智能变电站监测系统的设计与研究

智能变电站监测系统的设计与研究

晏云桥李江红赵睿

（国网辽宁省电力有限公司鞍山供电公司辽宁省114002）

摘要：如今，伴随着工业4.0的到来，整个社会的用电负荷逐年增加，必须保证用户安全可靠的使用电能，为此国家提出大力发展智能电网。近年来，无线网络技术也有了一些新的突破，无线网络的优势逐渐得到认可，其带来的结果是越来越多的无线网络技术应用于智能电网的各个环节。采用智能化设备的智能变电站是智能电网的重要组成部分，其能否稳定的运行决定了用户能否可靠的使用电能，而变电站的监测系统可以实时监测到变电站内重要设备的运行状态，从而大大提高了供电的质量和供电的可靠性。

关键词：智能变电站；监测系统；设计；研究

一、系统总体设计方案

变电站监测系统主要完成对变电站内的温度监测、湿度监测、SF6监测、电缆沟水位监测以及实现智能门禁功能，包括ZigBee网络单元、本地监控中心、远端服务器三个部分。此监测系统的终端节点通过传感器获取站内电力设备的温度、室内外湿度、SF6是否泄漏以及门禁等信息，这些信息通过ZigBee无线网络以多跳的方式发送至ZigBee协调器节点，最后ZigBee协调器节点把这些信息通过串口送至上位机，也就是本地监控中心。上位机一方面把这些信息实时显示并存储至本地数据库，另一方面上位机通过光纤把这些信息发送给远端服务器。

二、系统的硬件设计

1、主芯片的选择

由于ZigBee的种种优势，各大半导体厂商陆续推出了基于IEEE802.15.4标准的射频芯片，常见的有TI公司的CC2430和CC2530，Ember公司的EM250、EM351以及EM357，Freescale公司的MC1319X系列和MC132XX系列。分析常见的ZigBee射频芯片的特点，本系统使用TI公司的CC2530芯片和Z-Stack协议栈完成ZigBee网络单元的功能。

2、协调器节点硬件设计

协调器节点的硬件包括电源电路、天线电路、复位电路、显示电路、晶振电路、串口电路以及JTAG接口。CC2530需要一个32MHz晶振和一个32.768KHz晶振。32MHz晶振用于RF工作，32.768KHz晶振用于睡眠定时器和看门狗。CC2530低电平复位有效，正常工作时RESET引脚由R2拉高成高电平，按下S1按键，RESET引脚由高变低。

3、路由器节点硬件设计

路由器节点硬件与协调器节点硬件类似，不同的是路由器节点并不需要串口电路，路由器节点和协调器节点主要通过程序实现各自的功能。

4、终端设备节点的硬件设计

终端节点的CC2530晶振电路、复位电路等核心电路和路由器节点、协调器节点一致。终端节点主要的任务是通过不同的传感器完成数据的采集，而且一般情况下终端节点是周期性的进行数据采集，大部分时间处于休眠状态，因此终端节点的电源电路可采用四节7号电池供电的方式供电。但是为了保证门禁的安全性RC522终端节点使用电源加电池的方式供电，SF6气体监测终端由于功耗比较大，也采用电源供电的方式。为了更高效的使用电池，采用电池供电的终端节点没有显示电路。

三、系统的软件设计

ZigBee标准体系包括ZigBee协议栈标准、ZigBee网关标准以及ZigBee网桥标准。Z-Stack协议栈是一种半开源协议栈，其路由模块、安全功能模块以库的形式封装起来。本设计使用的Z-Stack协议栈版本为2.5.1a对应ZigBee2007规范版本。

1、Z-Stack协议栈工作流程

Z-Stack协议栈启动时首先进入main函数，进行初始化工作后进入无限循环OSAL操作系统函数。OSAL主要完成任务的注册、初始化、启动以及任务间的调度和互斥等工作。OSAL操作系统是一个无限循环的函数，此函数在完成任务初始化后，首先判断MAC层有没有事件触发，有则处理事件，若没有则判断网络层有没有事件触发，若网络层有事件触发则处理事件，若没有则依次判断Hal层和MT层有没有事件要处理，若没有，最后判断应用层有没有事件要处理，判断结束之后返回，重新判断MAC层有没有事件要处理。

2、ZigBee节点软件设计

ZigBee节点上电以后，首先会判断自己是协调器、路由器还是终端设备。如果是协调器，进行初始化以后进行信道扫描然后建立网络，最后进入到网络监听状态。当收到数据时，首先判断是否是其他节点的入网申请，如果是入网申请，判断是否有空闲的地址，有空闲地址就分配16位短地址，没有空闲地址就返回监听状态。若不是入网申请，则进入数据处理函数，处理完成后返回。如果是路由器，初始化完成后执行信道扫描，然后发送入网请求，入网成功后进入网络监听状态。当收到数据时进入数据处理函数，处理完成后返回。如果是终端设备，初始化完成后执行信道扫描，然后发送入网请求，入网成功后进入休眠状态。当收到数据时进入数据处理函数，处理完成后返回。

3、上位机软件设计

上位机软件使用LabVIEW编写，作为图形化的编程语言，LabVIEW具有简单易学，开发效率高等优点，LabVIEW又称为“G”语言，也是一种高级语言。本系统由于需要采集、存储以及查询大量数据，所以需要使用数据库来满足要求。LabVIEW提供了一个可以操作数据库的工具包—LabVIEW数据库链接工具包，通过此工具包可以很方便的实现数据库表的建立和删除、记录的添加和删除以及查询数据库中的记录等功能。但是此工具包并不能创建一个数据库，只能对已经存在的数据库文件进行操作，本系统数据库的创建使用的软件是微软公司的MicrosoftOfficeAccess。

四、ZigBee功能测试

ZigBee网络单元实现了把变压器的油温和绕组温度、电缆头的温度、蓄电池的温度、以及室内外的温湿度、站区SF6气体泄漏信息、电缆沟水位以及门禁信息通过ZigBee自组织网络发送至ZigBee协调器，ZigBee协调器通过串口发送至上位机。因此首先使用串口调试助手查看ZigBee网络终端节点发送的数据是否正确。

参考文献

[1]孔祥雯.500kV无人值守新一代智能变电站辅助控制系统的设计与研究[D].郑州大学,2014.

[2]张子成.基于物联网的智能变电站在线监测系统的设计与实现[D].华北电力大学,2014.