李建強(qiáng)

（大唐三門(mén)峽電力有限責(zé)任公司，河南 三門(mén)峽 472143）

應(yīng)用于變電站工況信息監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

李建強(qiáng)

（大唐三門(mén)峽電力有限責(zé)任公司，河南 三門(mén)峽 472143）

為監(jiān)測(cè)變電站工況環(huán)境，保障電力設(shè)備安全運(yùn)行，同時(shí)改善傳統(tǒng)監(jiān)控方式施工繁瑣、成本高等缺陷，本文提出基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的變電站溫濕度等環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)方法。采用TI公司的16位處理器MSP430F149和CC1100射頻模塊，借助SHT10溫濕度一體傳感器，基于SimpiliciTI協(xié)議設(shè)計(jì)433MHz頻段的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。試驗(yàn)表明無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離及數(shù)據(jù)丟包率均滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)需要，效果良好。

變電站；環(huán)境監(jiān)測(cè)；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)

變電站作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其運(yùn)行可靠性直接影響著電力的穩(wěn)定可靠供給［1-3］。工況環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是監(jiān)管與預(yù)防變電站災(zāi)難發(fā)生的一個(gè)重要途徑。傳統(tǒng)的變電站工況環(huán)境監(jiān)測(cè)多以有線(xiàn)方式進(jìn)行，這種方式不但成本高，戶(hù)外施工繁瑣，工作量大，而且數(shù)據(jù)線(xiàn)路易老化而影響信息監(jiān)測(cè)。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的加快，越來(lái)越多的科研單位在該領(lǐng)域展開(kāi)了研究［4-7］。趙龍等［8］對(duì)GSM通信在配變電監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)實(shí)踐研究；于朝輝等［9］借助無(wú)線(xiàn)公用網(wǎng)絡(luò)通信，配合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組建了居民區(qū)變電站環(huán)境信息的采集與存儲(chǔ)，完成對(duì)變電站運(yùn)行環(huán)境的監(jiān)控。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）技術(shù)憑借無(wú)線(xiàn)、低功耗、自組網(wǎng)、應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點(diǎn)，也越來(lái)越多地被應(yīng)用于電力系統(tǒng)的信息傳輸與監(jiān)測(cè)［10-12］。本文基于433MHz ISM頻段，結(jié)合嵌入式及傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，研制了應(yīng)用于變電站溫濕度及露點(diǎn)信息監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信性能進(jìn)行試驗(yàn)研究分析。

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)采用自主設(shè)計(jì)的軟硬件方案，組建一個(gè)基于433MHz的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，并借助各種傳感器對(duì)變電站的環(huán)境信息進(jìn)行分布式采集，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)

環(huán)境信息監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)由環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)和信息匯聚網(wǎng)關(guān)兩部分組成，系統(tǒng)運(yùn)行后，信息匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)起并組建網(wǎng)絡(luò)，并為入網(wǎng)的采集節(jié)點(diǎn)分配唯一的網(wǎng)絡(luò)ID；采集節(jié)點(diǎn)融合了溫濕度傳感器，并可計(jì)算露點(diǎn)信息，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到網(wǎng)關(guān)下達(dá)的“采集”命令，立即進(jìn)行相應(yīng)環(huán)境信息的采集，并自尋路徑完成向匯聚網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；匯聚網(wǎng)關(guān)集成了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換模塊，為實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)或Internet接入提供接口。

2 硬件

2.1 采集節(jié)點(diǎn)

環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)以TI公司的16位FLASH型混合信號(hào)處理器MSP430F149為核心，包括射頻模塊、電源模塊、JTAG模塊、傳感器模塊，節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中，射頻模塊采用TI公司基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的CC1100芯片設(shè)計(jì)的433MHz射頻電路，該模塊經(jīng)4線(xiàn)SPI兼容接口（SI、SO、SCLK、CSn）與MCU連接，支持多種調(diào)制格式（MSK、ASK、FSK等）和傳輸速率配置（傳輸速率范圍0.6～500kb/s），結(jié)合跳頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)短距離無(wú)線(xiàn)通信。

采用4線(xiàn)制IIC接口的二合一Sensirion溫濕度傳感器——SHT10進(jìn)行溫濕度采集。應(yīng)用了工業(yè)CMOS過(guò)程微加工技術(shù)，由電容式聚合體測(cè)濕元件、能隙式測(cè)溫元件、A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)串行接口電路組成。SHT10采用典型工作電壓3.3V DC供電，SCK引腳用于與MCU的通訊同步，DATA引腳采用10K電阻上拉，向MCU輸出溫濕度數(shù)據(jù)。每次采樣傳感器內(nèi)部均對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)而后輸出，具有快速響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

節(jié)點(diǎn)電路采用雙層電路板設(shè)計(jì)，傳感器經(jīng)信號(hào)線(xiàn)引出，便于安裝測(cè)量。

表1 SHT10參數(shù)

2.2 匯聚網(wǎng)關(guān)

匯聚網(wǎng)關(guān)采用與節(jié)點(diǎn)同構(gòu)設(shè)計(jì)的原則，為實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的通信，在節(jié)點(diǎn)硬件基礎(chǔ)上擴(kuò)展了通信功能模塊。為支持以太網(wǎng)通信，通信功能模塊采用了串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換模塊。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換模塊組成如圖3所示。

圖3 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換模塊示意圖

LPC1114為NXP公司基于Cortex-M0內(nèi)核的微控制器，是連接RS232串口與網(wǎng)口芯片ENC28J60的中間環(huán)節(jié)，ENC28J60支持輕量級(jí)的TCP/IP通信協(xié)議——uIP協(xié)議，通過(guò)SPI接口與LPC1114進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信，ENC28J60性能指標(biāo)如表2所示。

此外，該芯片的TTL電平類(lèi)型能夠直接與LPC1114兼容，最高速度能夠達(dá)到10MB/s。

3 軟件

3.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議移植

常用的低功耗無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議有藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee等，本研究采用TI公司推出的SimpliciTI通信協(xié)議，在設(shè)計(jì)的硬件基礎(chǔ)上創(chuàng)建433MHz的傳感器網(wǎng)絡(luò)，相較于Zig-Bee等2.4GHz頻段有更好的穿透性，傳輸距離更遠(yuǎn)。SimpliciTI協(xié)議棧包括BSP層、MRFI層、NWK層和NWK Appication層，協(xié)議棧架構(gòu)如圖4所示。SimpliciTI移植采用IAR 5.3開(kāi)發(fā)環(huán)境，主要接口如表3所示。

圖4 SimpliciTI協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

表3 主要接口說(shuō)明

表2 ENC28J60特性

采用IAR Embedded Workbench開(kāi)發(fā)環(huán)境，完成SimpliciTI協(xié)議棧在MSP430F149上的移植。

3.2 溫濕度采集

SHT10傳感器具備溫度及濕度采集功能，并可根據(jù)采集的溫度及濕度值，實(shí)時(shí)計(jì)算空氣露點(diǎn)，溫度及濕度采集表達(dá)式如式（1）和（2）所示：

式（1）（2）中，T為溫度值，RH為濕度值，DT和DRH分別為傳感器輸出的溫、濕度數(shù)字量，d1和d2是分別與電源電壓和所采用的分辨率相關(guān)的參數(shù)，m1、m2和m3為與分辨率相關(guān)的參數(shù)。由于選用的3.3VDC供電電源及12bit采樣精度，參照官方手冊(cè)，相關(guān)參數(shù)設(shè)定如表4所示。

表4 SHT10參數(shù)值列表

露點(diǎn)Dp通過(guò)T和RH計(jì)算得到，計(jì)算公式如下：

3.3 軟件流程

調(diào)用SimpliciTI協(xié)議接口，對(duì)采集節(jié)點(diǎn)和匯聚網(wǎng)關(guān)進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

系統(tǒng)上電完成時(shí)鐘、硬件初始化后，匯聚網(wǎng)關(guān)即發(fā)起無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立，各節(jié)點(diǎn)初始化完成后，即開(kāi)始向匯聚網(wǎng)關(guān)（協(xié)調(diào)器）請(qǐng)求建立鏈接，當(dāng)網(wǎng)關(guān)偵聽(tīng)到節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求入網(wǎng)命令后，便為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)地址唯一的網(wǎng)絡(luò)ID，并告知節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功；設(shè)計(jì)的采集節(jié)點(diǎn)為被動(dòng)響應(yīng)類(lèi)型，當(dāng)匯聚網(wǎng)關(guān)接收到遠(yuǎn)程上位機(jī)的信息采集命令時(shí)，即將該命令向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)點(diǎn)收到命令后隨即進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集和露點(diǎn)的計(jì)算，然后再通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式轉(zhuǎn)發(fā)至匯聚網(wǎng)關(guān)；匯聚網(wǎng)關(guān)收到節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后，則通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)出去，經(jīng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模塊轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程上位機(jī)。

4 試驗(yàn)及結(jié)論

整合設(shè)計(jì)的軟硬件，對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸距離測(cè)試及通信質(zhì)量測(cè)試，試驗(yàn)方案如下：在10kV變電站附近，取節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)各一個(gè)，設(shè)定節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)相距200m且視距無(wú)障礙，天線(xiàn)距地面高度2m，發(fā)射功率0dBm，天線(xiàn)增益5dB，網(wǎng)關(guān)采用RS232與PC連接，通過(guò)串口調(diào)試助手周期發(fā)送100次1個(gè)字節(jié)的采集命令，節(jié)點(diǎn)返回?cái)?shù)據(jù)格式“T025.00H010.00P-08.69”共21個(gè)字節(jié)。接收數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：有效數(shù)據(jù)100組，計(jì)2 100字節(jié)，有效字節(jié)數(shù)2 100，丟包率及錯(cuò)誤率均為0%，具有良好的通信性能，適用于變電站環(huán)境信息監(jiān)測(cè)。

圖5 軟件流程圖

［1］彭州紅，馬國(guó)強(qiáng)，吳金勇，等.嵌入式電力監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2005（4）：12-13.

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Design of Wireless Sensor Network Applied in Substation Condition Monitoring

Li Jianqiang
（Datang Sanmenxia Power Co.,Ltd.，Sanmenxia Henan 472143）

In order to monitor the working conditions of substations,to guarantee the safe operation of power equipment,and to improve the traditional monitoring system construction complex and high cost,this paper presented the monitoring method of wireless sensor network technology in substation based on the information of temperature and humidity environment.Using TI's 16 bit MSP430F149 processor and RF module CC1100,with SHT10 temperature and humidity sensor,this paper designed 433MHz band wireless sensor network based on the SimpiliciTI protocol,to monitor temperature,humidity and dew point information of substation operation condition.The experimental results show that the transmission distance and the packet loss rate of wireless sensor network can meet the monitoring needs.

substation；environmental monitoring；wireless sensor network

TM764

A

1003-5168（2017）05-0021-03

2017-04-21

李建強(qiáng)（1983-），男，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化及保護(hù)。