基于ZigBee无线网络容性设备在线监测终端装置研究

黄 堃

(广州供电局变电二部，广东广州510000)

电容型设备包括电流传感器、套管、耦合电容器、电容式电压互感器等[1]。容性设备在变电站中占40%～50%，它的安全运行直接影响电力系统安全、稳定和经济运行。传统的定时检修由于存在试验周期长、强度大和有效性低等缺点[2]，已经无法满足高压电力设备安全、稳定运行的要求。为了降低运行成本、提高设备运行的效率以及改善电能质量等，状态监测[3]是必不可少的重要手段。目前，变电站容性设备在线监测系统的结构形式有带电监测、集中式监测和分层分布多CPU形式等3种结构形式[4，5]。为了解决模拟信号在长距离传输后导致的失真问题，现倾向于将微弱的模拟信号进行就地A/D转换，采用点对点通信方式或现场总线技术，由主机进行循环监测及处理。基于无线通信网络的变电站容性设备在线监测系统主要由变电站监控中心、ZigBee无线通信网络和现场监测终端装置组成，而变电站容性设备在线监测终端装置是构成在线监测系统的基础，文中主要对基于ZigBee网络通信技术的监测终端装置的研制进行了详细介绍。

1 ZigBee网络通信实现

ZigBee的特点是网络系统支持极低、易实现、数据可靠传输、短距离操作、极低功耗、各层次的安全性等。因此很适合构成基于无线通信网络的变电站容性设备在线监测系统，系统拓扑如图1所示。

现场分布在变电站容性设备中的ZigBee终端节点装置分别采集同相母线PT二次侧电压和容性设备的泄露电流信号，传感器采集该信号的模拟量，经过放大、补偿等处理后，由监测的终端设备的A/D（模拟/数字）转换单元转换为数字量，通过路由节点传送到ZigBee数据汇集节点，最后通过RS-485总线传送到监控中心，在监控中心分析和处理采集到的数据，得出电力设备的状态参数。

1.1 ZigBee芯片的选择

目前，有4家公司提供工作在2.4 GHz频段并支持IEEE 802.15.4标准的芯片，分别是TI/CHIPCON，FREESCALE，JENNIC，MICROCHIP等。考虑通信的距离，比较各芯片的信号接收灵敏度，在相同的发射功率条件下，接收灵敏度越高的芯片，节点之间的通信距离相应也就越远。这样可以减少系统路由节点个数，降低系统的成本和复杂度，从而提高系统运行的稳定性。

CC2420是目前常用的ZigBee芯片，但信号灵敏度较低，传输距离受到限制，在视距情况下，CC2420一般通信距离为150 m左右，使用8051单片机，8位机处理的速度也受到限制。MC13192在视距情况下，通信距离为250～300 m，功能上较CC2420有所改进，搭配适当的MCU，如HCS08系列单片机后，可作为硬件节点使用。

1.2 JN5139芯片具体介绍

在线监测系统采用英国JENNIC公司生产的JN5139模块，作为ZigBee中心节点的控制板。JN5139是IEEE802.15.4和ZigBee低成本低功耗微处理器，集成了32位RISC处理器、完全兼容的2.4 GHz IEEE 802.15.4 收发器、192 KB ROM、96 KB RAM以及丰富的模拟和数字外设。成本敏感的ROM/RAM架构支持系统软件存储，包括协议堆栈、路由表格以及应用代码/数据。每个器件都集成了硬件MAC和AES加密加速器、节电模式和定时睡眠模式以及安全键和程序代码加密。

ZigBee中心节点主要由JN5139芯片、天线、16 MHz的晶振、1Mbit FLASH和一些相关的电阻、电容组成。ZigBee网络具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和MESH网状网。完整的ZigBee协议由高层应用规范、应用层接口、网络层、数据链路层和物理层组成。

1.3 ZigBee无线数据传输模块的设计

无线数传模块的设计主要分为4个部分：CPU、射频、接插件和GPS模块。CPU部分主要由AT91SAM7S64及其辅助电路组成；射频部分由JN5139模块组成；为了方便模块的替换，选择可以插拔的、间距1.27～的插针作为接插件，这种接插件使得模块也可以像其他芯片一样直接焊接在目标PCB上，作为目标板的一部分，同时也可以上自动贴片机。GPS部分采用摩托罗拉M12+Timing授时模块。

2基于ZigBee在线监测终端装置研制

2.1硬件设计

数据采集处理模块由AT91SAM7S64单片机作为CPU处理器，控制A/D转化器TLC3578进行数据的实时采集，采集到的数据存在FLASH芯片中，等待上位机的命令进行数据传输。AT91SAM7S64通过SPI接口与JN5139相连。TLC3578特性：串行输出、低功耗，具有内置转换时钟8x FIFO、8通道。数据采集应用电路如图2所示。

图2 TLC3578数据采集应用电路

ZigBee中心节点协调器控制板可通过2种方式供电，一是通过串口与PC相连供电，二是通过3节1.5 V的电池供电。根据中心节点是否需移动采用相应的供电形式。文中提出的在线监测系统，供电方式采用第2种方式，电路如图3所示。当线路正常时，由PT提供外接的qV电源，经限流电阻后接至三极管使其导通，三极管的e极输出3.6 V的电压BAT3.6，N极接电压判断回路，当电压低于3.5 V时能够对其自动充电。

图3节点供电电路

在变电站容性设备在线监测系统中，一般采用单匝穿心式微电流传感器来测量设备末屏的泄露电流。为降低强电磁场工作环境对测量精度产生的影响，设计电流传感器屏蔽结构时，可从屏蔽电场干扰和磁场干扰入手。为屏蔽电场干扰，应依靠高电导率铜材的反射损耗。而对工频磁场干扰可采用高磁导率、低电导率的强磁材料进行屏蔽。由于数据必须满足同步采样，即采样频率为信号基波频率的整数倍，但频率波动等因素使得同步采样很难满足，故采用GPS进行同步授时方式来达到同步性。

2.2软件设计

本系统所开发的硬件平台有如下特点：工作在免费的2.4 GHz频段上，与IEEE 802.15.4-2003标准兼容；支持 Jennic的 IEEE 802.15.4-2003MAC/PHY层软件；支持Jennic的Stack软件系统。软件设计主要研究基于Jennic开发套件配套的软件系统来开发ZigBee网络，其开发流程如图4所示。

基于ZigBee的无线传感器网络通常包括精简功能设备节点（RFD）、全功能设备节点（FFD）、协调节点（Coordinator）、路由节点（Router）。

图4 ZigBee网络开发流程

需要分别对Coordinator节点、Router节点和End device节点编写程序来完成ZigBee网络开发的流程。首先对网络中的ZigBee节点初始化，再开始启动网络，给每个节点分配一个簇（Cluster）和短地址（Network Address），设置网络接收数据入口地址和网络接收数据出口地址。网络启动后，便可收发数据。在接收数据之前，需先启动BOS，使得每个下层设备向系统注册各自的任务，再对Coordinator节点串口初始化，在初始化系统时，触发设备板上的可编程LED1,获取LED闪动的频率，根据LED闪动进行每一次数据的发送。网络中各个节点的程序流程如图（5—7）所示。

ZigBee模块与后台通信采用询问式通信方式。

3 ZigBee终端装置实验

实验通过不同距离的测试来验证通信效率，并且在距离较远、通信效率不能满足要求时，增加路由节点实现ZigBee网络的自组，进而提高通信效率，从300 m开始每间隔50 m进行无线接发数据的实验。实验数据如表1所示，通信距离较远时，效果不理想加入路由节点后的数据如表2所示，在220 kV高压输电线路下的通信数据如表3所示。

图5 Coordinator节点程序流程

图7 End Device节点程序流程

表1无线网络实验通信数据

表2在300 m处加入路由节点后的通信数据

从测试结果可以看出，通信成功率与通信节点之间的距离基本上成正比关系。这5个节点可以很好地完成节点慢速相对移动下300～400 m距离内的数据平稳准确传输。距离移动较远后增加路由节点后的通信效率也比较高。

表3 220 kV线路下的现场实验通信数据

实验结果表明，随着实验节点数目的增多，网络传输的稳定性和覆盖范围大大提高。这说明在大范围的电力系统网络中，可以布置大量的无线通信节点达到对电力系统进行实施监测的目的。

4 结束语

本文对基于ZigBee无线网络通信技术的容性设备在线监测终端装置进行了深入分析和介绍，实验证明了ZigBee技术进行数据传输的有效性，对ZigBee无线网络通信的开发和应用具有一定参考意义。

[1]王 楠，陈志业，律方成.电容型设备绝缘在线监测与诊断技术综述[J].电网技术，2003，27(8)：72-76.

[2]关根志，贺景亮.电气设备的绝缘在线监测与状态维修[J].中国电力，2000，33(3)：46-49.

[3]梁国文，刘文举.电容型设备在线监测装置现状分析及建议[J].华北电力技术，2002(10)：41-44.

[4]黄建华，金 园，何 青.电容型设备绝缘在线监测系统及其选用原则[J].高电压技术，2001，27(5)：13-19.

[5]黄建华，全零三.变电站高压电气设备状态检修的现状及其发展[J].电力系统自动化，2001，25（16）：56-61.