無線傳感器技術(shù)在變壓器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用
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徐純森 趙衍娟等1由 分享
【關(guān)鍵詞】監(jiān)測,系統(tǒng),應(yīng)用,狀態(tài),傳感器,技術(shù),無線,ZigBee,模
關(guān)鍵詞無限傳感器技術(shù)；狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)；ZigBee協(xié)議；變壓器
在電力系統(tǒng)的信息化過程中，變壓器是導(dǎo)致電力系統(tǒng)事故比較多的設(shè)備之一，變壓器的故障將給電力系統(tǒng)帶來災(zāi)難性的影響，目前變壓器狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)多采用RS485總線設(shè)計，但485總線采用的是主從式通信，通信期間如果下位機(jī)出現(xiàn)故障，只能采用主機(jī)輪循查詢，故障不能及時得到反饋。而使用無線傳感器技術(shù)可以解決當(dāng)下位機(jī)出現(xiàn)故障時，下位機(jī)能及時通知主機(jī)并有效地處理事故。
一、系統(tǒng)原理
采用無線傳感器技術(shù)將會使變壓器狀態(tài)在線監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、安全性等各方面指標(biāo)得以提高。目前無線傳感器技術(shù)主要方向是ZigBee技術(shù)， ZigBee是一種強(qiáng)調(diào)極低耗電、極低成本的短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳輸速度為20-250kbps。ZigBee采用DSSS技術(shù)，功耗更低。ZigBee產(chǎn)品可使用數(shù)月至數(shù)年之久，這一點非常適合該系統(tǒng)。
二、系統(tǒng)總體架構(gòu)
以微處理器技術(shù)為核心，由無線傳感器，數(shù)據(jù)采集，通訊系統(tǒng)和分析軟件4大模塊組成。傳感器將采集到的振動，噪音，電流，電壓等被測信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊處理后，通過ZigBee協(xié)議傳到路由器，其上層分析軟件采用c#編制的監(jiān)控程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行讀取，存儲，分析，做出判斷。
三、系統(tǒng)硬件實現(xiàn)
系統(tǒng)硬件實現(xiàn)分為獲取狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)采集模塊和基于ZigBee協(xié)議的數(shù)據(jù)通訊兩大模塊。
數(shù)據(jù)采集模塊主要有傳感器，信號調(diào)理電路，濾波電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，DSP和RAM組成。傳感器獲取的模擬信號先通過調(diào)理電路和濾波電路處理，然后通過A/D芯片MAX125轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。DSP將數(shù)字信號存入RAM，然后通過ZigBee傳送給路由器，有相應(yīng)的軟件進(jìn)行分析。
數(shù)據(jù)通訊模塊以硬件芯片CC2430為核心，選擇貼片小封裝器件設(shè)計電路，使用PCB無線收發(fā)天線,最大限度的縮小模塊體積。在使用PCB天線的情況下，該系統(tǒng)可視通信距離可達(dá)60米。數(shù)據(jù)采集器工作過程是定時讀取數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的傳感器讀取脈沖個數(shù)，將數(shù)據(jù)通過ZigBee通信模塊發(fā)送至路由器。
四、系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
?。ㄒ唬㈱igBee協(xié)議棧
本次硬件設(shè)計選擇的是TI公司的片上系統(tǒng)（SOC） CC2430，因此在軟件設(shè)計中應(yīng)用了TI公司提供的Zigbee協(xié)議棧。它隨著Zigbee無線協(xié)議棧規(guī)范的發(fā)展而不斷更新。該協(xié)議棧有如下特點：使用支持2.4GHZ頻帶的TI CC2430 片上系統(tǒng)；支持終端設(shè)備和協(xié)調(diào)器；在協(xié)調(diào)器節(jié)點中實現(xiàn)對鄰接表和綁定表的非易失性存儲；支持非時隙的星狀網(wǎng)絡(luò)；可以在大多數(shù)PIC18系列單片機(jī)之間進(jìn)行移植；易于添加或刪除特定模塊的模塊化設(shè)計。
（二）服務(wù)器編程
服務(wù)器程序使用C#編制，按所要完成的功能可分為兩塊：一是數(shù)據(jù)通信程序，通過收發(fā)短消息獲取數(shù)據(jù)或向無線傳感器基站發(fā)送指令，程序中使用C#中MSCOMM控件操作串口；二是應(yīng)用程序，完成數(shù)據(jù)處理和實時趨勢圖、歷史曲線顯示及報表生成等功能。
按流程可分為組態(tài)部分和運(yùn)行部分，其流程大致如下：①運(yùn)行組態(tài)部分程序，由用戶設(shè)置采樣間隔、通訊波特率、各通道信號類型、量程、各模塊中SIM卡號碼等參數(shù)。②組態(tài)完成后程序進(jìn)入運(yùn)行部分，首先依據(jù)組態(tài)參數(shù)完成各項初始化工作，并將與無線傳感器基站相關(guān)的組態(tài)參數(shù)以短消息方式通知各相應(yīng)無線傳感器基站，程序可以從采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)實時監(jiān)視等工作，并等待MSCOMM控件的OnComm事件觸發(fā)或用戶指令。
當(dāng)服務(wù)器需要向某無線傳感器基站發(fā)送指令時，指令碼及其參數(shù)依通訊協(xié)議被打包作為短消息內(nèi)容的一部分，通過GSM模塊以短消息方式發(fā)送到指定無線傳感器基站。從服務(wù)器發(fā)送指令到無線傳感器基站時，通訊協(xié)議格式為設(shè)備地址/指令碼/指令內(nèi)容/校驗，其中設(shè)備地址為指定接收短消息的無線傳感器基站的短信號碼，校驗采用累加和校驗。
五、結(jié)束語
目前變壓器狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在一些電力生產(chǎn)單位中得到廣泛的應(yīng)用，但是其數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ê褪侄芜€很落后，如果采用無線傳感器技術(shù)將會使變壓器狀態(tài)在線監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、安全性等各方面指標(biāo)得以提高。目前無線傳感器技術(shù)主要方向是ZigBee技術(shù)，本系統(tǒng)就是基于ZigBee技術(shù)基礎(chǔ)上的，完全能夠滿足高速數(shù)據(jù)采集和實時數(shù)據(jù)通訊的要求。
參考文獻(xiàn)
[1]Advanced Metering initiative Profile Specification : ZigBee Profile[s]: Nov.13.2007.
[2]MCARTHCR S D J,STARACHAN S M,JAHN G.The Design of Multi-agent Transformer Condition Monitoring System.IEEE Transactions on Power System ,2004,19(4):1845-1852.
[3] 孫利民，李建中等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005年.
關(guān)鍵詞無限傳感器技術(shù)；狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)；ZigBee協(xié)議；變壓器
在電力系統(tǒng)的信息化過程中，變壓器是導(dǎo)致電力系統(tǒng)事故比較多的設(shè)備之一，變壓器的故障將給電力系統(tǒng)帶來災(zāi)難性的影響，目前變壓器狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)多采用RS485總線設(shè)計，但485總線采用的是主從式通信，通信期間如果下位機(jī)出現(xiàn)故障，只能采用主機(jī)輪循查詢，故障不能及時得到反饋。而使用無線傳感器技術(shù)可以解決當(dāng)下位機(jī)出現(xiàn)故障時，下位機(jī)能及時通知主機(jī)并有效地處理事故。
一、系統(tǒng)原理
采用無線傳感器技術(shù)將會使變壓器狀態(tài)在線監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、安全性等各方面指標(biāo)得以提高。目前無線傳感器技術(shù)主要方向是ZigBee技術(shù)， ZigBee是一種強(qiáng)調(diào)極低耗電、極低成本的短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳輸速度為20-250kbps。ZigBee采用DSSS技術(shù)，功耗更低。ZigBee產(chǎn)品可使用數(shù)月至數(shù)年之久，這一點非常適合該系統(tǒng)。
二、系統(tǒng)總體架構(gòu)
以微處理器技術(shù)為核心，由無線傳感器，數(shù)據(jù)采集，通訊系統(tǒng)和分析軟件4大模塊組成。傳感器將采集到的振動，噪音，電流，電壓等被測信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊處理后，通過ZigBee協(xié)議傳到路由器，其上層分析軟件采用c#編制的監(jiān)控程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行讀取，存儲，分析，做出判斷。
三、系統(tǒng)硬件實現(xiàn)
系統(tǒng)硬件實現(xiàn)分為獲取狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)采集模塊和基于ZigBee協(xié)議的數(shù)據(jù)通訊兩大模塊。
數(shù)據(jù)采集模塊主要有傳感器，信號調(diào)理電路，濾波電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，DSP和RAM組成。傳感器獲取的模擬信號先通過調(diào)理電路和濾波電路處理，然后通過A/D芯片MAX125轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。DSP將數(shù)字信號存入RAM，然后通過ZigBee傳送給路由器，有相應(yīng)的軟件進(jìn)行分析。
數(shù)據(jù)通訊模塊以硬件芯片CC2430為核心，選擇貼片小封裝器件設(shè)計電路，使用PCB無線收發(fā)天線,最大限度的縮小模塊體積。在使用PCB天線的情況下，該系統(tǒng)可視通信距離可達(dá)60米。數(shù)據(jù)采集器工作過程是定時讀取數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的傳感器讀取脈沖個數(shù)，將數(shù)據(jù)通過ZigBee通信模塊發(fā)送至路由器。
四、系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
?。ㄒ唬㈱igBee協(xié)議棧
本次硬件設(shè)計選擇的是TI公司的片上系統(tǒng)（SOC） CC2430，因此在軟件設(shè)計中應(yīng)用了TI公司提供的Zigbee協(xié)議棧。它隨著Zigbee無線協(xié)議棧規(guī)范的發(fā)展而不斷更新。該協(xié)議棧有如下特點：使用支持2.4GHZ頻帶的TI CC2430 片上系統(tǒng)；支持終端設(shè)備和協(xié)調(diào)器；在協(xié)調(diào)器節(jié)點中實現(xiàn)對鄰接表和綁定表的非易失性存儲；支持非時隙的星狀網(wǎng)絡(luò)；可以在大多數(shù)PIC18系列單片機(jī)之間進(jìn)行移植；易于添加或刪除特定模塊的模塊化設(shè)計。
（二）服務(wù)器編程
服務(wù)器程序使用C#編制，按所要完成的功能可分為兩塊：一是數(shù)據(jù)通信程序，通過收發(fā)短消息獲取數(shù)據(jù)或向無線傳感器基站發(fā)送指令，程序中使用C#中MSCOMM控件操作串口；二是應(yīng)用程序，完成數(shù)據(jù)處理和實時趨勢圖、歷史曲線顯示及報表生成等功能。
按流程可分為組態(tài)部分和運(yùn)行部分，其流程大致如下：①運(yùn)行組態(tài)部分程序，由用戶設(shè)置采樣間隔、通訊波特率、各通道信號類型、量程、各模塊中SIM卡號碼等參數(shù)。②組態(tài)完成后程序進(jìn)入運(yùn)行部分，首先依據(jù)組態(tài)參數(shù)完成各項初始化工作，并將與無線傳感器基站相關(guān)的組態(tài)參數(shù)以短消息方式通知各相應(yīng)無線傳感器基站，程序可以從采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)實時監(jiān)視等工作，并等待MSCOMM控件的OnComm事件觸發(fā)或用戶指令。
當(dāng)服務(wù)器需要向某無線傳感器基站發(fā)送指令時，指令碼及其參數(shù)依通訊協(xié)議被打包作為短消息內(nèi)容的一部分，通過GSM模塊以短消息方式發(fā)送到指定無線傳感器基站。從服務(wù)器發(fā)送指令到無線傳感器基站時，通訊協(xié)議格式為設(shè)備地址/指令碼/指令內(nèi)容/校驗，其中設(shè)備地址為指定接收短消息的無線傳感器基站的短信號碼，校驗采用累加和校驗。
五、結(jié)束語
目前變壓器狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在一些電力生產(chǎn)單位中得到廣泛的應(yīng)用，但是其數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ê褪侄芜€很落后，如果采用無線傳感器技術(shù)將會使變壓器狀態(tài)在線監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、安全性等各方面指標(biāo)得以提高。目前無線傳感器技術(shù)主要方向是ZigBee技術(shù)，本系統(tǒng)就是基于ZigBee技術(shù)基礎(chǔ)上的，完全能夠滿足高速數(shù)據(jù)采集和實時數(shù)據(jù)通訊的要求。
參考文獻(xiàn)
[1]Advanced Metering initiative Profile Specification : ZigBee Profile[s]: Nov.13.2007.
[2]MCARTHCR S D J,STARACHAN S M,JAHN G.The Design of Multi-agent Transformer Condition Monitoring System.IEEE Transactions on Power System ,2004,19(4):1845-1852.
[3] 孫利民，李建中等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005年.