电网参数的无线传感器网络监测系统

许世林　王义波　赵昌勇　张兆鹏　刘会鹏

【摘 要】针对电网参数使用有线监测和人工巡检方法存在的问题，提出了一种基于ZigBee无线传感器网络的电网参数监测系统设计，系统通过WSN模块对电网参数进行采集、处理、无线传送等操作，得到的电网参数包括电压、电流、功率、功率因数、电网频率等，然后把数据无线传送到异构网络通信协议融合模块，经过协议转换后上传到Internet上，最终在上位机上显示，实现电网参数的远程访问，实时查询等功能，本系统具有使用简单、信息实时、减少对有线网络的依赖、便于管理等优点。

【关键词】电网参数；WSN模块；Zigbee；嵌入式微处理器

0 引言

目前我国电网分布较为广泛，对电网的安全预警和故障诊断成为必要，但电网监测方面仍存在一些问题，传统的监测数据主要通过有线传输方式，但是采用传统监测方式需要大量通信电缆，且安装困难，周期长，需要耗费大量资源，目前也缺乏有效的有线监测手段，部分线路还需要人工巡检，有些输电线路分布在恶劣的环境中，给工作人员带来了巨大的不便，若工作人员无法接近输电线路，则会产生监测盲区，就无法了解输电线路的工作状态，不利于电能的传输。若能够实时了解输电线路的参数，采取相应措施，充分发挥输电线路的输电能力，将有利于提高社会的经济效益。

随着电力系统的迅速发展，电能监测的重要性日益突显，通过恰当的监测手段及时了解电网参数，将有助于提高电网的运行能力，随着传感器和无线网络技术的出现和迅猛发展，为电网的无线监测提供了强有力的技术支持，这样将会有利于解决电网监测方面存在的问题。

1 系统设计的原理

系统有多个WSN模块，WSN模块对电网参数进行测量，得到的电网参数包括电压有效值、电流有效值、电网频率、谐波、功率因数、功率等，把测量参数处理后通过CC2530传送到异构网络通信协议融合模块，异构网络通信协议融合模块是以嵌入式微处理器为中心的网关平台，通过STM32F103对数据进行处理然后上传到互联网上。监控中心通过互联网下载数据，进行处理、分析，最后在上位机上显示。系统的整体结构框图如图1所示。

2 硬件设计电路介绍

2.1 WSN模块

2.1.1 Zigbee模块CC2530

系统设计的数据发送与接收节点均为Zigbee模块CC2530，通过CC2530组建网络，使WSN模块和异构网络通信协议融合模块加入网络，实现数据的无线传输与接收，CC2530具有RF收发器的优良性能，集成了增强型的8051CPU，自身带有射频功能，它能够建立强大的网络节点，支持低功耗、低数据速率，具有很好的抗干扰性能和极高的接收灵敏度，使传输数据安全可靠。

2.1.2 电网参数采集模块

本系统采用电流互感器和分压式电阻器进行电网参数的采集，电流互感器依据电磁感应原理，将电网中的大电流转变成小电流进行测量，由分压式电阻器得到相应的电压值，然后把数据传送到数据处理模块。

2.1.3 数据处理模块

数据处理模块首先对模拟信号进行放大、滤波等处理，得到符合要求的电网参数，由时间抽取法的基2FFT分析方法，计算出谐波参数，用二瓦特计法计算出功率参数，通过有功功率和视在功率计算出功率因数，对每相电压电流信号进行采样、计算，得到电网频率。

2.1.4 电源模块

电源模块负责给整个节点提供电能，其内部含有低压差稳压芯片LM1117，LM1117是一个低压差三端可调稳压集成电路，能够提供稳定电压，并且提供电流限制和热保护，确保电源模块正常工作。

2.2 异构网络通信协议融合模块

异构网络通信协议融合模块是以嵌入式微处理器为中心的网关平台，它能够将Zigbee协议的数据转化为TCP/IP协议的格式，实现Zigbee协议组成的无线传感器网络的数据在互联网上的远程访问、实时查询等功能，由Zigbee协调器接收WSN模块传送的数据，通过SPI串行外设接口传送到STM32F103中，通过微处理器对数据进行处理，完成协议转换，处理好的数据存放在FLASH中，并通过GPRS上传到Internet，由JTAG对芯片进行在线编程和调试，提高程序开发的效率。

2.3 监控中心

监控中心监控整个区域内电网的参数，由Internet接收网关发送的数据，在信息平台上进行处理、分析、比较，最终在上位机上显示。

3 软件设计部分

该系统软件主要有WSN模块电网参数采集处理与发送程序、异构网络通信协议融合模块数据的接收处理与发送程序。

WSN模块电网参数采集处理与发送程序流程：系统上电启动，然后硬件初始化、软件系统初始化，请求CC2530加入网络，CC2530进入低功耗模式，采集节点调度任务产生定时器中断，CC2530退出低功耗模式，传感器开始采集电网参数，接着进行数据的记录、处理、传输，关闭传感器，CC2530再次进入低功耗模式。

异构网络通信协议融合模块数据的接收处理与发送程序流程：首先系统初始化，CC2530协议栈初始化，检测到有信号输入，允许WSN模块的CC2530加入网络，接收数据并进行协议转换，最后传送到监测中心。

4 结语

本文设计了基于Zigbee电网参数的无线传感器网络监测系统，该系统实现了电网参数的无线传送，解决了有线监测和人工巡检存在的问题，有利于提高电能的输送和利用，通过无线传感器网络与Internet、GPRS等类型网络协议栈的对接与融合，实现了各模块间的通信，同时还具有网络规模大、监测节点多、可扩展性强、系统升级和改造容易等特点，在电网监测方面有较好的应用前景。

【参考文献】

[1]黎步银，张杰.基于Zigbee的智能电网高级量测体系数据采集系统[J].仪表技术与传感器，2015（10）：60-64.

[2]张浩.高速铁路基础设施监测无线传感器网络研究[D].北京交通大学，2013.

[3]吴胜明.智能家居交互终端的设计与实现[D].华北电力大学，2012.

[4]丁道振.基于Zigbee的高压开关柜触头温度在线监测系统研究[D].集美大学，2013.

[5]张光南.一种电网监测系统的設计与实现[J].自动化与仪器仪表，2016（4）：138-142.

[责任编辑：田吉捷]