CN201656564U - 应用无线传感器网络的变电设备在线监测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开的一种应用无线传感器网络的变电设备在线监测系统，包括监控中心部分和变电站部分，监控中心部分包括通过USB转串口控制器连接的汇聚节点及监测PC，变电站部分包括至少两个设置在变电设备上的无线传感器，汇聚节点与无线传感器以无线的方式相连，组成无线传感器网络。本实用新型应用无线传感器网络的变电设备在线监测系统，具有成本低、功耗小、可靠、时延短、网络容量大、安全、高保密性的优点。
Description
技术领域
本实用新型属于输变电设备状态在线监测技术领域，具体涉及一种应用无线传感器网络的变电设备在线监测系统。
背景技术
变电站综合自动化是利用微机技术，将变电站的二次设备（包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等）进行功能组合和优化设计，实现对变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及调度通信等综合性的自动化功能。目前我国每年投入电网运行的数百座新建变电站均采用了综合自动化系统，同时，每年还有一定数量的老变电站的技术改造也以综合自动化系统模式为主。然而，现有的变电站综合自动化系统都是通过有线的网络进行信号的采集、传输和发送。且变电站设备杂多、信号繁多，这给综合布线及检查维修带来了不便，工程量大，维护费用高。
无线传感器网络综合了传感器技术、遥测遥控技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，通过无线感知节点实时采集各种信息，对信息进行处理，通过网络传送到控制中心。将无线网络技术应用于各种网络系统中亦已成为势不可挡的趋势，无线网络不仅可以提供更大的灵活性、流动性，还可省去花在综合布线上的费用和精力，这无疑更符合未来网络的通信特点。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种应用无线传感器网络的变电设备在线监测系统，解决了现有变电站综合自动化系统通过有线的网络进行信号的采集、传输和发送，变电站设备杂多、信号繁多，综合布线及检查维修不便，工程量大，维护费用高的问题。
本实用新型所采用的技术方案是，一种应用无线传感器网络的变电设备在线监测系统，包括监控中心部分和变电站部分，监控中心部分包括通过USB转串口控制器连接的汇聚节点及监测PC，变电站部分包括至少两个设置在变电设备上的无线传感器，汇聚节点与无线传感器以无线的方式相连，组成无线传感器网络。
本实用新型的特点还在于，
其中的汇聚节点包括依次连接的微控制器、ZigBee物理层收发芯片及天线，微控制器通过USB转串口控制器与监测PC相连接。
其中的无线传感器包括依次连接的传感器、微控制器、ZigBee物理层收发芯片和天线，微控制器、ZigBee物理层收发芯片分别与电源模块相连接。
其中的微控制器采用MC9S08QG8。
其中的ZigBee物理层收发芯片采用MC13192。
其中的USB转串口控制器采用PL-2303HX。
本实用新型的有益效果是，
（1）采用ZigBee技术和具有缩减功能的ZigBee协议栈。
（2）采用基于ZigBee技术的无线传感器网络，满足变电站设备杂多、信号繁多、电磁干扰强、实时性要求高的特殊场合，扩展灵活，基本免于维护。
（3）在无线传感器供电方式上采用高压侧自具电源，很好的解决了取电难的问题。
（4）由于信号采用ZigBee无线电传送，因此具有隔离彻底、结构简单、抗干扰能力强、工作可靠等特点。
（5）系统设计向下兼容，后续更新换代产品可以与前期同系列产品无缝连接，方便系统升级。
（6）采用模块化设计，可以方便的增加和删减各种功能，拓宽了产品的类型，起到给用户量身定做的作用。
附图说明
图1是本实用新型应用无线传感器网络的变电设备在线监测系统的结构示意图；
图2是本实用新型监测系统中汇聚节点的结构示意图；
图3是本实用新型监测系统中无线传感器的结构示意图；
图4是本实用新型监测系统中无线传感器的程序流程图；
图5是本实用新型监测系统中汇聚节点的程序流程图。
图中，1.监测PC，2.汇聚节点，3.无线传感器，4.微控制器，5.ZigBee物理层收发芯片，6.天线，7.USB转串口控制器，8.电源模块，9.传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
本实用新型应用无线传感器网络的变电设备在线监测系统的结构，如图1所示，包括监控中心部分和变电站部分，监控中心部分包括通过USB转串口控制器7连接的汇聚节点2及监测PC1，变电站部分包括多个设置在变电设备上的无线传感器3，汇聚节点2与无线传感器3以无线的方式相连，组成无线传感器网络，汇聚节点2的结构，如图2所示，包括微控制器4，微控制器4上连接有USB转串口控制器7及ZigBee物理层收发芯片5，ZigBee物理层收发芯片5的输出端和天线6相连接，无线传感器3的结构，如图3所示，包括依次连接的传感器9、微控制器4、ZigBee物理层收发芯片5和天线6，微控制器4、ZigBee物理层收发芯片5分别与电源模块8相连接。
汇聚节点2是一台ZigBee全功能设备，作为网络协调器，用于采集安装在变电站内的无线传感器3节点的数据，并将采集的数据通过USB转串口控制器7发送给监测中心的监测PC1。以及将监测PC1的指令发送给变电站内的无线传感器3节点。网络建立以后网络中的每一个无线传感器3节点都有自己唯一的地址，该地址由汇聚节点在建立无线网络时分配给它们，监测PC1根据无线传感器3节点地址来区分发送给各无线传感器3节点指令。同时无线传感器3节点即时响应该指令。
微控制器4采用Freescale的MC9S08QG8。
ZigBee物理层收发芯片5采用Freescale的MC13192。
微控制器4和ZigBee物理层收发芯片5构成无线模块。
电源模块8可以采用高压自具电源或一般的电池。高压自具电源是一种利用特制的穿心式电流互感器从高压侧母线感应出能量，并将这些能量提供给电子测量装置的系统。其由电流互感器和整流滤波模块构成。电流互感器由铁芯和绕线制成，电流互感器的设计关系到整个电源的设计，这部分的设计难点在于如何让电流互感器铁芯在高压侧大电流情况下尽快饱和，抑制电流互感器的功率输出。同时要求电流互感器能够在一次侧电流达到较小时就能够给整流电流提供可靠工作所需要的功率。这就要求电流互感器的铁芯材料要有高磁导率、饱和磁感应强度低的特性。在这一原则指导下，进行材料选取。通过一系列实验证明，选用非晶材料作为铁芯材料能较好地实现高压自具电源的要求。整个电流互感器被浇铸封装在环氧树脂内，再套在电缆或断路器触头之类的流过交变电流的设备上，在交变电流流过此类设备时，产生电磁感应，电流互感器从一次电流回路取电，产生感应电流，该感应电流送入整流滤波模块，整流滤波模块对输入的电流进行整流滤波处理后，为微控制器4和ZigBee物理层收发芯片5供电，提供3.3V电压。对于安装高压自具电源比较困难的设备可以采用一般的电池供电。
传感器9根据现场监测的要求可以采用不同的传感器，传感器9采集信号数据后再将这些数据传送给无线传感器3的无线模块。
由于大多数变电设备都是运行在高电压、大电流的状态，且经常出现强烈的电磁暂态过程，产生强电场、磁场及强电磁，对微电子系统及微弱信号的处理产生不利影响。无线传感器3直接安装在待监测的变电设备上，因此将整个无线传感器3浇铸封装在环氧树脂内，固化后的环氧树脂体系是一种具有高介电性能、耐表面漏电和耐电弧的优良绝缘材料，起到很好的隔离作用，此外无线传感器3中的传感器9从浇铸封装好的环氧树脂中伸出直接固定在待测变电设备上，与待测点处于同一电位，减少电场的影响。为消除随机干扰，无线传感器3对检测点的监测信号反复接收，多次采集，排除异常数据以保证数据可靠，通过以上综合措施，整机有了较好的抗干扰能力，测量数据稳定可靠。
无线模块采用缩减功能的ZigBee协议栈，其主要功能包括SPI接口读写操作、ZigBee芯片的初始化、数据发送、数据接收、CCA检测、PHY数据结构生成、MAC层数据结构生成等。该缩减功能的ZigBee协议栈可以组成星形网络，实现基本的数据传送功能。
MC13192芯片硬件本身具有碰撞避免策略，在接收模块的程序上采用了空闲信道能量评估策略，使得在一固定区域内不会发生误收或不收某分路无线传感器3发出信息的事故。
以监测中心的汇聚节点2组建整个变电站ZigBee骨干网络，在变电站与监控中心之间安装若干无线传感器3作为路由节点。在变电站的高处也安置若干无线传感器3作为路由节点，与需要采集的设备的无线传感器3相对。在实际应用中，根据现场环境部署骨干无线传感器模块数量。骨干模块在变电站以无线方式自组成社区骨干网络。变电站内部由于信号遮挡和屏蔽比较严重，应在靠近窗户的较高位置安放路由器，通过路由器将室内的数据采集出来传输给外部的中心骨干模块，由于玻璃对电传信号影响很小，即使具有防爆膜的玻璃也可以完成数据传输。
无线传感器3的程序流程图，如图4所示，上电后首先进行信道扫描，寻找网络协调器，然后与协调器建立连接。连接成功后，即通过协调器发送的信标与协调器实现同步，开始按周期采集本采集点的监测数据，并将测量值传送给协调器。
汇聚节点2是ZigBee协调器，需要先开始工作，其程序流程图，如图5所示，上电后，首先初始化协议栈，然后进行能量检测，选择合适的信道，启动协调器；此后即可允许ZigBee设备与其连接，接收ZigBee设备传输的各节点的监测数据，并将接收到的数据传输给监测PC1。
本实用新型的工作过程为：本系统构成了一个无线传感器网络，变电站中无线传感器3属于无线传感器网络的一部分，主要完成对待测变电设备信息的采集与传输。而监测中心的汇聚节点2负责无线网络的建立与维护，并将从网络中收集的信息传输给监控中心的监测PC1，监测PC1上的专家软件系统，其具有实时监控，自动判断，超标报警等功能以及远传和远方控制功能。专家软件系统具有方便的数据查询和强大的数据分析功能的数据库管理系统。其具有数据处理、系统设置和一些常用工具。数据处理具有数据查询、数据分析、变电站维护、数据装卸等功能。
在整个系统中汇聚节点2是整套系统的核心，是连接无线传感器网络和监测PC1的纽带，其完成无线网络的建立与维护，并接收安装于各现场变电设备上的无线传感器1采集发送的信息，并将接收的数据打包后，通过USB转串口控制器7传送给监测PC1。同时汇聚节点3将监测PC1下达的控制命令分送至相关各现场无线传感器3。（网络建立以后网络中的每一个无线传感器3节点都有自己唯一的地址，该地址由汇聚节点在建立无线网络时分配给它们，监测PC1根据无线传感器3节点地址来区分发送给各无线传感器3节点指令。同时无线传感器3节点即时响应该指令。）
现有变电站设备度在线监测系统中大多采用有线方式，在各点安放监测设备。但在有些情况下，监测点较多，布线、维护困难，容易导致损坏；或者有时布线困难。相对于其它无线传输方式，ZigBee技术具有成本低、功耗小（两节五号电池即可实现达6个月到2年的使用时间）、可靠（采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突）、时延短（针对时延敏感的应用作了优化）、网络容量大（可支持多达65000个节点）、安全（ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加法算法采用通用的AES-128）、高保密性（64位出厂编号和支持AES-128加密）的优点。
Claims (6)
1. 一种应用无线传感器网络的变电设备在线监测系统，其特征在于，包括监控中心部分和变电站部分，所述的监控中心部分包括通过USB转串口控制器（7）连接的汇聚节点（2）及监测PC（1），所述的变电站部分包括至少两个设置在变电设备上的无线传感器（3），汇聚节点（2）与无线传感器（3）以无线的方式相连，组成无线传感器网络。
2. 根据权利要求1所述的应用无线传感器网络的变电设备在线监测系统，其特征在于，所述的汇聚节点（2）包括依次连接的微控制器（4）、ZigBee物理层收发芯片（5）及天线（6），微控制器（4）通过USB转串口控制器（7）与监测PC（1）相连接。
3. 根据权利要求1所述的应用无线传感器网络的变电设备在线监测系统，其特征在于，所述的无线传感器（3）包括依次连接的传感器（9）、微控制器（4）、ZigBee物理层收发芯片（5）和天线（6），微控制器（4）、ZigBee物理层收发芯片（5）分别与电源模块（8）相连接。
4. 根据权利要求2或3所述的应用无线传感器网络的变电设备在线监测系统，其特征在于，所述的微控制器（4）采用MC9S08QG8。
5. 根据权利要求2或3所述的应用无线传感器网络的变电设备在线监测系统，其特征在于，所述的ZigBee物理层收发芯片（5）采用MC13192。
6. 根据权利要求1或2所述的应用无线传感器网络的变电设备在线监测系统，其特征在于，所述的USB转串口控制器（7）采用PL-2303HX。
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Publications (1)
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 710075 Shaanxi city of Xi'an province high tech Zone Fenghui Road No. 20 Huajing Business Plaza 11301 Patentee after: Xi'an Jin Power Electrical Co., Ltd. Address before: 710075 Xi'an City Fenghui Road No. 20 Huajing Business Plaza 11301 Patentee before: Xi'an Jinpower Electrical Co., Ltd. |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of utility model: Transformation equipment on-line monitoring system using wireless sensor network Effective date of registration: 20160120 Granted publication date: 20101124 Pledgee: Shaanxi Qin Nong rural commercial bank, Limited by Share Ltd hi tech sub branch Pledgor: Xi'an Jin Power Electrical Co., Ltd. Registration number: 2016980000005 |
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| PLDC | Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model | ||
| PM01 | Change of the registration of the contract for pledge of patent right |
Change date: 20170719 Registration number: 2016980000005 Pledgee after: Shaanxi Qin Nong rural commercial bank Limited by Share Ltd science and Technology Road Branch Pledgee before: Shaanxi Qin Nong rural commercial bank, Limited by Share Ltd hi tech sub branch |
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| PM01 | Change of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20190116 Granted publication date: 20101124 Pledgee: Shaanxi Qin Nong rural commercial bank Limited by Share Ltd science and Technology Road Branch Pledgor: Xi'an Jin Power Electrical Co., Ltd. Registration number: 2016980000005 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20101124 |