專利名稱：應用無線傳感器網絡的變電設備在線監測系統的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于輸變電設備狀態在線監測技術領域，具體涉及一種應用無線傳感 器網絡的變電設備在線監測系統。
背景技術：
變電站綜合自動化是利用微機技術，將變電站的二次設備(包括測量儀表、信號系 統、繼電保護、自動裝置和遠動裝置等)進行功能組合和優化設計，實現對變電站的主要設 備和輸、配電線路的自動監視、測量、自動控制和微機保護，以及調度通信等綜合性的自動 化功能。目前我國每年投入電網運行的數百座新建變電站均采用了綜合自動化系統，同時， 每年還有一定數量的老變電站的技術改造也以綜合自動化系統模式為主。然而，現有的變 電站綜合自動化系統都是通過有線的網絡進行信號的采集、傳輸和發送。且變電站設備雜 多、信號繁多，這給綜合布線及檢查維修帶來了不便，工程量大，維護費用高。無線傳感器網絡綜合了傳感器技術、遙測遙控技術、嵌入式計算機技術、分布式信 息處理技術和無線通信技術，通過無線感知節點實時采集各種信息，對信息進行處理，通過 網絡傳送到控制中心。將無線網絡技術應用于各種網絡系統中亦已成為勢不可擋的趨勢， 無線網絡不僅可以提供更大的靈活性、流動性，還可省去花在綜合布線上的費用和精力，這 無疑更符合未來網絡的通信特點。
發明內容本實用新型的目的是提供一種應用無線傳感器網絡的變電設備在線監測系統，解 決了現有變電站綜合自動化系統通過有線的網絡進行信號的采集、傳輸和發送，變電站設 備雜多、信號繁多，綜合布線及檢查維修不便，工程量大，維護費用高的問題。本實用新型所采用的技術方案是，一種應用無線傳感器網絡的變電設備在線監測 系統，包括監控中心部分和變電站部分，監控中心部分包括通過USB轉串口控制器連接的 匯聚節點及監測PC，變電站部分包括至少兩個設置在變電設備上的無線傳感器，匯聚節點 與無線傳感器以無線的方式相連，組成無線傳感器網絡。本實用新型的特點還在于，其中的匯聚節點包括依次連接的微控制器、ZigBee物理層收發芯片及天線，微控 制器通過USB轉串口控制器與監測PC相連接。其中的無線傳感器包括依次連接的傳感器、微控制器、ZigBee物理層收發芯片和 天線，微控制器、ZigBee物理層收發芯片分別與電源模塊相連接。其中的微控制器采用MC9S08QG8。其中的ZigBee物理層收發芯片采用MC13192。其中的USB轉串口控制器采用PL-2303HX。本實用新型的有益效果是，(1)采用ZigBee技術和具有縮減功能的ZigBee協議棧。[0014](2)采用基于ZigBee技術的無線傳感器網絡，滿足變電站設備雜多、信號繁多、電 磁干擾強、實時性要求高的特殊場合，擴展靈活，基本免于維護。(3)在無線傳感器供電方式上采用高壓側自具電源，很好的解決了取電難的問題。(4)由于信號采用ZigBee無線電傳送，因此具有隔離徹底、結構簡單、抗干擾能力 強、工作可靠等特點。(5)系統設計向下兼容，后續更新換代產品可以與前期同系列產品無縫連接，方便 系統升級。(6)采用模塊化設計，可以方便的增加和刪減各種功能，拓寬了產品的類型，起到 給用戶量身定做的作用。
圖1是本實用新型應用無線傳感器網絡的變電設備在線監測系統的結構示意圖；圖2是本實用新型監測系統中匯聚節點的結構示意圖；圖3是本實用新型監測系統中無線傳感器的結構示意圖；圖4是本實用新型監測系統中無線傳感器的程序流程圖；圖5是本實用新型監測系統中匯聚節點的程序流程圖。圖中，1.監測PC，2.匯聚節點，3.無線傳感器，4.微控制器，5. ZigBee物理層收發 芯片，6.天線，7. USB轉串口控制器，8.電源模塊，9.傳感器。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型進行詳細說明。本實用新型應用無線傳感器網絡的變電設備在線監測系統的結構，如圖1所示， 包括監控中心部分和變電站部分，監控中心部分包括通過USB轉串口控制器7連接的匯聚 節點2及監測PC1，變電站部分包括多個設置在變電設備上的無線傳感器3，匯聚節點2與 無線傳感器3以無線的方式相連，組成無線傳感器網絡，匯聚節點2的結構，如圖2所示， 包括微控制器4，微控制器4上連接有USB轉串口控制器7及ZigBee物理層收發芯片5， ZigBee物理層收發芯片5的輸出端和天線6相連接，無線傳感器3的結構，如圖3所示，包 括依次連接的傳感器9、微控制器4、ZigBee物理層收發芯片5和天線6，微控制器4、ZigBee 物理層收發芯片5分別與電源模塊8相連接。匯聚節點2是一臺ZigBee全功能設備，作為網絡協調器，用于采集安裝在變電站 內的無線傳感器3節點的數據，并將采集的數據通過USB轉串口控制器7發送給監測中心 的監測PC1。以及將監測PCl的指令發送給變電站內的無線傳感器3節點。網絡建立以后 網絡中的每一個無線傳感器3節點都有自己唯一的地址，該地址由匯聚節點在建立無線網 絡時分配給它們，監測PCl根據無線傳感器3節點地址來區分發送給各無線傳感器3節點 指令。同時無線傳感器3節點即時響應該指令。微控制器4 采用 Freescale 的 MC9S08QG8。ZigBee物理層收發芯片5采用Freescale的MC13192。微控制器4和ZigBee物理層收發芯片5構成無線模塊。電源模塊8可以采用高壓自具電源或一般的電池。高壓自具電源是一種利用特制的穿心式電流互感器從高壓側母線感應出能量，并將這些能量提供給電子測量裝置的系 統。其由電流互感器和整流濾波模塊構成。電流互感器由鐵芯和繞線制成，電流互感器的 設計關系到整個電源的設計，這部分的設計難點在于如何讓電流互感器鐵芯在高壓側大電 流情況下盡快飽和，抑制電流互感器的功率輸出。同時要求電流互感器能夠在一次側電流 達到較小時就能夠給整流電流提供可靠工作所需要的功率。這就要求電流互感器的鐵芯材 料要有高磁導率、飽和磁感應強度低的特性。在這一原則指導下，進行材料選取。通過一系 列實驗證明，選用非晶材料作為鐵芯材料能較好地實現高壓自具電源的要求。整個電流互 感器被澆鑄封裝在環氧樹脂內，再套在電纜或斷路器觸頭之類的流過交變電流的設備上， 在交變電流流過此類設備時，產生電磁感應，電流互感器從一次電流回路取電，產生感應電 流，該感應電流送入整流濾波模塊，整流濾波模塊對輸入的電流進行整流濾波處理后，為微 控制器4和ZigBee物理層收發芯片5供電，提供3. 3V電壓。對于安裝高壓自具電源比較 困難的設備可以采用一般的電池供電。傳感器9根據現場監測的要求可以采用不同的傳感器，傳感器9采集信號數據后 再將這些數據傳送給無線傳感器3的無線模塊。由于大多數變電設備都是運行在高電壓、大電流的狀態，且經常出現強烈的電磁 暫態過程，產生強電場、磁場及強電磁，對微電子系統及微弱信號的處理產生不利影響。無 線傳感器3直接安裝在待監測的變電設備上，因此將整個無線傳感器3澆鑄封裝在環氧樹 脂內，固化后的環氧樹脂體系是一種具有高介電性能、耐表面漏電和耐電弧的優良絕緣材 料，起到很好的隔離作用，此外無線傳感器3中的傳感器9從澆鑄封裝好的環氧樹脂中伸出 直接固定在待測變電設備上，與待測點處于同一電位，減少電場的影響。為消除隨機干擾， 無線傳感器3對檢測點的監測信號反復接收，多次采集，排除異常數據以保證數據可靠，通 過以上綜合措施，整機有了較好的抗干擾能力，測量數據穩定可靠。無線模塊采用縮減功能的ZigBee協議棧，其主要功能包括SPI接口讀寫操作、 ZigBee芯片的初始化、數據發送、數據接收、CCA檢測、PHY數據結構生成、MAC層數據結構 生成等。該縮減功能的ZigBee協議棧可以組成星形網絡，實現基本的數據傳送功能。MC13192芯片硬件本身具有碰撞避免策略，在接收模塊的程序上采用了空閑信道 能量評估策略，使得在一固定區域內不會發生誤收或不收某分路無線傳感器3發出信息的 事故。以監測中心的匯聚節點2組建整個變電站ZigBee骨干網絡，在變電站與監控中心 之間安裝若干無線傳感器3作為路由節點。在變電站的高處也安置若干無線傳感器3作為 路由節點，與需要采集的設備的無線傳感器3相對。在實際應用中，根據現場環境部署骨干 無線傳感器模塊數量。骨干模塊在變電站以無線方式自組成社區骨干網絡。變電站內部由 于信號遮擋和屏蔽比較嚴重，應在靠近窗戶的較高位置安放路由器，通過路由器將室內的 數據采集出來傳輸給外部的中心骨干模塊，由于玻璃對電傳信號影響很小，即使具有防爆 膜的玻璃也可以完成數據傳輸。無線傳感器3的程序流程圖，如圖4所示，上電后首先進行信道掃描，尋找網絡協 調器，然后與協調器建立連接。連接成功后，即通過協調器發送的信標與協調器實現同步， 開始按周期采集本采集點的監測數據，并將測量值傳送給協調器。匯聚節點2是ZigBee協調器，需要先開始工作，其程序流程圖，如圖5所示，上電后，首先初始化協議棧，然后進行能量檢測，選擇合適的信道，啟動協調器；此后即可允許 ZigBee設備與其連接，接收ZigBee設備傳輸的各節點的監測數據，并將接收到的數據傳輸 給監測PCl。本實用新型的工作過程為本系統構成了一個無線傳感器網絡，變電站中無線傳 感器3屬于無線傳感器網絡的一部分，主要完成對待測變電設備信息的采集與傳輸。而監 測中心的匯聚節點2負責無線網絡的建立與維護，并將從網絡中收集的信息傳輸給監控中 心的監測PC1，監測PCl上的專家軟件系統，其具有實時監控，自動判斷，超標報警等功能以 及遠傳和遠方控制功能。專家軟件系統具有方便的數據查詢和強大的數據分析功能的數據 庫管理系統。其具有數據處理、系統設置和一些常用工具。數據處理具有數據查詢、數據分 析、變電站維護、數據裝卸等功能。在整個系統中匯聚節點2是整套系統的核心，是連接無線傳感器網絡和監測PCl 的紐帶，其完成無線網絡的建立與維護，并接收安裝于各現場變電設備上的無線傳感器1 采集發送的信息，并將接收的數據打包后，通過USB轉串口控制器7傳送給監測PC1。同時 匯聚節點3將監測PCl下達的控制命令分送至相關各現場無線傳感器3。(網絡建立以后網 絡中的每一個無線傳感器3節點都有自己唯一的地址，該地址由匯聚節點在建立無線網絡 時分配給它們，監測PCl根據無線傳感器3節點地址來區分發送給各無線傳感器3節點指 令。同時無線傳感器3節點即時響應該指令。)現有變電站設備度在線監測系統中大多采用有線方式，在各點安放監測設備。但 在有些情況下，監測點較多，布線、維護困難，容易導致損壞；或者有時布線困難。相對于其 它無線傳輸方式，ZigBee技術具有成本低、功耗小(兩節五號電池即可實現達6個月到2年 的使用時間)、可靠(采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時 隙，避免了發送數據時的競爭和沖突)、時延短(針對時延敏感的應用作了優化)、網絡容量 大(可支持多達65000個節點)、安全(ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加法算法 采用通用的AES-128)、高保密性(64位出廠編號和支持AES-128加密)的優點。
權利要求一種應用無線傳感器網絡的變電設備在線監測系統，其特征在于，包括監控中心部分和變電站部分，所述的監控中心部分包括通過USB轉串口控制器(7)連接的匯聚節點(2)及監測PC(1)，所述的變電站部分包括至少兩個設置在變電設備上的無線傳感器(3)，匯聚節點(2)與無線傳感器(3)以無線的方式相連，組成無線傳感器網絡。
2.根據權利要求1所述的應用無線傳感器網絡的變電設備在線監測系統，其特征在 于，所述的匯聚節點(2)包括依次連接的微控制器(4)、ZigBee物理層收發芯片(5)及天線 (6),微控制器(4)通過USB轉串口控制器(7)與監測PC (1)相連接。
3.根據權利要求1所述的應用無線傳感器網絡的變電設備在線監測系統，其特征在 于，所述的無線傳感器(3)包括依次連接的傳感器(9)、微控制器(4)、ZigBee物理層收發芯 片(5)和天線(6)，微控制器(4)、ZigBee物理層收發芯片(5)分別與電源模塊(8)相連接。
4.根據權利要求2或3所述的應用無線傳感器網絡的變電設備在線監測系統，其特征 在于，所述的微控制器(4)采用MC9S08QG8。
5.根據權利要求2或3所述的應用無線傳感器網絡的變電設備在線監測系統，其特征 在于，所述的ZigBee物理層收發芯片(5)采用MC13192。
6.根據權利要求1或2所述的應用無線傳感器網絡的變電設備在線監測系統，其特征 在于，所述的USB轉串口控制器(7)采用PL-2303HX。
專利摘要本實用新型公開的一種應用無線傳感器網絡的變電設備在線監測系統，包括監控中心部分和變電站部分，監控中心部分包括通過USB轉串口控制器連接的匯聚節點及監測PC，變電站部分包括至少兩個設置在變電設備上的無線傳感器，匯聚節點與無線傳感器以無線的方式相連，組成無線傳感器網絡。本實用新型應用無線傳感器網絡的變電設備在線監測系統，具有成本低、功耗小、可靠、時延短、網絡容量大、安全、高保密性的優點。
文檔編號H02J13/00GK201656564SQ20102014942
公開日2010年11月24日 申請日期2010年4月2日 優先權日2010年4月2日
發明者田毅, 黃新波 申請人:西安工程大學