基于ZigBee的变电站监测数据采集系统

杨波 邬军军 赵德基 高玉宝

摘要：变电站监测数据有利于运检人员及时了解变电站运行状况，因为变电站监测数据具有重要价值，变电站数据采集的智能化是智能电网重要基础。随着无线技术的发展，变电站监测数据智能采集在电力行业被广泛的应用，其中基于蓝牙、无线WIFI传输技术最具有代表性，但是功耗很大，一般需要外接电源，造成电力资源的浪费，成本比较高，并且存在不安全因素。本系统依托ZigBee无线传输技术，设计一种基于FPGA的变电站开关柜电能ZigBee数据采集系统，系统主要包括基于FPGA的采集终端、ZigBee传输网络和数据中心上位，为用户提供了一种低成本、高性能的变电站在线监测方式。

关键词：监测数据；ZigBee；变电站开关柜；采集终端；上位机

中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）08-0140-03

1 技术介绍

1.1 ZigBee技术

ZigBee是一种新型的局域网协议，相对于蓝牙和无线WIFI无线通讯方式来说。功耗低和短距离通讯是ZigBee最大的特点。在国际上，ZigBee已经被纳入了国际标准规定。目前在国内正在逐步普及，比如自动化控制和远程控制等。其中应用场合可以是不同类型的设备，总之，ZigBee是一种功耗低、近距离、便宜的无线通讯技术以及无线网络协议。

根据IEEE802.15.4标准，ZigBee作为一种网络协议，也具有層次结构，由下往上依次为物理层、控制场、传输层、网络层和应用层。

1.2 SOPC技术

SOPC全称为“System-on-a-Programmable-Chip”，意思为“可编程片上系统”，将处理器、输入/输出口、存储器以及需要的功能模块集成到一个片上，从而实现一个可编程的片上系统。SOPC技术是基于FPGA解决方案的SOC片上系统设计技术，是计算机应用技术发展的重要成果，同时也是处理器应用的重要研究和发展方向。

SOPC结合了FPAG、PLD所有的优点，主要特征如下：

（1）至少需要一个处理器内核；（2）容量小片内具有高速RAM资源；（3）丰富的资源可供选择；（4）片上足够可编程逻辑资源；（5）功耗低以及单一芯片。

1.3 系统架构

系统架构图如图1所示。

系统利用采集终端采集变电站开关柜的设备运行参数，通过ZigBee无线通讯网络将设备运行参数上送到上位机，上位机对上送的数据进行分析和处理，根据不同的数据类型格式，进行数据存储。

1.4 采集终端架构

采用FPGA芯片和SOPC技术构建数据采集终端的控制单元；利用ZigBee无线通讯网络来上送终端采集的数据。其中数据采集终端的设计是主要核心单元，如图2所示。

电流互感器的信号通过信号调理模块，进行滤波和放大，之后通过AD接收；信号调理模块将数据转换后的信息通过FPGA做数据分析和处理，最后把将处理过后的数据信息一台依托ZigBee无线通讯网络上送到远端数据中心。

2 模块设计

2.1 基于SOPC的FPGA模块结构设计

连接图如图3所示。

在一个FPGA芯片上可以集成采集终端的所有模块，比如定时器模块等等，模块之间的数据传递通过Avalon作为桥梁来实现的，这种集成的架构方式可以运行在不同类型的系统结构，主要特点是实现将所有数据进行同时处理，不需要等待，所以不会造成数据丢失现象的发生，并且处理的数据量比较大，实现模块之间数据的正常传递。

2.2 信号采集及信号调理模块

通常互感器输出的模拟信号（电流或者电压）是比较微弱的。因此在对输电线上的设备做监测时，要考虑到运算放大器的质量效果，其中低噪声和低失调电压是两个中重要因素。因此系统选择INA337来做数据调理的运算放大器，原因在于功耗低以及失调电压较小。R4是决定芯片的输出电压（UMAX）。如图4所示。

2.3 AD转换模块

转换模块是数据采集的核心技术，其芯片的设计是否合理是关系到系统是否能达到应用要求的关键。系统采用AD7656作为模数转换模块的芯片。可以满足高分辨率、多通道、高转换速率和功耗低的要求，主要应用于电力监控系统和控制系统。

2.4 ZigBee无线模块

CC253芯片沿用了CC2430芯片构架，主要在于它可以以低成本的材料来建立和健全高科技的网络节点，主要将优良性能的收发器RF、具有增强型的8051内核、系统自带编程闪存以及其它的功能。同时还具有多种类型的运行模式以及功耗低的性能。同时为了提高了网络中协调器和路由器节点无线传输模块的性能，采用CC2530和CC2591两个芯片结合起来的芯片组来延长ZigBee无线通讯的距离。

3 软件设计

3.1 基于Nios软核的控制流程设计

具体流程设计如图5所示。

初始化主要针对与系统的控制器以及其它辅助设备的操作，根据设备信号中断情况来判断下一步流程走向，如果信号中断，则整个流程结束。如果信号没有中断，则继续走模块流程，如果是开关量控制模块，则整个流程结束，反之走其它模块进行信号的逐一模块的处理和分析。最终依托ZigBee技术将处理和分析的数据上送到数据中心做存储。

3.2 ZigBee数传模块发送数据流程

具体数据流程如图6所示。

节点上送数据后，数据监测设备和收发器开始数据初始化，首先要确定采集模块和路由器之间是否通讯。如果通讯，则开始发送数据，反之，采集模块要重新连接路由器，直到连接成功为止。对于发送的数据也要进行检查数据是否发送成功，失败要重新发送，发送正确的数据上送到终端设备，最终有终端设备进行数据的显示和分析处理。

4 结语

系统依托ZIGBEE无线传输技术，设计一种基于FPGA的变电站开关柜电能ZIGBEE数据采集系统，系统主要包括基于FPGA的采集终端、ZIGBEE传输网络和数据中心上位，为用户提供了一种低成本、高性能的变电站在线监测方式。实现变电站数据采集的智能化，为智能电网的大力建设提供了有力的应用价值。