

3 实验与分析

本次研究的数据分析在一台操作系统为Windows 10笔记本电脑内实行。本次研究选取对比实验的方式进行方法验证，即选取文献［3］与文献［4］作为对比方法设置对照组，以数据丢包率和采集精准度为指标，验证方法性能。具体的数据丢包率如图3所示。

图3 数据丢包率对比

如上图3所示，应用所提方法开展数据传输，其数据丢包率均小于1.3%，而应用对比方法，其数据丢包率大于4.5%，由此可证明应用所提方法在数据传输方面具有更高的稳定性和可靠性。

三种方法采集精准度结果见下表。

表数据采集精准度对比

如上表所示，采用所提方法，其数据传输误差较小，均小于0.08V；而应用对比方法，其数据采集误差均大于1.24V，由此可证明应用所提方法在数据传输方面具有更高的精确性和准确性。

4 结束语

为满足对变电站保护系统电压数据的实时监测和分析需求，提高电压量测数据采集的精准度，本次研究基于Zig Bee技术提出了一种变电站保护出口压板电压量测数据智能采集方法。该方法先运用IM1281电压计量模块实现电压量测数据采集，然后借助Zig-Bee技术实现数据的无线传输，最后利用实验证明所提方法的先进性。实验结果表明，应用所提方法数据丢包率均小于1.3%，传输误差均小于0.08V，均优于对比方法，验证所提方法在电压量测数据采集传输时具有较高的稳定性和准确性，具有一定应用价值。