專利名稱：應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于輸變電設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
變電站綜合自動化是利用微機技術(shù)，將變電站的二次設(shè)備(包括測量儀表、信號系 統(tǒng)、繼電保護、自動裝置和遠(yuǎn)動裝置等)進行功能組合和優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)對變電站的主要設(shè) 備和輸、配電線路的自動監(jiān)視、測量、自動控制和微機保護，以及調(diào)度通信等綜合性的自動 化功能。目前我國每年投入電網(wǎng)運行的數(shù)百座新建變電站均采用了綜合自動化系統(tǒng)，同時， 每年還有一定數(shù)量的老變電站的技術(shù)改造也以綜合自動化系統(tǒng)模式為主。然而，現(xiàn)有的變 電站綜合自動化系統(tǒng)都是通過有線的網(wǎng)絡(luò)進行信號的采集、傳輸和發(fā)送。且變電站設(shè)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(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù)、分布式信 息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)，通過無線感知節(jié)點實時采集各種信息，對信息進行處理，通過 網(wǎng)絡(luò)傳送到控制中心。將無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于各種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中亦已成為勢不可擋的趨勢， 無線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的通信特點。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)，解 決了現(xiàn)有變電站綜合自動化系統(tǒng)通過有線的網(wǎng)絡(luò)進行信號的采集、傳輸和發(fā)送，變電站設(shè) 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(shù)方案是，一種應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電設(shè)備在線監(jiān)測 系統(tǒng)，包括監(jiān)控中心部分和變電站部分，監(jiān)控中心部分包括通過USB轉(zhuǎn)串口控制器連接的 匯聚節(jié)點及監(jiān)測PC，變電站部分包括至少兩個設(shè)置在變電設(shè)備上的無線傳感器，匯聚節(jié)點 與無線傳感器以無線的方式相連，組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本實用新型的特點還在于，其中的匯聚節(jié)點包括依次連接的微控制器、ZigBee物理層收發(fā)芯片及天線，微控 制器通過USB轉(zhuǎn)串口控制器與監(jiān)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(fā)芯片和 天線，微控制器、ZigBee物理層收發(fā)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(fā)芯片采用MC13192。其中的USB轉(zhuǎn)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(shù)和具有縮減功能的ZigBee協(xié)議棧。[0014](2)采用基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，滿足變電站設(shè)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(cè)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(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力 強、工作可靠等特點。(5)系統(tǒng)設(shè)計向下兼容，后續(xù)更新?lián)Q代產(chǎn)品可以與前期同系列產(chǎn)品無縫連接，方便 系統(tǒng)升級。(6)采用模塊化設(shè)計，可以方便的增加和刪減各種功能，拓寬了產(chǎn)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(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型監(jiān)測系統(tǒng)中匯聚節(jié)點的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實用新型監(jiān)測系統(tǒng)中無線傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實用新型監(jiān)測系統(tǒng)中無線傳感器的程序流程圖；圖5是本實用新型監(jiān)測系統(tǒng)中匯聚節(jié)點的程序流程圖。圖中，1.監(jiān)測PC，2.匯聚節(jié)點，3.無線傳感器，4.微控制器，5. ZigBee物理層收發(fā) 芯片，6.天線，7. USB轉(zhuǎn)串口控制器，8.電源模塊，9.傳感器。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型進行詳細(xì)說明。本實用新型應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示， 包括監(jiān)控中心部分和變電站部分，監(jiān)控中心部分包括通過USB轉(zhuǎn)串口控制器7連接的匯聚 節(jié)點2及監(jiān)測PC1，變電站部分包括多個設(shè)置在變電設(shè)備上的無線傳感器3，匯聚節(jié)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(wǎng)絡(luò)，匯聚節(jié)點2的結(jié)構(gòu)，如圖2所示， 包括微控制器4，微控制器4上連接有USB轉(zhuǎn)串口控制器7及ZigBee物理層收發(fā)芯片5， ZigBee物理層收發(fā)芯片5的輸出端和天線6相連接，無線傳感器3的結(jié)構(gòu)，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(fā)芯片5和天線6，微控制器4、ZigBee 物理層收發(fā)芯片5分別與電源模塊8相連接。匯聚節(jié)點2是一臺ZigBee全功能設(shè)備，作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，用于采集安裝在變電站 內(nèi)的無線傳感器3節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過USB轉(zhuǎn)串口控制器7發(fā)送給監(jiān)測中心 的監(jiān)測PC1。以及將監(jiān)測PCl的指令發(fā)送給變電站內(nèi)的無線傳感器3節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)建立以后 網(wǎng)絡(luò)中的每一個無線傳感器3節(jié)點都有自己唯一的地址，該地址由匯聚節(jié)點在建立無線網(wǎng) 絡(luò)時分配給它們，監(jiān)測PCl根據(jù)無線傳感器3節(jié)點地址來區(qū)分發(fā)送給各無線傳感器3節(jié)點 指令。同時無線傳感器3節(jié)點即時響應(yīng)該指令。微控制器4 采用 Freescale 的 MC9S08QG8。ZigBee物理層收發(fā)芯片5采用Freescale的MC13192。微控制器4和ZigBee物理層收發(fā)芯片5構(gòu)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(cè)母線感應(yīng)出能量，并將這些能量提供給電子測量裝置的系 統(tǒng)。其由電流互感器和整流濾波模塊構(gòu)成。電流互感器由鐵芯和繞線制成，電流互感器的 設(shè)計關(guān)系到整個電源的設(shè)計，這部分的設(shè)計難點在于如何讓電流互感器鐵芯在高壓側(cè)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(cè)電流 達(dá)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(dǎo)率、飽和磁感應(yīng)強度低的特性。在這一原則指導(dǎo)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(xiàn)高壓自具電源的要求。整個電流互 感器被澆鑄封裝在環(huán)氧樹脂內(nèi)，再套在電纜或斷路器觸頭之類的流過交變電流的設(shè)備上， 在交變電流流過此類設(shè)備時，產(chǎn)生電磁感應(yīng)，電流互感器從一次電流回路取電，產(chǎn)生感應(yīng)電 流，該感應(yīng)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(fā)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(shè)備可以采用一般的電池供電。傳感器9根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的要求可以采用不同的傳感器，傳感器9采集信號數(shù)據(jù)后 再將這些數(shù)據(jù)傳送給無線傳感器3的無線模塊。由于大多數(shù)變電設(shè)備都是運行在高電壓、大電流的狀態(tài)，且經(jīng)常出現(xiàn)強烈的電磁 暫態(tài)過程，產(chǎn)生強電場、磁場及強電磁，對微電子系統(tǒng)及微弱信號的處理產(chǎn)生不利影響。無 線傳感器3直接安裝在待監(jiān)測的變電設(shè)備上，因此將整個無線傳感器3澆鑄封裝在環(huán)氧樹 脂內(nèi)，固化后的環(huán)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(yōu)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(huán)氧樹脂中伸出 直接固定在待測變電設(shè)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(jiān)測信號反復(fù)接收，多次采集，排除異常數(shù)據(jù)以保證數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。無線模塊采用縮減功能的ZigBee協(xié)議棧，其主要功能包括SPI接口讀寫操作、 ZigBee芯片的初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、CCA檢測、PHY數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)生成、MAC層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 生成等。該縮減功能的ZigBee協(xié)議?？梢越M成星形網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)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(qū)域內(nèi)不會發(fā)生誤收或不收某分路無線傳感器3發(fā)出信息的 事故。以監(jiān)測中心的匯聚節(jié)點2組建整個變電站ZigBee骨干網(wǎng)絡(luò)，在變電站與監(jiān)控中心 之間安裝若干無線傳感器3作為路由節(jié)點。在變電站的高處也安置若干無線傳感器3作為 路由節(jié)點，與需要采集的設(shè)備的無線傳感器3相對。在實際應(yīng)用中，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境部署骨干 無線傳感器模塊數(shù)量。骨干模塊在變電站以無線方式自組成社區(qū)骨干網(wǎng)絡(luò)。變電站內(nèi)部由 于信號遮擋和屏蔽比較嚴(yán)重，應(yīng)在靠近窗戶的較高位置安放路由器，通過路由器將室內(nèi)的 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)協(xié) 調(diào)器，然后與協(xié)調(diào)器建立連接。連接成功后，即通過協(xié)調(diào)器發(fā)送的信標(biāo)與協(xié)調(diào)器實現(xiàn)同步， 開始按周期采集本采集點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將測量值傳送給協(xié)調(diào)器。匯聚節(jié)點2是ZigBee協(xié)調(diào)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(xié)議棧，然后進行能量檢測，選擇合適的信道，啟動協(xié)調(diào)器；此后即可允許 ZigBee設(shè)備與其連接，接收ZigBee設(shè)備傳輸?shù)母鞴?jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)傳輸 給監(jiān)測PCl。本實用新型的工作過程為本系統(tǒng)構(gòu)成了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，變電站中無線傳 感器3屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一部分，主要完成對待測變電設(shè)備信息的采集與傳輸。而監(jiān) 測中心的匯聚節(jié)點2負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的建立與維護，并將從網(wǎng)絡(luò)中收集的信息傳輸給監(jiān)控中 心的監(jiān)測PC1，監(jiān)測PCl上的專家軟件系統(tǒng)，其具有實時監(jiān)控，自動判斷，超標(biāo)報警等功能以 及遠(yuǎn)傳和遠(yuǎn)方控制功能。專家軟件系統(tǒng)具有方便的數(shù)據(jù)查詢和強大的數(shù)據(jù)分析功能的數(shù)據(jù) 庫管理系統(tǒng)。其具有數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)設(shè)置和一些常用工具。數(shù)據(jù)處理具有數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分 析、變電站維護、數(shù)據(jù)裝卸等功能。在整個系統(tǒng)中匯聚節(jié)點2是整套系統(tǒng)的核心，是連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測PCl 的紐帶，其完成無線網(wǎng)絡(luò)的建立與維護，并接收安裝于各現(xiàn)場變電設(shè)備上的無線傳感器1 采集發(fā)送的信息，并將接收的數(shù)據(jù)打包后，通過USB轉(zhuǎn)串口控制器7傳送給監(jiān)測PC1。同時 匯聚節(jié)點3將監(jiān)測PCl下達(dá)的控制命令分送至相關(guān)各現(xiàn)場無線傳感器3。(網(wǎng)絡(luò)建立以后網(wǎng) 絡(luò)中的每一個無線傳感器3節(jié)點都有自己唯一的地址，該地址由匯聚節(jié)點在建立無線網(wǎng)絡(luò) 時分配給它們，監(jiān)測PCl根據(jù)無線傳感器3節(jié)點地址來區(qū)分發(fā)送給各無線傳感器3節(jié)點指 令。同時無線傳感器3節(jié)點即時響應(yīng)該指令。)現(xiàn)有變電站設(shè)備度在線監(jiān)測系統(tǒng)中大多采用有線方式，在各點安放監(jiān)測設(shè)備。但 在有些情況下，監(jiān)測點較多，布線、維護困難，容易導(dǎo)致?lián)p壞；或者有時布線困難。相對于其 它無線傳輸方式，ZigBee技術(shù)具有成本低、功耗小(兩節(jié)五號電池即可實現(xiàn)達(dá)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(yè)務(wù)預(yù)留了專用時 隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突)、時延短(針對時延敏感的應(yīng)用作了優(yōu)化)、網(wǎng)絡(luò)容量 大(可支持多達(dá)65000個節(jié)點)、安全(ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)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(yōu)點。
權(quán)利要求一種應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括監(jiān)控中心部分和變電站部分，所述的監(jiān)控中心部分包括通過USB轉(zhuǎn)串口控制器(7)連接的匯聚節(jié)點(2)及監(jiān)測PC(1)，所述的變電站部分包括至少兩個設(shè)置在變電設(shè)備上的無線傳感器(3)，匯聚節(jié)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(wǎng)絡(luò)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在 于，所述的匯聚節(jié)點(2)包括依次連接的微控制器(4)、ZigBee物理層收發(fā)芯片(5)及天線 (6),微控制器(4)通過USB轉(zhuǎn)串口控制器(7)與監(jiān)測PC (1)相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)，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(fā)芯 片(5)和天線(6)，微控制器(4)、ZigBee物理層收發(fā)芯片(5)分別與電源模塊(8)相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征 在于，所述的微控制器(4)采用MC9S08QG8。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征 在于，所述的ZigBee物理層收發(fā)芯片(5)采用MC13192。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征 在于，所述的USB轉(zhuǎn)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(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括監(jiān)控中心部分和變電站部分，監(jiān)控中心部分包括通過USB轉(zhuǎn)串口控制器連接的匯聚節(jié)點及監(jiān)測PC，變電站部分包括至少兩個設(shè)置在變電設(shè)備上的無線傳感器，匯聚節(jié)點與無線傳感器以無線的方式相連，組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本實用新型應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)，具有成本低、功耗小、可靠、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全、高保密性的優(yōu)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(yōu)先權(quán)日2010年4月2日
發(fā)明者田毅, 黃新波 申請人:西安工程大學(xué)