基于优化ZigBee的特高压直流微安表的设计

徐慧平，杨风开，吴 坚

(1.华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉 430074；2.国防科技大学前沿交叉学科学院，湖南长沙 410073)

0 引言

特高压设备直流耐压试验时，试验现场存在复杂的电磁干扰环境，为了排除杂散电流的影响，直流微安表一般串联在高压直流发生器输出端与受试设备之间[1-2]。由于微安表与试验人员之间的安全距离较远，通常无法直接读取微安表的测量值，需要将测量数据从高压塔筒的顶部传递到地面操控台。

限于复杂的电磁环境和较远的传递距离，常见的无线传输技术(如WiFi、蓝牙等)不适合用于微安表的数据传输[3-4]。目前普遍采用的数据传输方法是利用光纤通讯技术实现传感器与操控台之间数据通讯[5]，这种方法的缺点是光纤连接安装麻烦。传统的高压直流微安表也有利用红外传感技术实现通讯的办法，但是发送点和接收点之间不能有障碍物，且传递距离不能太远，不适用于特高压直流试验。ZigBee技术适合电磁环境复杂的工业控制现场，具有低能耗通讯的特点，特别适用于特高压直流微安表的数据传输。在ZigBee网络的AODV路由算法中，节点转发的路由不是最优，跳数也较多，已有很多研究对其算法进行了优化，但这些优化的算法主要解决的还是能量消耗的问题[6]。而对于特高压试验来说，需要提高数据传输的可靠性，而不是解决能量消耗的问题，因此需要进行优化以提高可靠性。

特高压直流设备试验的另一个特点是当受试设备发生击穿或放电现象时，流过微安表的涌流要远大于普通高压直流试验的电流，容易造成微安表的损坏，要求取样电路具有良好的保护性能。

本文为实现微电流传感器与显示系统之间的通讯，采用ZigBee技术设计了无线路由器，并对经典的ZigBee算法进行优化以提高无线网络的抗干扰能力；为提升在大涌流作用下的保护性能，分析了不同保护元件的特性，设计出两级过流保护取样电路。基于所设计的通讯算法和保护电路研制出特高压直流微安表，在实验室进行低压实验测试了测量精度，并实际应用于特高压现场试验，验证了微安表的通讯效果和过流保护能力。

1 ZigBee路由器设计

ZigBee技术在自动控制系统的数据传输过程中具有较强的抗干扰能力。每个节点本身可作为监控对象，还可进行中转临近节点传过来的数据，具有较高的通讯可靠性、较低的电能消耗[7]。因此，ZigBee技术特别适合于特高压直流微安表的应用。

1.1 ZigBee路由协议

ZigBee路由协议是指ZigBee标准中有关路由算法和功能的部分。因节点无法获取网络信息，所以ZigBee路由算法需在局部网络基础上选择最优的路由。

DSDV协议是一种基于传统BellmanFord路由机制的表驱动算法，被认为是无线自组网络路由协议[8]。DSDV在传统distance-vector算法的基础上采用了序列号机制，主机通过周期性的交换信息得到其他路由的信息，由于数据传送前已经建立路由，故数据传送延时小。但是由于路由更新的速度跟不上拓扑结构变化的速度，DSDV协议可能会导致路由不收敛，使得整个网络崩溃。

DSR(dynamic source routing)协议采用按需路由思想的路由协议，只有在主机发出请求命令时才查找相应的路由，可以节约带宽，减少路由开销[9]。DSR协议包括路由发现和维护2个过程，主要特点是使用了源路由机制进行数据包转发。相较于表动算法，源路由机制在灵活性、可扩展性等方面有更好的表现。

AODV(ad-hoc on-demand distance vector)协议在众多源路由机制中性能较为理想，在DSDV协议的逐跳路由、序列号、定期广播机制基础上，加入了DSR的按需路由的发现和维护机制[10]。AODV在每个中间节点隐式保存了路由请求和应答的结果，并利用扩展环搜索(expanding ring research)的办法限制搜索发现目的节点的范围。但AODV路由应答数据包沿路由请求的反方向回溯到源节点，因而不支持单向信道。与DSDV保存完整的路由表相比，AODV对DSDV的重要改进是AODV通过按需路由减少了路由广播的次数。与DSR相比，AODV的优点在于源路由不需包括在每个数据包中，可降低路由协议的开销。基于上述分析，本文采用AODV协议构建ZigBee网络。

1.2 AODV算法的优化

在ZigBee网络的AODV路由算法中，节点转发的路由不是最优，跳数也较多，影响节点的能量消耗，也影响数据传输的可靠性。为提高数据传输的可靠性，本文对AODV算法进行了优化，实现对网络簇树的自适应选取，以发挥ZigBee网络节点中继传输数据的优点。优化AODV算法流程如图1所示。

图1 优化路由算法流程图

优化算法的步骤如下：

(1)首先，协调器作为簇首，把节点类型设置为CH，并建立网络簇树，设置自身的簇信息[11]；

(2)路由节点收到回复信标后，根据节点类型进行判断：若已有一个簇首节点，则加入该簇，将节点类型设置为CM；若已有多个簇首节点，则加入簇首权重最大的簇，将节点类型设置为CM；若信标中无簇首节点，则自身成为簇首节点，将节点类型设置为CH，同时通知父节点将节点类型设置为GW，以保证相邻簇间的通信；若没有网关，则节点作为网关，将节点类型设置为GW。

1.3 ZigBee路由器硬件电路

ZigBee网络的无线路由器，其硬件电路结构框图如图2所示。它是CC2530芯片[12]开发的，该芯片以8051微处理器为内核，集成了通讯接口和ZigBee射频模块，天线接收到的信号，经过射频功率放大电路放大后，传给上位机，或上位机将数据包发送给射频放大电路。

图2 路由器硬件电路结构

从高压端传感器上的路由器，直接将电流测量数据发给操控台的微安表显示器，也可以将数据发给其他的测量控制系统。根据需要，可以在不同的地点放置若干冗余路由器，当因为干扰、屏蔽或距离等原因导致某个路由节点传输失败时，ZigBee网络自动启动冗余的路由节点建立新的传输路径。

2 过流保护取样电路的设计

微安表利用取样电阻实现电流电压转换，将被测电流转换为电压信号。特高压试验在受试高压设备发生击穿或放电现象时，会产生较大的涌流。为了在涌流冲击下能够有效保护微安表，设计了两级保护电路，原理如图3所示。采用两级保护的方式，输入级利用吸收能量较大但响应时间较慢的压敏电阻Rv保护，输出级采用吸收能量相对较小但是响应时间较快的防雷二极管(TVS)保护。

图3 过流保护取样电路

图3为过流保护取样电阻网络，要求最大输入被测电流为10 mA，取样电路最大输出电压为1 V，在此条件下计算各元件参数，以下说明各元件的功能及取值：R1为限流电阻，当D1击穿时起限流的作用，取R1=1.5 kΩ；C1、R2组成缓冲电路，选取C1=1 000 pF的瓷片电容，R2=10 kΩ；R3为分压电阻，R3=1.2 kΩ；R4为取样电阻，R4=100 Ω；C2为滤波电容，选用10 μF的无感电容。

Rv为输入级过流保护，采用额定电压为33 V的压敏电阻，当输入电压低于额定电压时，Rv相当于开路，当输入电压高于额定电压时，Rv的阻值随电压的升高而急剧减小，其伏安特性如图4所示。Rv能够将输入电压箝位在65 V以内，单次最大瞬时电流可达2 kA。

图4 压敏电阻伏安特性曲线

压敏电阻具有较大的涌流吸收能力，但是在冲击电压作用下其响应时间较慢，钳位电压相对于额定电压较高，保护的精确程度不理想。为了提高电路的保护性能，在图1中的输出级设计了TVS二极管D1，D1的额定电压为15 V，可将输出电压钳位为1 V，其在脉冲电压作用下电流变化特性如图5所示。

图5 TVS电流变化特性

由图5可知，TVS二极管的两端受到瞬态反向高能量冲击时，能够以ns级的速度将高阻抗变为低阻抗，使端电压箝位于安全值，有效地保护输出电路的元器件免因浪涌冲击而损坏。

3 微安表的硬件电路设计

特高压直流微安表主要由传感器、显示器组成。传感器位于高压塔筒的顶部，将被测直流信号转换为数字电压信号，通过ZigBee网络发送到位于操控台的显示器。

传感器部分由过流保护取样电路、电压信号放大电路、A/D转换电路、ZigBee射频模块、电源模块组成，电路结构如图6所示。电源模块将电池电压转换为3.3 V的稳压输出，作为传感器的工作电源，同时产生一路3.3 V的基准电压信号，作为A/D转换器件的电压基准。串行接口与个人计算机连接，用于调试、下载程序。

图6 传感器电路结构

过流保护取样电路获得取样电压信号后，经同相放大电路将取样信号放大到0～3.3 V，然后送A/D转换器件TLV2543进行转换。TLV2543为12位串行接口的A/D转换器件，其转换精度能够满足测量的要求。CC2530的8051内核通过I/O引脚与TLV2543进行数据交换，读取A/D转换的结果，然后利用自身的ZigBee射频模块发送出去。

显示电路利用ZigBee射频模块接收传感器发送的测量数据，然后在液晶显示器上显示出来，其电路原理结构如图7所示。

图7 显示电路结构

图7中按键电路用于对显示器进行参数设置；串行接口电路与个人计算机连接，用于程序调试和下载；指示灯电路用于指示传感器和显示器的各种工作状态。

4 实验和应用

4.1 实验测量

按上述通讯算法和硬件电路设计研制出特高压直流微安表样机后，在实验室低压条件下进行了不同输入电流的测量实验，与0.01级标准微安表(仅适合普通低压条件下使用)的测量值进行比较，以验证所研制微安表的测量精度，实验测量结果如表1所示。

表1 不同电流下测量结果比较

由表1可知，研制的特高压直流微安表的测量精度可以达到0.1级，优于GB/T 16927.2—2013规定的指标，能够满足实际应用的精度要求。

4.2 现场应用测试

将研制的特高压直流微安表用于实际的特高压试验中，在1 200 kV的特高压试验现场条件下，所研制的微安表能够进行有效测量和数据传输；当受试高压设备出现击穿、放电现象时，微安表完好无损，能够有效保护涌流的冲击。

为了测试本文提出的优化ZigBee算法的效果，分别对样机加载经典ZigBee算法程序和优化ZigBee算法程序，在现场试验条件下测试1 000组数据的通讯传输成功率，结果表明经典ZigBee算法的成功率为67.3%，而优化ZigBee算法的成功率为92.5%，可见优化ZigBee算法能够明显提高通讯数据的传输成功率。

为验证设计的两级过流保护电路的保护效果，将两级过流保护电路换成0.1 A的普通保险丝，在受试设备发生击穿时，保险丝熔断，且传感器的信号处理电路损坏。可见保险丝不仅不便于更换，且因响应速度不够不能起到有效的保护作用。因此本文所设计的两级过流保护电路，能够起到有效的保护作用。

5 结束语

针对特高压直流试验过程中电磁环境复杂、瞬时涌流大的特点，设计了优化的ZigBee算法，并设计了两级过流保护取样电路，在此基础上研制出特高压直流微安表。实验室低压测试和特高压现场试验结果表明：优化的ZigBee网络具有较强的抗干扰能力，适用于特高压试验现场复杂电磁环境下较远距离的无线通讯；设计的过流保护取样电路能够有效保护过流冲击；研制的特高压直流微安表测量精度达到0.1级，能够满足实际应用的需要。