常 青 葉云龍 史 進(jìn)

（1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口075000；2.河北北方學(xué)院，河北 張家口075000）

0 引 言

電能是由電力部門(mén)向用戶提供的一種市場(chǎng)化的特殊商品，與其他商品一樣，人們對(duì)其質(zhì)量的要求越來(lái)越高.隨著科技的發(fā)展，電力電子技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，電網(wǎng)中非線性、時(shí)變性負(fù)荷容量的日益增長(zhǎng)，使得電能質(zhì)量問(wèn)題日漸突出.不良的電能質(zhì)量必將影響精密生產(chǎn)工藝流程和高精度工業(yè)設(shè)備的正常生產(chǎn)，對(duì)生產(chǎn)生活造成損失.因此，對(duì)電能質(zhì)量的要求和管理日趨嚴(yán)格，其已成為由發(fā)電、供電、用電三方共同關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題，成為電力工作者所面臨的重要任務(wù).而傳統(tǒng)的變電站對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)多采用有線的方式來(lái)采集信號(hào)，工程量大、成本高，不利于后期維護(hù).因此，本文提出了基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng).

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)分為三個(gè)主要組成部分，一是信號(hào)采集調(diào)理部分，可實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；二是ZigBee無(wú)線模塊接收／發(fā)送部分，可實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸；三是上位機(jī)LabVIEW監(jiān)測(cè)軟件，可實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和分析.系統(tǒng)總體框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體框圖

信號(hào)采集調(diào)理部分：采用有線的方式，通過(guò)電壓電流互感器采集電網(wǎng)實(shí)時(shí)電壓和電流信號(hào)，并將其值變換到一定范圍之內(nèi)，再通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路將其電平變換為ZigBee模塊的可用信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電壓、電流數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集.

ZigBee無(wú)線模塊接收／發(fā)送部分：ZigBee模塊負(fù)責(zé)電信號(hào)的接收和無(wú)線發(fā)送，將信號(hào)傳送到終端設(shè)備.上位機(jī)LabVIEW監(jiān)測(cè)軟件：接收無(wú)線模塊傳輸來(lái)的電壓電流信號(hào)，編寫(xiě)電壓偏差、有效值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、三相不平衡度等電能質(zhì)量指標(biāo)的監(jiān)測(cè)和分析程序，通過(guò)良好的人機(jī)界面顯示出來(lái)，并將分析結(jié)果與國(guó)標(biāo)進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)電能質(zhì)量的優(yōu)劣.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用電壓／電流互感器對(duì)電網(wǎng)電壓／電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將采集到的信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行電平移動(dòng)和量程轉(zhuǎn)換后，得到A／D轉(zhuǎn)換器適用的輸入電壓范圍.選用無(wú)線模塊CC 2530芯片，及時(shí)把現(xiàn)場(chǎng)采集的電能相關(guān)參數(shù)通過(guò)ZigBee協(xié)議以無(wú)線通信的形式發(fā)送到接收模塊，再傳送到上位機(jī).

（1）電壓互感器

電壓模擬信號(hào)在接到無(wú)線模塊之前，需要把強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合無(wú)線模塊輸入量程要求的弱電信號(hào)，為保證系統(tǒng)安全可靠，強(qiáng)弱電信號(hào)在電氣上是隔離的，因此需采用電壓互感器.電壓互感器就是降壓變壓器，在測(cè)量交變電流的大電壓時(shí)，為能夠安全測(cè)量，在相線和地線之間并聯(lián)一個(gè)變壓器，這個(gè)變壓器的輸出端接后續(xù)電路，輸出電壓小于輸入電壓，輸出電壓符合后續(xù)電路的電壓輸入要求.互感器需要精度高、線性度好，保證信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性，為測(cè)試分析處理奠定基礎(chǔ).本系統(tǒng)采用的是基于霍爾原理的閉環(huán)補(bǔ)償電壓互感器，產(chǎn)品性能符合國(guó)標(biāo)，精度高、線性度好、質(zhì)量?jī)?yōu).電流互感器工作原理類似.

（2）信號(hào)調(diào)理電路

交流電壓互感器以0～5V的交流電壓作為輸出信號(hào).因A／D模塊的外部基準(zhǔn)輸入信號(hào)范圍為0～3V，因此需要有合適的調(diào)理電路，以實(shí)現(xiàn)A／D輸入的要求.交流電壓調(diào)理電路包括以下三部分：射極跟隨器，提高電路的輸入阻抗；電壓偏移電路，實(shí)現(xiàn)電平移動(dòng)；箝位限幅電路，以保證輸出電壓信號(hào)滿足A／D輸入信號(hào)范圍.

（3）CC 2530檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)

CC 2530芯片大致包含三類模塊.CPU和內(nèi)存相關(guān)的模塊；外設(shè)、時(shí)鐘和電源管理相關(guān)的模塊、無(wú)線電相關(guān)的模塊.其擁有適應(yīng)2.4GHz IEEE 802.15.4協(xié)議的RF收發(fā)器，擁有標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，128KB的可編程閃存，8KB RAM，8路輸入和可配置分辨率的12位ADC，并具有低功耗的優(yōu)點(diǎn).檢測(cè)節(jié)點(diǎn)安裝在需要監(jiān)測(cè)的電力設(shè)備附近，由于節(jié)點(diǎn)如采用電池供電電源能量有限，而本系統(tǒng)是對(duì)電信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的，可以同時(shí)利用電信號(hào)進(jìn)行供電，采用在電力設(shè)備電源進(jìn)線端基于電磁感應(yīng)原理套接取能線圈的方式，將導(dǎo)線電磁能量轉(zhuǎn)換到二次側(cè)，再經(jīng)整流濾波等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)隔離式供電.路由節(jié)點(diǎn)不需要接外圍電路，供電方式可采用電池供電，實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)發(fā)射和接受的功能.

圖2 軟件總體流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）總體設(shè)計(jì)首先保證電壓傳感器正常工作，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)采集正確，就發(fā)送給ZigBee采集節(jié)點(diǎn)，若不正確返回重新采集.由采集節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，最簡(jiǎn)單的ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以只有一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)和一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，如果是規(guī)模龐大的復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中間可以有多個(gè)路由節(jié)點(diǎn).之后如果下一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)正確，則把數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，通過(guò)LabVIEW軟件編寫(xiě)電能質(zhì)量分析程序，計(jì)算出電能質(zhì)量指標(biāo)，將結(jié)果以波形圖、數(shù)據(jù)表的形式顯示出來(lái)，如收發(fā)數(shù)據(jù)不正確，則重新收發(fā)數(shù)據(jù).系統(tǒng)的軟件總體流程圖如圖2所示.

（2）無(wú)線模塊軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用嵌入式IAR Embedded Workbench作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其適用于大量8位、16位以及32位的微處理器和微控制器，它為用戶提供一個(gè)具有最大量代碼繼承能力的簡(jiǎn)單易學(xué)的開(kāi)發(fā)環(huán)境.通過(guò)IAR工具，可以有效提高用戶的工作效率.通過(guò)該開(kāi)發(fā)平臺(tái)主要進(jìn)行以下軟件設(shè)計(jì)，包括采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)、Zig－Bee模塊收發(fā)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、ZigBee組網(wǎng)程序設(shè)計(jì)等.

（3）監(jiān)測(cè)界面軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)管理軟件采用LabVIEW語(yǔ)言編程.LabVIEW由美國(guó)國(guó)家儀器公司研制開(kāi)發(fā)，使用的是圖形化編程語(yǔ)言G語(yǔ)言，產(chǎn)生的程序是框圖形式.LabVIEW軟件是虛擬儀器設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心，具有良好的人機(jī)界面，也是開(kāi)發(fā)測(cè)控系統(tǒng)的理想選擇.

在本系統(tǒng)中，將無(wú)線模塊接收到的電壓電流信號(hào)通過(guò)串口接收程序傳送到計(jì)算機(jī)后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理，在前面板以數(shù)據(jù)窗口或圖形圖表的形式顯示電流、電壓有效值、電壓偏差、頻率偏差、功率（有功功率、無(wú)功功率、視在功率以及功率因數(shù)）、三相電壓、電流不平衡度等電能質(zhì)量參數(shù)的處理結(jié)果，并同時(shí)分析這些結(jié)果.圖3是在某低壓用戶側(cè)采集的單相電網(wǎng)電壓的變化曲線，采樣點(diǎn)為207，有效值數(shù)據(jù)大多集中在230V到234V，平均值約為231.92V，電壓偏差5.42%，小于電壓偏差標(biāo)準(zhǔn)（GB／T 12325－1990，220V單相供電允許偏差為＋7%）.說(shuō)明該監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的電壓偏差指標(biāo)合格.

圖3 單相電壓波形與分析

4 結(jié) 論

本文提出了基于ZigBee技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析方案，通過(guò)低壓用戶側(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其有效性和良好的數(shù)據(jù)傳輸能力，并利用虛擬儀器軟件創(chuàng)建了良好的人機(jī)界面，方便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析和控制.將該系統(tǒng)應(yīng)用于變電站自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線化、低成本，具有很好的應(yīng)用前景.

［1］滕志軍，王中寶，等.基于ZigBee的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)［J］.電測(cè)與儀表，2012（2）：68～70

［2］馬麗萍，張衛(wèi)國(guó).基于ZigBee的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［J］.電源技術(shù)，2012（8）：1192～1195

［3］陳珍萍，歐陽(yáng)名三，劉淮霞.基于ZigBee的電能質(zhì)量檢測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.低壓電器，2011（9）：37～40