无线传感器技术在变压器安全状态监测系统中的应用

实践与应用 中国信息界 2010年第8期 总第150期 荐论文 无线传感器技术在变压器安全状态监测系统中的应用 朴吉龙 邵 枫 (1中石油东北炼化工程有限公司吉林院 吉林 1 52000 2中国石油吉林石化信息网络公司软信分公司 吉林 1 32000) 摘 要：目前无线传感器技术主要方向是zigBee技术，ZigBee．~术建立在802．1 5．4基础上，本文主要研 究 WSN~&术在变压器状态监控 系统中的应用，重点论述 了基于zigBee协议的硬件设计以及软件控制。 关键词：无限传感器技术 状态监控系统 ZigBeef／},~~ 变压器 在化工系统的信息化过程中，变压器是导致化工配电 系统事故比较多的设备之一，变压器的故障将给电力系统 带来灾难性的影响，除了造成设备损坏和停电外，还有可 能带来严重的火灾。对变压器监测主要是对其绝缘实施监 测，通过连续的监视和分析来确定设备状态是最为有效 的。在设备运行工况下获得电力设备状态的特征信息更准 确、更及时、更能反映设备的真实健康状态，在此基础上 的状态评估和维修策略的确定才能够起到有效的作用。目 前变压器状态在线监测系统多采用RS485总线设计，但485 总线采用的是主从式通信 ，通信期间如果下位机出现故 障 ，只能采用主机轮循查询，故障不能及时得到反馈。而 使用无线传感器技术可以解决当下位机出现故障时，下位 机能及时通知主机并有效地处理事故。该设计以硬件协议 芯片CC2430为核心，基于zigBee协议的通讯，将现场 采集的实时状态信息传送到中央监控站。该方案具有设备 成本低、功耗低、安全性高、安装方便、简单等特点，适 合用在要求数据采集或监控网点多、数据传输可靠性高、 地形复杂的系统。 1系统原理 无线传感器技术现在发展很快 ，已经应用在很多领 域，特别是应用在传输数据量不大 (每秒传输量不超过 250k字节)的数据采集及传输的情况。目前变压器状态在 线监测系统已经在一些化工配电和电力生产单位中得到广 泛的应用，但是其数据传输的方法和手段还很落后 ，如果 采用无线传感器技术将会使变压器状态在线监控的数据传 输的稳定性、安全性等各方面指标得以提高。 目前无线传感器技术主要方向是ZigBee技术。zigBee 20 技术是建立在802．1 5．4协议基础上的 ，本项目主要研究 ZigBee技术如何应用在变压器状态在线监控系统中。 ZigBee技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输 率、低距离的设备联网应用。zigBee标准基于802．i5．4协议 栈而建立，具备了强大的设备联网功能，它支持三种主要 的自组织网络类型，即星型结构、网状结构 (Mesh)和簇 状结构 (Cluster tree)，特别是网状结构、具有很强的网 络健壮性和系统可靠性。ZigBee是一种强调极低耗电、极 低成本的短距离无线网络技术，传输速度为2O一250kbps。 ZigBee采用DSSS技术 ，功耗更低。ZigBee产品可使用数月 至数年之久，这一点非常适合该系统。 2系统总体架构 以微处理器技术为核心，由无线传感器、数据采集、通 讯系统和分析软件4大模块组成。传感器将采集到的振动、 噪音、电流、电压等被测信号经数据采集模块处理后，通过 ZigBee协议传到路由器，其上层分析软件采用c≠≠编制的监控 程序对数据进行读取、存储、分析、做出判断。 系统中利用 zigBee实现了多传感器的实时状态监控， 各路传感器信号通过ZigBee同时传送到路由器。每个传感 器直接成为用户计算机网路中得一个节点，用户通过协调 器对其进行远程状态监控并做出故障诊断。 3系统硬件实现 系统硬件实现分为获取状态信息的数据采集模块和基 于ZigBee协议的数据通讯两大模块。 数据采集模块主要有传感器、信号调理电路、滤波电 中国信息界 2010年第8期 总第150期 实践与应用 路、A／D转换电路、DSP)~RAM组成。传感器获取的模拟 信号先通过调理电路和滤波电路处理 ，然后通过A／D芯片 MAX1 25转换为数字信号。DSP将数字信号存入RAM，然 后通过ZigBee传送给路由器，由相应的软件进行分析。 数据通讯模块以硬件芯片CC2430为核心，选择贴片 小封装器件设计电路 ，使用PCB无线收发天线，最大限 度的缩小模块体积。使用纳瓦技术单片机PIC18F4620作 为核心处理器，在空闲和休眠状态下，可以使系统功耗 降到最低。选用符合标 ZigBee协议的集成收发RF芯片 Chipcon CC2430，CC2430需要极少的外围元器件 ，它的 外罔电路包括品振时钟电路、射频输入 ／输出匹配电路和 微控制器接口电路三个部分。芯片本振信号可由外部有源 晶体提供，有晶振1为32MHz，晶振2为32．768kHz。射频 输入 ／输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗 ， 使其输入输山阻抗为60欧，同时为芯片内部的PA及LNA 提供直流偏置。另外，通过CCA管脚状态的设置可以控 制清除通道估计，通过SFD管脚状态的设置可以控制时钟 ／定时信息的输入。这些接口必须与微处理器的相应管脚 相连来实现系统射频功能的控制与管理，接 口简单且外围 器件少，简化了硬件调试的难度 ，增加了系统的稳定性。 在使用PCB天线的情况下，该系统可视通信距离可达60 米。数据采集器工作过程是定时读取数据，通过相应的传 感器读取脉冲个数，将数据通过ZigBee通信模块发送至路 由器。 4系统软件实现 4．1 ZigBee协议栈 本次硬件设计选择的是TI公司的片上系统 (SOC) CC2430，因此在软件设计中应用TTI公司提供的Zigbee协 议栈。它随着Zigbee无线协议栈的发展而不断更新。 该协议栈有如下特点：使用支持2．4GHZ频带的TI CC2430 片上系统；支持终端设备和协调器；在协调器节点中实现 对邻接表和绑定表的非易失性存储；支持非时隙的星状网 络 ；可以在大多数PIC18系列单片机之间进行移植 ；易于 添加或删除特定模块的模块化设计。 协议栈根据Zigbee规范的定义 ，自上而下将其逻辑分 为多个层，实现每个层的代码位于一个独立的源文件中， 而服务和应用程序接口 (API)则在头文件中定义。要实 现抽象性和模块性，顶层总是通过定义完善的API~]紧接 着的下一层进行交互，该层的c头文件定义该层所支持的 所有API。用户应用程序总是与应用子层 (APS)和应用层 (APL)交互。典型的应用程序总是与应用层 (APL)和 应用支持子层 (APS)接口，APL模块提供高级协议栈管理 功能，用户应用程序使用此模块来管理协议栈。 4．2服务器编程 服务器程序使用c≠≠编制，按所要完成的功能可分为两 块：一是数据通信程序，通过收发短消息获取数据或向无 线传感器基站发送指令 ，程序中使用c≠≠中MSCOMM控件 操作串口；二是应用程序，完成数据处理和实时趋势图、 历史曲线显示及报表生成等功能。 按流程可分为组态部分和运行部分：首先，运行组态 部分程序，由用户设置采样间隔、通讯波特率、各通道信 号类型 、量程 、各模块中SIM卡号码等参数；其次，组态 完成后程序进入运行部分，先依据组态参数完成各项初始 化工作 ，并将与无线传感器基站相关的组态参数以短消息 方式通知各相应无线传感器基站，程序可以从采集数据 的数据库中提取数据进行数据实时监视等工作，并等待 MSCOMM控件的OnComm事件触发或用户指令。 当服务器需要向某无线传感器基站发送指令时，指令 码及其参数依通讯协议被打包作为短消息内容的一部分， 通过GSM模块以短消息方式发送到指定无线传感器基站。 从服务器发送指令到无线传感器基站时，通讯协议格式为 设备地址厂于旨令码／指令内容／校验 ，其中设备地址为指定接 收短消息的无线传感器基站的短信号码，校验采用累加和 校验。 5结束语 目前变压器状态在线监测系统已经在一些化工配电和 电力生产单位中得到广泛的应用 ，但是其数据传输的方法 和手段还很落后，如果采用无线传感器技术将会使变压器 状态在线监控的数据传输的稳定性、安全性等各方面指标 得以提高。目前无线传感器技术主要方向是ZigBee技术， 本系统就是基于ZigBee技术基础上的，完全能够满足高速 数据采集和实时数据通讯的要求。 参考文献： 【1 J Advanced Mete r1ng 1 nitiat1ve Pr0f{1e Specification：ZigBee Profile[s]：Nov．1 3．2007 [2]BRUNO BOUGARD．． Emergy Efficiency of the IEEE 802．1 5．4 Standard 1n Dense W 1reless M1crosensor Networks： Mode]1ng and IIllprovement perspect1ves[J]．IEEE CNF．2005，](1)：]96——201 [3]孙利民，李建中。等．无线传感器网络[H]．北京：清华 大学出版社，2005 作者简介： 朴吉龙 ，中石油东北炼化工程有限公司吉林设计院采 购部采购经理，从事t_T-行业工艺、电气、仪表、通用设 备采购管理工作。 (责任编辑 ：戈悦迎 ) 21