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无线传感器技术在变压器状态监测系统中的应用

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关键词无限传感器技术;状态监控系统;ZigBee协议;变压器
  在电力系统的信息化过程中,变压器是导致电力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,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。
  
  一、系统原理
  
  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20-250kbps。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。
  
  二、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。
  
  三、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,滤波电路,A/D转换电路,DSP和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MAX125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,有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。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。
  
  四、系统软件实现
  
  (一)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了TI公司提供的Zigbee协议栈。它随着Zigbee无线协议栈规范的发展而不断更新。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。
  (二)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,其流程大致如下:①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。②组态完成后程序进入运行部分,首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/指令码/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。
  五、结束语
  
  目前变压器状态在线监测系统已经在一些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]Advanced Metering initiative Profile Specification : ZigBee Profile[s]: Nov.13.2007.
  [2]MCARTHCR S D J,STARACHAN S M,JAHN G.The Design of Multi-agent Transformer Condition Monitoring System.IEEE Transactions on Power System ,2004,19(4):1845-1852.
  [3] 孙利民,李建中等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005年.

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