基于无线传感网的电力仪表监控系统的研究

高丽婷，孙皓月，祁爱华

（河北建筑工程学院信息工程学院，河北张家口075000）

基于无线传感网的电力仪表监控系统的研究

高丽婷，孙皓月，祁爱华

（河北建筑工程学院信息工程学院，河北张家口075000）

针对电力系统运行的实际需求，设计了基于嵌入式无线传感网的电力仪表远程监控系统。该系统以大量分布在电力应用系统中的传感器节点为主体，包括了多功能仪表、自动校准软件、上位机监控软件和监控主机等部分。该系统可以显示电压、电流、功率、频率等电力参数，能够实现系统数据智能化、系统化地采集、处理、传输、统计和分析，从而保证生产过程中设备的可靠运行。

电力仪表；无线传感网；嵌入式系统；远程监控

作为国民经济的支柱产业，电力系统不仅与人们的日常生活息息相关，同时也是国民生产的重要保障。随着现代科学技术的不断发展，各种民用和工业的用电设备急剧增加，致使电网的整体规模越来越大，总体结构越来越复杂，这对电网的运行和管理提出了更高的要求。为了保证企业用电和家庭用电的安全，利用电力仪表对电网中的电压、电流、功率等参数进行有效的实时监测，是保证各用电设备可靠运行的重要举措之一。

普通的电力仪表结构简单，功能单一，又缺少必要的远程通信功能，这极大地制约了电力仪表的监测效果。而近年来，嵌入式技术及通信技术的日益成熟，为智能化、多功能的仪表及监控系统的发展提供了有利条件[1]。本文设计了利用嵌入式技术构建的以多功能电力仪表为主体的电力系统远程监测系统。该系统包括了大量分布在各电力设备中的传感器节点，采用自组织网络协议组成了一个平面网状拓扑结构。无线传感器结点收集的数据传送至现场监控中心，再由现场监控中心利用公用通信网传送至远程监控中心，从而实现电力系统的有效监控。

1 系统总体设计

本系统的目的是对电力设备的运行信息进行实时准确的采集和监控，并将所采集的信息通过通信网络发送至远程控制中心，远程控制中心对所采集的数据进行分析、统计、汇总后，对电力设备的各项运行参数进行判断，并依据判断结果对电力设备的运行状态进行控制，从而达到远程监控的目的。

根据电力系统运行的需要，该系统的功能要求是数据采集及时、准确，数据通信安全、可靠，远程控制准确、安全。基于以上要求，本系统采用模块化开发方式，系统主体分为三大部分，如图1所示。

第一部分：数据采集及较正部分。

图1 系统总体结构

这一部分由部署在电力系统中各电力设备及线路监测区内的大量微型传感器组成，传感器终端节点由多功能电力仪表承担数据采集任务，传感器节点中的无线传输模块负责数据的无线通信。众多的无线传感器节点组成一个无线传感网，并通过组网协议形成一个自组织的、多跳的网络系统。

庞大的无线传感器网被划分为众多的分区，每个分区由一个汇聚节点来进行数据的汇总和处理。

第二部分：无线传感网汇聚结点——基站。

无线传感网所采集的数据通过无线传输的方式汇总至网络的汇聚结点基站中。在基站中，所采集的数据进行初步处理，处理的目的之一就是对数据进行有效域的较正，功能的实现主要依赖于在基站中设置相应的PC机，PC机中安装电力仪表自动较正软件，PC机接受无线传感网传送过来的仪表测量初始值，在后台自动较正软件中进行误差的计算，再根据误差值计算出校准值，最后通过PC机将仪表较正指令自动发回给现场监测仪表，从而实现电力监测仪表消除运行误差的目的。

基站中还安装有基于电力仪表数据分析的综合管理软件，每个基站的PC机一般可以挂载100个左右的仪表。PC机向仪表发送命令读取数据，数据经过处理后发送至PC机，并可在PC机的监控界面中显示出来。

作为无线通信方式和有线（或公共）通信方式的枢纽，基站中设有PC机，内置以太网控制模块，以便将数据以有线的方式通过Internet发送至远程服务器，并存储在相应的数据库中。

基站内无数据存储功能。

第三部分：远程监控中心。

远程监控中心内设大型数据库，内存各种标准运行数据、历史数据、故障数据等。监控主机根据数据库中的相应数据与当前运行数据相比较，进行运行参数超限报警分析，如果发现任意一个下位机仪表发生电压、电流或功率超限时，监控主机都会发出报警信号，并显示报警地址以及分析报警的原因。工作人员可通过系统数据决定下一步的操作，手动远程控制。当在一个时间界限内无工作人员操作时，系统自动根据决策进行远程故障处理。

2 无线传感器节点设计

无线传感器网络由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成[2]。因此构建合理的传感器节点的硬件平台是无线传感网体系建立的重要基础。

无线传感器网络中的节点主要由四大部分组成，第一部分为数据采集模块，由各种携带多功能电力仪表的模块来承担，基本要求是数据采集准确、可靠性高、功耗低；第二部分为处理模块，由微处理器承担；第三部分为无线信号收发模块，主要负责无线信号的向外传输；第四部分为电源部分，主要的功能是为以上三部分提供电能支持。具体结构如图2所示。

数据采集模块的主要功能是检测电力设备的三相电参量，主要是指电压有效值、电流有效值、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功能量、无功能量、视在能量及电压电流的相角、相序等参数。在这些参数中，如何及时、准确地获取瞬时电流和电压是测量的重中之重。

图2 传感器节点硬件结构

为保证采集数据的准确性和实时性，本系统中的微处理器采用16位单片机MSP430F1611作为无线传感器网络节点的微处理器，其工作电压为1.8～3.6V，活动模式下耗电为250 μA/MIPS（每秒百万条指令），并能在低电压下以超低功耗状态工作；采用RISC（精简指令集计算机）体系结构，指令速度高，同时采用了16位硬件乘法器、DMA（直接存储器存取）等一系列先进的体系结构，可以大大增强它的数据处理和运算能力。

无线传感网中的短距离无线数据传输采用ZigBee技术。ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低数据速率、低复杂度、低成本的双向无线通信技术，它具有协议简单、建网范围大、实现成本低的优点，是目前应用较为广泛的无线传输技术。

适应于ZigBee技术的具体要求，本设计选用CC2430作为传感器节点的射频芯片。

CC2430芯片以强大的集成开发环境IAR作为支持，结合Chipcon公司全球先进的ZigBee协议栈、工具包和参考设计，是一款全球领先的符合IEEE802.15.4标准的2.4 GHz的RF无线电收发机。CC2430芯片具有较宽的电压范围（2.0～3.6V），适应性好，具用优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰能力，并且功耗低，在休眠模式时仅有0.9 μA的电流损耗，唤醒时间极短，因此非常符合本设计的要求。

MSP430F1611通过SPI接口访问CC2430模块，实现对数据的发送和接受。

FlASH存储器用于存储本地采集节点上传的数据，对于网关节点还要存储网络状态的监测值。采用AT45DB041B芯片作为串行FLASH存储。

3 系统软件设计

本设计将μC/OS-Ⅱ操作系统移植至微处理芯片MSP430F1611中。相比于其他嵌入式操作系统，μC/OS-Ⅱ的扩展比高，占用空间小，执行效率高，可以满足系统实时响应的基本要求。

CC2430模块采用Zigbee标准通信协议栈来完成，主要结构如图3所示，从而完成将采集到的数据汇总到基站PC机中的目的。

图3 ZigBee协议栈的层次结构

4 总结

本文针对电力设备运行复杂的问题，设计了基于无线传感网的电力参数监测系统。在无线传感网结点中，利用各种电流、电压传感器进行数据的采集，利用MSP430F1611芯片对电力参数进行初步的处理，并利用串口通信模块将数据传送至上位机。

数据的传送采用无线收发模块CC2430来实现，同时利用FLASH实现现场数据的存储，Zigbee标准通信协议来实现数据的收发。

基站PC机部分采用现场管理较件对无线传感器节点的数据采集进行管理，管理除对采集数据进行处理及上传至监控中心外，还承担着仪器较正的任务，从而进一步保证了采集数据的可靠性。

[1]任玉茂.基于MODBUS协议的电力仪表监控系统[D].杭州：杭州电子科技大学，2013：6-7.

[2]吴艳.基于MEMS传感器的无线传感网络研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2011：54-55.

Research of electricitymetermonitor system based on WSN

GAO Li-ting,SUN Hao-yue,QIAi-hua

According to the actual demand of power system operation,a remotemonitoring powermeter system based on embedded wireless sensor network was designed.A large number of sensor nodes in the distributed application in electric power systems were adopted by the system as themain body,including themulti-functionmeter,automatic calibration software and PCmonitoring software andmonitoringhost part.The electric parameters such as voltage,current,power,frequency were displayed,and system data acquisition,processing,transmission, statistics and analysis intelligently and systematically were achieved,and the reliable operation of the equipment in the process of production was ensured.

multifunctionmeter;wireless sensor network(WSN);embedded system;remotemonitoring

TM 933

A

1002-087 X(2014)10-1937-03

2014-08-10

高丽婷(1973—)，女，河北省人，硕士，副教授，主要研究方向为计算机系统结构、网络及网络安全技术。