基于ZigBee-GPRS的箱式变电站监控系统

范为杰，刘贤兴 ，施 凯 ，张云龙

（1.江苏大学 电气信息工程学院，镇江 212013；2.中科天工电气控股有限公司，阜宁 224400）

箱式变电站作为新型变配电设施具有占地面积小、建设周期短且操作方便等特点，广泛应用于居民小区、公共场所以及环境恶劣地区如高原地区、沙漠地区等。实现箱式变电站的智能监测不仅有利于箱式变电站运行的安全性、经济性、可靠性等管理，随时掌握站内设备运行情况，及时诊断并处理出现的异常现象，大大减少定期检修和停电次数，而且为配电网的运行及性能指标的监视控制、供电方案优化等管理工作提供了有效的技术手段。

有效保证箱式变电站智能监测的根本途径就是自动实现数据的采集以及通信数据的交换。随着无线通信技术的发展，尤其是GPRS无线移动网络技术的成熟为远程监控系统提供了有效的传播路径[1]。目前箱式变电站监控系统中，GPRS无线远程通信技术代替了光纤环网有线通信手段，避免了铺线困难、检修繁琐等问题。然而多数成果都是基于远程通信技术的应用研究，对现场层通信技术应用的研究非常缺乏，大部分箱式变电站内部现场采集仍以CAN总线方式负责数据通信[1-3]，监控对象数量众多致使现场总线错综复杂，而且高压环境对其干扰严重。近年来发

展的ZigBee技术[4-6]是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，在近距离工业监控领域有着广阔的应用前景[7-11]。

本文充分利用ZigBee技术在近距离低功耗领域实现无线通信的优势，提出了一种全新的基于ZigBee技术的箱式变电站远程监控系统方案。方案在现场层采用ZigBee技术交换数据，再结合成熟的GPRS通信技术将现场的数据传输至远程计算机，实现真正意义上的系统无线监控。

1 系统结构和原理

由于箱式变电站繁多的待监测量，在箱式变电站内部构建ZigBee无线局域网，其系统简易结构图如图1所示，每个ZigBee网络终端节点与邻近的数个传感器或仪器仪表连接，采集相应的电参量或开关量，所有采集量通过ZigBee网络将数据传输至ZigBee网络协调器。协调器经过ZigBee-GPRS网关处理器，再将数据传送至GPRS模块，远程计算机通过ADSL由互联网（Internet网）进入GPRS网络获取数据。ZigBee网络终端节点采用纽扣电池供电方式，由于ZigBee协调器节点和ZigBee-GPRS网关需要长期处在工作状态，将其设置在低压室中，采用电力系统供电方式。本文的监控系统采用TI公司推出ZigBee2007协议作为ZigBee无线网络协议，GPRS模块支持TCP/IP协议，修改远程计算机IP地址即可直接与GPRS模块通信，上位机采用VC6.0/MFC配合ACCESS数据库组建人机界面。ZigBee技术和GPRS技术两者优势互补，前者短距离无线传感网络配合后者远程传播完成箱式变电站远程监控系统通信。

图1 系统结构图Fig.1 System structure

2 系统硬件设计

2.1 ZigBee无线传感器局域网

ZigBee无线传感器局域网主要有各网络节点电路、信号各采样电路。网络节点硬件电路选用TI公司CC2530芯片为核心，它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。ZigBee网络节点硬件结构图如图2所示。

图2 ZigBee网络节点硬件结构图Fig.2 Block diagram of ZigBee networking node

CC2530基本外围电路主要由晶振电路、复位电路、电源电路和天线电路构成。每个网络节点有32 MHz振荡器和可选的32.768 kHz晶振，后者用于要求低的睡眠电流消耗和精确唤醒时间的应用。天线电路RF匹配网络部分采用巴伦电路优化，复位电路采用简单的RC电路构成，即可手动控制系统复位。当需复位时，按下S键，复位电路产生一个低电平，传送至CC2530RESET口，使其重新启动。

本文中不同功能的ZigBee网络节点在硬件结构略有不同。ZigBee网络终端节点平时处于休眠状态，当睡眠定时器产生中断时唤醒设备，因此采用纽扣电池经稳压电路方式供电。由于ZigBee网络协调器节点一直处在工作状态，因此需要稳定的电压供电，在低压室采用电力系统降压稳压至3 V的方式供电。ZigBee协调器节点还需增加串口电路以方便其与网关微处理器连接交换数据，低压室监测低压进线参量的ZigBee网络终端节点需要增加RS485串口电路以接收多功能仪表检测的数据。

2.1.1 高压室监测设计

高压室的开关量状态监测对象有高压断路器、高压负荷开关、绕组、母线风机开关和各继电保护。由于高压室采用SF6高压断路器和SF6高压负荷开关，用SF6气体传感器检测SF6气体泄露情况来反应开关量的状态，输出0～4 V的直流电压信号，经过信号处理电路后送至CC2530 IO口。高压室内对绕组和母线进行散热的风机开关的监测，去抖后经过光电隔离电路，消除高压对开关量信号的影响后由采样电路检测。

高压室母线和绕组的温度监测采用pt100插入式温度传感器，棒状传感器端插入线圈，信号输出端与CC2530ADC口相连处理AD信号。高压进线电压电流经电压变送器将电压信号传送至CC2530ADC电路进行处理；直流储能电机电流通过电压检测电路将AD直流信号传送至ADC电路；高压室绝缘套管泄露电流信号检测通过A2漏电流传感器将信号传递至CC2530的IO口。

2.1.2 变压器室监测设计

变压器室监测对象为室内温度、变压器室用风机开关状态和各继电保护的开关状态。变压器室内温度检测选用DS18B20温度传感器，直接焊接在CC2530模块检测环境温度，通过IO口上传。高压室继电保护装置有过电流保护、过负荷保护和单相接地保护；变压器室继电保护装置有瓦斯保护、零序电流保护、过励磁保护、差动保护过电流保护、过负荷保护；低压室继电保护装置有电流保护、横联差动保护。本文通过霍尔传感器，检测装置分合闸处线圈电流判断继电保护装置状态。

2.1.3 低压室监测设计

低压室主要监测对象为进线回路电参量（进线电流电压、出线电流电压、用功、无功等），文章采用多功能仪表，支持数字接口RS-485，通过串口电路转换成TTL电平，接入IO口。低压熔断器、无功补偿投切开关通过开关检测电路将信号传送至CC2530的IO口。馈线回路漏电经过电流互感器后，采用漏电流互感器检测漏电流大小。

2.2 ZigBee-GPRS网关硬件设计

ZigBee无线传感器网络节点分为协调器节点、路由器节点和终端节点。终端节点与各传感器通信；路由器节点在无线网络起中转站作用；协调器节点负责启动网络和收集所有信息。ZigBee-GPRS网关是基于ZigBee协调器节点与GPRS模块的数据处理模块。其网关硬件结构图如图3所示，数据处理微处理器选择TI公司以ARM Contex-M3为核心的LM3S9B96。

3 系统软件设计

3.1 ZigBee无线局域网软件设计

ZigBee网络流程图如图3所示，本文采用星状网络拓扑结构，网络由一个ZigBee协调器节点，其他网络终端节点构成。在系统初始化后，启动协调器节点首先进行应用层任务初始化，调用SAPI_Init函数，调用SAPI_ProcessEvent进入查询事件后，当确定启动协调节点后，StartOption默认值被更改并保存至NV层，调用zb_StartRequest启动网络。进入网络初始化任务ZDO_NETWORK_INIT，最终调用 ZDO_StartDevice。ZDO_StartDevice函数调用了 NLME_NetworkFormationRequest、NLME_Network DiscoveryRequest和NLME_OrphanJoinRequest函数，根据不同的设备类型做相应的工作。建立好后通过ZDO_NetworkFormationConfirmCB函数对ZDO层反馈信息。设置zb_AllowBind，使得协调器节点允许绑定。协调器节点形成网络后，若有其他网络终端节点启动，根据自身设备类型，同样调用ZDO_Start-Device申请加入网络，调用NLME_NetworkDiscoveryRequest函数，若与协调器形成网络通道匹配，则发现网络存在调用NLME_OrphanJoinRequest以孤点方式加入网络。加入成功后调用zb_StartConfirm函数ZDO层得到反馈信息。终端节点向协调器节点通过zb_BindDeviceRequest发起绑定请求，建立绑定后通过函数APSME_BIND.confirm原语返回，通过调用ZDP_NwkAddrReq得到设备目的短地址。协调器和终端节点建立好绑定后，将自动进入数据采集并发送至协调器节点。调用osal_start_timeEX函数，定时发送数据。调用zb_SendDataRequest函数发送信息。协调器节点收到信息后，触发SYS_EVENT_MSG事件，并调用SAPI_ReceiveDataIndication函数对AF_INCOMING_MSG_CMD信息处理。

图3 ZigBee网络流程图Fig.3 Flowchart of ZigBee networking

3.2 ZigBee-GPRS网关软件设计

ZigBee网关设计先由ZigBee网络协调器将传输数据至ZigBee无线传感器网络的网关的处理器LM3S9B96，用ZigBee协议栈解封装得到原始数据，在进行处理后再以TCP/IP协议打包后通过UART通信与GPRS模块连接。为实现系统的监测和控制两大功能，数据帧结构中的数据信息字段分为方向位、功能类型和数据。其中方向位分为上行和下行两种，上行传输的是监测数据，由ZigBee网络传输到GPRS网络再至监控中心；下行传输的是命令控制，由控制中心传输命令到GPRS网络再至ZigBee网络最终至具体的控制器上以实现远程控制功能。

4 远程监控中心设计

4.1 软件设计

本文采用VC6.0软件开发集数据库系统、信息传递、人机界面、实时监测应用程序于一体的远程监控软件，实现数据全无线的远距离传输与监控。本文利用MFC AppWizard创建基于MFC的工程。远程监控软件主要功能：用户登陆系统、实时曲线、报表、事件记录和警报系统。

建立Access数据库，输入自定义的登陆信息。新建CloginDlg类，建立对话框作为登陆窗口，连接数据库，部分程序如：

if（!m_database.IsOpen（））{

if（m_database.Open（_T（"Demo"）））

{m_recordset.m_pDatabase=&m_database；

CString strSQL；

strSQL.Format（"select*from

UserInfo where UserName='%s'and Password='%s'and active_status='Y'"，username，password）；

m_recordset.Open（CRecordset：：forwardOnly，strSQL）；

｝

｝

监控系统用户管理功能，负责用户信息的修改，添加以及删除，分别新建类CPassword、CUserDlg、CUserset对应用户密码修改，用户信息添加修改和用户信息与数据库的连接。使用TeeChart控件构建监控系统的实时曲线和历史曲线功能，在CMainFrame 主 框 架 类 中 OnPrintChart（）、OnCreate（）函数编写曲线图程序，ListControl控件构建系统报表功能和事件记录功能，以报表的形式记录事件发生。新建类CAlertWnd，构建报警窗口。

图4 实时曲线界面Fig.4 Interface of real-time curve

4.2 监控系统设计

根据实际要求设置警界限，设置各断路器、负荷开关、继电保护装置断开时发出警报，本文设置三相母线温度高于60℃发出紧急报警，高压侧进线电流低于30 A警报，低压侧进线高于30 A警报。无线通信选择2.4 GHz频段，波特率设为57600。

实时曲线可观测箱式变电站运行状况，如图4所示，1号进线为高压室线路，进线端为三相正弦交流电，监测其中A相电流。当高压断路器“故障”断开（18：06、18：23左右）电流为0，恢复后仍为交流电。2号线为低压室线路，出线端电流与负载成比例，选定时间段可放大曲线，图4中2号线为某部分放大视图。

监控系统能够完成日常监控和事故处理异常监控，掌握一次设备、二次继电保护等的运行情况，及时发现箱式变电站的安全跳闸事故或者其他异常情况，尽快恢复供电。

5 结语

本文在物联网相关技术的基础上，提出了物联网在箱式变电站远程监控系统中的应用。ZigBee网络工作频段为2.4 GHz，用于箱式变电站远程监控可避免高压工频信号的干扰，ZigBee网络面向短距离通信，GPRS面向长距离通信且需收费。系统通过不同传感器采集各种类监测量，通过ZigBee网络通信传输，再由GPRS通信，两者优势互补，有效地组成无线通信系统。由此，ZigBee技术与GPRS技术的融合在无线通信网络具有广阔的应用前景和发展空间。

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