常 青 葉云龍 史 進

（1.河北建筑工程學院，河北 張家口075000；2.河北北方學院，河北 張家口075000）

0 引 言

電能是由電力部門向用戶提供的一種市場化的特殊商品，與其他商品一樣，人們對其質(zhì)量的要求越來越高.隨著科技的發(fā)展，電力電子技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，電網(wǎng)中非線性、時變性負荷容量的日益增長，使得電能質(zhì)量問題日漸突出.不良的電能質(zhì)量必將影響精密生產(chǎn)工藝流程和高精度工業(yè)設(shè)備的正常生產(chǎn)，對生產(chǎn)生活造成損失.因此，對電能質(zhì)量的要求和管理日趨嚴格，其已成為由發(fā)電、供電、用電三方共同關(guān)注的一個焦點問題，成為電力工作者所面臨的重要任務(wù).而傳統(tǒng)的變電站對電能質(zhì)量進行監(jiān)測時多采用有線的方式來采集信號，工程量大、成本高，不利于后期維護.因此，本文提出了基于ZigBee無線通信技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測分析系統(tǒng).

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

該系統(tǒng)分為三個主要組成部分，一是信號采集調(diào)理部分，可實現(xiàn)電信號的實時監(jiān)測；二是ZigBee無線模塊接收／發(fā)送部分，可實現(xiàn)電信號的實時傳輸；三是上位機LabVIEW監(jiān)測軟件，可實現(xiàn)電能質(zhì)量的監(jiān)測和分析.系統(tǒng)總體框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體框圖

信號采集調(diào)理部分：采用有線的方式，通過電壓電流互感器采集電網(wǎng)實時電壓和電流信號，并將其值變換到一定范圍之內(nèi)，再通過信號調(diào)理電路將其電平變換為ZigBee模塊的可用信號，實現(xiàn)電壓、電流數(shù)據(jù)的實時采集.

ZigBee無線模塊接收／發(fā)送部分：ZigBee模塊負責電信號的接收和無線發(fā)送，將信號傳送到終端設(shè)備.上位機LabVIEW監(jiān)測軟件：接收無線模塊傳輸來的電壓電流信號，編寫電壓偏差、有效值、有功功率、無功功率、視在功率、三相不平衡度等電能質(zhì)量指標的監(jiān)測和分析程序，通過良好的人機界面顯示出來，并將分析結(jié)果與國標進行比較，評價該監(jiān)測點電能質(zhì)量的優(yōu)劣.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用電壓／電流互感器對電網(wǎng)電壓／電流進行實時采集，將采集到的信號通過信號調(diào)理電路進行電平移動和量程轉(zhuǎn)換后，得到A／D轉(zhuǎn)換器適用的輸入電壓范圍.選用無線模塊CC 2530芯片，及時把現(xiàn)場采集的電能相關(guān)參數(shù)通過ZigBee協(xié)議以無線通信的形式發(fā)送到接收模塊，再傳送到上位機.

（1）電壓互感器

電壓模擬信號在接到無線模塊之前，需要把強電信號轉(zhuǎn)換成符合無線模塊輸入量程要求的弱電信號，為保證系統(tǒng)安全可靠，強弱電信號在電氣上是隔離的，因此需采用電壓互感器.電壓互感器就是降壓變壓器，在測量交變電流的大電壓時，為能夠安全測量，在相線和地線之間并聯(lián)一個變壓器，這個變壓器的輸出端接后續(xù)電路，輸出電壓小于輸入電壓，輸出電壓符合后續(xù)電路的電壓輸入要求.互感器需要精度高、線性度好，保證信號采集和轉(zhuǎn)換的準確性，為測試分析處理奠定基礎(chǔ).本系統(tǒng)采用的是基于霍爾原理的閉環(huán)補償電壓互感器，產(chǎn)品性能符合國標，精度高、線性度好、質(zhì)量優(yōu).電流互感器工作原理類似.

（2）信號調(diào)理電路

交流電壓互感器以0～5V的交流電壓作為輸出信號.因A／D模塊的外部基準輸入信號范圍為0～3V，因此需要有合適的調(diào)理電路，以實現(xiàn)A／D輸入的要求.交流電壓調(diào)理電路包括以下三部分：射極跟隨器，提高電路的輸入阻抗；電壓偏移電路，實現(xiàn)電平移動；箝位限幅電路，以保證輸出電壓信號滿足A／D輸入信號范圍.

（3）CC 2530檢測節(jié)點和路由節(jié)點

CC 2530芯片大致包含三類模塊.CPU和內(nèi)存相關(guān)的模塊；外設(shè)、時鐘和電源管理相關(guān)的模塊、無線電相關(guān)的模塊.其擁有適應(yīng)2.4GHz IEEE 802.15.4協(xié)議的RF收發(fā)器，擁有標準的增強型8051 CPU，128KB的可編程閃存，8KB RAM，8路輸入和可配置分辨率的12位ADC，并具有低功耗的優(yōu)點.檢測節(jié)點安裝在需要監(jiān)測的電力設(shè)備附近，由于節(jié)點如采用電池供電電源能量有限，而本系統(tǒng)是對電信號進行監(jiān)測的，可以同時利用電信號進行供電，采用在電力設(shè)備電源進線端基于電磁感應(yīng)原理套接取能線圈的方式，將導線電磁能量轉(zhuǎn)換到二次側(cè)，再經(jīng)整流濾波等環(huán)節(jié)實現(xiàn)隔離式供電.路由節(jié)點不需要接外圍電路，供電方式可采用電池供電，實現(xiàn)無線信號發(fā)射和接受的功能.

圖2 軟件總體流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

（1）總體設(shè)計首先保證電壓傳感器正常工作，開始采集數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)采集正確，就發(fā)送給ZigBee采集節(jié)點，若不正確返回重新采集.由采集節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送到下一個節(jié)點，最簡單的ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以只有一個采集節(jié)點和一個接收節(jié)點，如果是規(guī)模龐大的復雜的網(wǎng)絡(luò)中間可以有多個路由節(jié)點.之后如果下一個節(jié)點接收數(shù)據(jù)正確，則把數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，通過LabVIEW軟件編寫電能質(zhì)量分析程序，計算出電能質(zhì)量指標，將結(jié)果以波形圖、數(shù)據(jù)表的形式顯示出來，如收發(fā)數(shù)據(jù)不正確，則重新收發(fā)數(shù)據(jù).系統(tǒng)的軟件總體流程圖如圖2所示.

（2）無線模塊軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用嵌入式IAR Embedded Workbench作為軟件開發(fā)平臺，其適用于大量8位、16位以及32位的微處理器和微控制器，它為用戶提供一個具有最大量代碼繼承能力的簡單易學的開發(fā)環(huán)境.通過IAR工具，可以有效提高用戶的工作效率.通過該開發(fā)平臺主要進行以下軟件設(shè)計，包括采集節(jié)點軟件設(shè)計、Zig－Bee模塊收發(fā)數(shù)據(jù)設(shè)計、路由節(jié)點設(shè)計、ZigBee組網(wǎng)程序設(shè)計等.

（3）監(jiān)測界面軟件設(shè)計

該系統(tǒng)管理軟件采用LabVIEW語言編程.LabVIEW由美國國家儀器公司研制開發(fā)，使用的是圖形化編程語言G語言，產(chǎn)生的程序是框圖形式.LabVIEW軟件是虛擬儀器設(shè)計平臺的核心，具有良好的人機界面，也是開發(fā)測控系統(tǒng)的理想選擇.

在本系統(tǒng)中，將無線模塊接收到的電壓電流信號通過串口接收程序傳送到計算機后臺進行數(shù)據(jù)分析、處理，在前面板以數(shù)據(jù)窗口或圖形圖表的形式顯示電流、電壓有效值、電壓偏差、頻率偏差、功率（有功功率、無功功率、視在功率以及功率因數(shù)）、三相電壓、電流不平衡度等電能質(zhì)量參數(shù)的處理結(jié)果，并同時分析這些結(jié)果.圖3是在某低壓用戶側(cè)采集的單相電網(wǎng)電壓的變化曲線，采樣點為207，有效值數(shù)據(jù)大多集中在230V到234V，平均值約為231.92V，電壓偏差5.42%，小于電壓偏差標準（GB／T 12325－1990，220V單相供電允許偏差為＋7%）.說明該監(jiān)測節(jié)點的電壓偏差指標合格.

圖3 單相電壓波形與分析

4 結(jié) 論

本文提出了基于ZigBee技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測與分析方案，通過低壓用戶側(cè)的實驗結(jié)果驗證了其有效性和良好的數(shù)據(jù)傳輸能力，并利用虛擬儀器軟件創(chuàng)建了良好的人機界面，方便實時監(jiān)測、分析和控制.將該系統(tǒng)應(yīng)用于變電站自動化監(jiān)測，可以實現(xiàn)無線化、低成本，具有很好的應(yīng)用前景.

［1］滕志軍，王中寶，等.基于ZigBee的電能質(zhì)量監(jiān)測分析系統(tǒng)［J］.電測與儀表，2012（2）：68～70

［2］馬麗萍，張衛(wèi)國.基于ZigBee的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計［J］.電源技術(shù)，2012（8）：1192～1195

［3］陳珍萍，歐陽名三，劉淮霞.基于ZigBee的電能質(zhì)量檢測節(jié)點設(shè)計［J］.低壓電器，2011（9）：37～40