無線傳感器技術在變壓器狀態監測系統中的應用
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徐純森 趙衍娟等1由 分享
【關鍵詞】監測,系統,應用,狀態,傳感器,技術,無線,ZigBee,模
關鍵詞無限傳感器技術；狀態監控系統；ZigBee協議；變壓器
在電力系統的信息化過程中，變壓器是導致電力系統事故比較多的設備之一，變壓器的故障將給電力系統帶來災難性的影響，目前變壓器狀態在線監測系統多采用RS485總線設計，但485總線采用的是主從式通信，通信期間如果下位機出現故障，只能采用主機輪循查詢，故障不能及時得到反饋。而使用無線傳感器技術可以解決當下位機出現故障時，下位機能及時通知主機并有效地處理事故。
一、系統原理
采用無線傳感器技術將會使變壓器狀態在線監控的數據傳輸的穩定性、安全性等各方面指標得以提高。目前無線傳感器技術主要方向是ZigBee技術， ZigBee是一種強調極低耗電、極低成本的短距離無線網絡技術，傳輸速度為20-250kbps。ZigBee采用DSSS技術，功耗更低。ZigBee產品可使用數月至數年之久，這一點非常適合該系統。
二、系統總體架構
以微處理器技術為核心，由無線傳感器，數據采集，通訊系統和分析軟件4大模塊組成。傳感器將采集到的振動，噪音，電流，電壓等被測信號經數據采集模塊處理后，通過ZigBee協議傳到路由器，其上層分析軟件采用c#編制的監控程序對數據進行讀取，存儲，分析，做出判斷。
三、系統硬件實現
系統硬件實現分為獲取狀態信息的數據采集模塊和基于ZigBee協議的數據通訊兩大模塊。
數據采集模塊主要有傳感器，信號調理電路，濾波電路，A/D轉換電路，DSP和RAM組成。傳感器獲取的模擬信號先通過調理電路和濾波電路處理，然后通過A/D芯片MAX125轉換為數字信號。DSP將數字信號存入RAM，然后通過ZigBee傳送給路由器，有相應的軟件進行分析。
數據通訊模塊以硬件芯片CC2430為核心，選擇貼片小封裝器件設計電路，使用PCB無線收發天線,最大限度的縮小模塊體積。在使用PCB天線的情況下，該系統可視通信距離可達60米。數據采集器工作過程是定時讀取數據，通過相應的傳感器讀取脈沖個數，將數據通過ZigBee通信模塊發送至路由器。
四、系統軟件實現
（一）ZigBee協議棧
本次硬件設計選擇的是TI公司的片上系統（SOC） CC2430，因此在軟件設計中應用了TI公司提供的Zigbee協議棧。它隨著Zigbee無線協議棧規范的發展而不斷更新。該協議棧有如下特點：使用支持2.4GHZ頻帶的TI CC2430 片上系統；支持終端設備和協調器；在協調器節點中實現對鄰接表和綁定表的非易失性存儲；支持非時隙的星狀網絡；可以在大多數PIC18系列單片機之間進行移植；易于添加或刪除特定模塊的模塊化設計。
（二）服務器編程
服務器程序使用C#編制，按所要完成的功能可分為兩塊：一是數據通信程序，通過收發短消息獲取數據或向無線傳感器基站發送指令，程序中使用C#中MSCOMM控件操作串口；二是應用程序，完成數據處理和實時趨勢圖、歷史曲線顯示及報表生成等功能。
按流程可分為組態部分和運行部分，其流程大致如下：①運行組態部分程序，由用戶設置采樣間隔、通訊波特率、各通道信號類型、量程、各模塊中SIM卡號碼等參數。②組態完成后程序進入運行部分，首先依據組態參數完成各項初始化工作，并將與無線傳感器基站相關的組態參數以短消息方式通知各相應無線傳感器基站，程序可以從采集數據的數據庫中提取數據進行數據實時監視等工作，并等待MSCOMM控件的OnComm事件觸發或用戶指令。
當服務器需要向某無線傳感器基站發送指令時，指令碼及其參數依通訊協議被打包作為短消息內容的一部分，通過GSM模塊以短消息方式發送到指定無線傳感器基站。從服務器發送指令到無線傳感器基站時，通訊協議格式為設備地址/指令碼/指令內容/校驗，其中設備地址為指定接收短消息的無線傳感器基站的短信號碼，校驗采用累加和校驗。
五、結束語
目前變壓器狀態在線監測系統已經在一些電力生產單位中得到廣泛的應用，但是其數據傳輸的方法和手段還很落后，如果采用無線傳感器技術將會使變壓器狀態在線監控的數據傳輸的穩定性、安全性等各方面指標得以提高。目前無線傳感器技術主要方向是ZigBee技術，本系統就是基于ZigBee技術基礎上的，完全能夠滿足高速數據采集和實時數據通訊的要求。
參考文獻
[1]Advanced Metering initiative Profile Specification : ZigBee Profile[s]: Nov.13.2007.
[2]MCARTHCR S D J,STARACHAN S M,JAHN G.The Design of Multi-agent Transformer Condition Monitoring System.IEEE Transactions on Power System ,2004,19(4):1845-1852.
[3] 孫利民，李建中等.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005年.
關鍵詞無限傳感器技術；狀態監控系統；ZigBee協議；變壓器
在電力系統的信息化過程中，變壓器是導致電力系統事故比較多的設備之一，變壓器的故障將給電力系統帶來災難性的影響，目前變壓器狀態在線監測系統多采用RS485總線設計，但485總線采用的是主從式通信，通信期間如果下位機出現故障，只能采用主機輪循查詢，故障不能及時得到反饋。而使用無線傳感器技術可以解決當下位機出現故障時，下位機能及時通知主機并有效地處理事故。
一、系統原理
采用無線傳感器技術將會使變壓器狀態在線監控的數據傳輸的穩定性、安全性等各方面指標得以提高。目前無線傳感器技術主要方向是ZigBee技術， ZigBee是一種強調極低耗電、極低成本的短距離無線網絡技術，傳輸速度為20-250kbps。ZigBee采用DSSS技術，功耗更低。ZigBee產品可使用數月至數年之久，這一點非常適合該系統。
二、系統總體架構
以微處理器技術為核心，由無線傳感器，數據采集，通訊系統和分析軟件4大模塊組成。傳感器將采集到的振動，噪音，電流，電壓等被測信號經數據采集模塊處理后，通過ZigBee協議傳到路由器，其上層分析軟件采用c#編制的監控程序對數據進行讀取，存儲，分析，做出判斷。
三、系統硬件實現
系統硬件實現分為獲取狀態信息的數據采集模塊和基于ZigBee協議的數據通訊兩大模塊。
數據采集模塊主要有傳感器，信號調理電路，濾波電路，A/D轉換電路，DSP和RAM組成。傳感器獲取的模擬信號先通過調理電路和濾波電路處理，然后通過A/D芯片MAX125轉換為數字信號。DSP將數字信號存入RAM，然后通過ZigBee傳送給路由器，有相應的軟件進行分析。
數據通訊模塊以硬件芯片CC2430為核心，選擇貼片小封裝器件設計電路，使用PCB無線收發天線,最大限度的縮小模塊體積。在使用PCB天線的情況下，該系統可視通信距離可達60米。數據采集器工作過程是定時讀取數據，通過相應的傳感器讀取脈沖個數，將數據通過ZigBee通信模塊發送至路由器。
四、系統軟件實現
（一）ZigBee協議棧
本次硬件設計選擇的是TI公司的片上系統（SOC） CC2430，因此在軟件設計中應用了TI公司提供的Zigbee協議棧。它隨著Zigbee無線協議棧規范的發展而不斷更新。該協議棧有如下特點：使用支持2.4GHZ頻帶的TI CC2430 片上系統；支持終端設備和協調器；在協調器節點中實現對鄰接表和綁定表的非易失性存儲；支持非時隙的星狀網絡；可以在大多數PIC18系列單片機之間進行移植；易于添加或刪除特定模塊的模塊化設計。
（二）服務器編程
服務器程序使用C#編制，按所要完成的功能可分為兩塊：一是數據通信程序，通過收發短消息獲取數據或向無線傳感器基站發送指令，程序中使用C#中MSCOMM控件操作串口；二是應用程序，完成數據處理和實時趨勢圖、歷史曲線顯示及報表生成等功能。
按流程可分為組態部分和運行部分，其流程大致如下：①運行組態部分程序，由用戶設置采樣間隔、通訊波特率、各通道信號類型、量程、各模塊中SIM卡號碼等參數。②組態完成后程序進入運行部分，首先依據組態參數完成各項初始化工作，并將與無線傳感器基站相關的組態參數以短消息方式通知各相應無線傳感器基站，程序可以從采集數據的數據庫中提取數據進行數據實時監視等工作，并等待MSCOMM控件的OnComm事件觸發或用戶指令。
當服務器需要向某無線傳感器基站發送指令時，指令碼及其參數依通訊協議被打包作為短消息內容的一部分，通過GSM模塊以短消息方式發送到指定無線傳感器基站。從服務器發送指令到無線傳感器基站時，通訊協議格式為設備地址/指令碼/指令內容/校驗，其中設備地址為指定接收短消息的無線傳感器基站的短信號碼，校驗采用累加和校驗。
五、結束語
目前變壓器狀態在線監測系統已經在一些電力生產單位中得到廣泛的應用，但是其數據傳輸的方法和手段還很落后，如果采用無線傳感器技術將會使變壓器狀態在線監控的數據傳輸的穩定性、安全性等各方面指標得以提高。目前無線傳感器技術主要方向是ZigBee技術，本系統就是基于ZigBee技術基礎上的，完全能夠滿足高速數據采集和實時數據通訊的要求。
參考文獻
[1]Advanced Metering initiative Profile Specification : ZigBee Profile[s]: Nov.13.2007.
[2]MCARTHCR S D J,STARACHAN S M,JAHN G.The Design of Multi-agent Transformer Condition Monitoring System.IEEE Transactions on Power System ,2004,19(4):1845-1852.
[3] 孫利民，李建中等.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005年.