基于WSN的高校园区变送电远程监控系统设计

薛亚平

(扬州工业职业技术学院，江苏扬州225127)

基于WSN的高校园区变送电远程监控系统设计

薛亚平

(扬州工业职业技术学院，江苏扬州225127)

变送电安全监控是保证电力安全、稳定运行的重要环节。结合某高校园区变送电项目，对配变电及电力设备的安全隐患问题进行研究，研制出了变送电安全监控系统。该设计采用了无线传感网来构建变送电远程监控系统的底层通信系统，并利用32位ARM处理器S3C6410和新型高精度3相电能测量集成芯片ADE7758，研制了一套配变电安全监控装置。经测试证明，该设计具有较高的应用价值。

变送电；远程监控；WSN

高校园区是电能需求量较为集中的场所。同时，随着电子技术的进步，多媒体教学、各类科研教研活动都离不开电子设备的支撑，这对高校园区内的电力设施的运行和电能质量提出了更高的要求，因此对高校内的电力设施进行24 h的实时监控，对重点实验室和教室的电能质量进行实时分析，是保证及时发现故障设备和线路，减少停电干扰的必要措施。

变配送电系统是高校园区电力系统的重要组成部分，是电力系统存在安全隐患最为严重的部分。据相关资料统计，1960年以来，我国因配变电及电力设备的安全隐患所引起的重大火灾事故就有近百起，减少发电供电超过100亿度，直接经济损失达数十亿元[1]。而且随着电力需求的日益增大和电网规模的日益复杂，这个数字还呈上升趋势。因此，研究可行的先进变配送电安全监控系统，已经成为非常重要和必要的课题。

1 目前监控现状及改进思路

我国的变送电安全监控的发展始于20世纪80年代，近几年随着国内科技水平的提高，也逐步发展成熟，但是还存在着功能较为单一、精度较低、体积相对较大、使用不够灵活等问题。

随着高科技技术的不断发展，高精度的自动化、智能化仪表也纷纷涌现。这些仪表不仅可以完成传统计量表的计量功能，还具有测量、保护、控制、通信等多种功能，极大地提高了监控的可行性。同时，电子电路技术的发展也使众多的算法可以在一些处理器中得到很好的体现，为准确监控打下了良好的基础[1]。

本设计利用现有技术手段，设计出一种基于快速傅里叶变换FFT算法的高校园区变送电监控系统，可以满足电力监控系统在计量、测量、突变信号处理等方面的高实时性和高可靠的要求。

整个变送电安全监控系统具有智能变送电安全监控和环境控制两部分功能。主要改进的功能有以下几项：

(1)监控系统的数据处理采用具有浮点运算能力的高精度ARM芯片，可以适应复杂的快速傅里叶变换，为监控的高准确性和智能化打下基础；

(2)使用无线传输方式进行通信，底层通信采用无线传感网技术，加强系统的底层灵活性；上层通信采用4G网络，可以有效支撑系统实时通信的要求；

(3)快速本地操作，USB抄表。当通信系统出现问题时，能以最快的速度在本地操作，实现故障控制，并支持USB抄表，记录故障情况；

(4)可以自动调节环境温湿度。

除以上功能外，整个系统的主要核心是智能变送电安全监控部分，要求必须具有计量、远程实时抄表、用电异常信息自动报警、电能质量检测、用电检查、抗干扰等功能。

2 系统硬件设计

根据系统的具体要求，本设计采用模块化设计，整个系统包括四个模块，分别为电源模块、信号实时采集和数据处理模块、通信和人机接口模块和系统管理模块。具体系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框架图

如图1所示，系统的核心是ARM芯片，本设计采用的是S3C6410，S3C6410是一款低功率、高性价比、高性能的通用处理RSIC处理器，采用64/32bit的内部总线架构，融合了AXI、AHB、APB总线，具有很多强大的硬件加速器，能有效支撑算法的运行，并把计算后的结果存入Flash进行初步的保存。

电源模块是为ARM芯片供电的模块，在本设计中，采用两种供电方式，一种是USB供电，一种是电池供电，具体电路图如图2所示。

图2 电源电路图

USB接口、串口、4G接口都是通信接口，串口主要接收底层传输数据所用，在本设计中采用的无线传感网来采集底层数据，无线传感网的汇聚节点通过串口和ARM片相连，将数据传输至ARM芯片，同时接受来自于ARM芯片的控制命令，下传至无线传感网的执行机构；USB口供4G通信不畅时利用USB实时传送数据；4G接口模块是完成数据由ARM芯片上传至监控中心，以实现远程控制。

人机接口部分由液晶显示和键盘组成，供现场控制的完成。

信号采集模块是系统的最底层。在本设计中，底层通信采用无线传感网来完成，所采用的技术是ZigBee技术，这是一种低功耗、短距离、低成本的无线传输方式，节点之间可以在几十米的范围之内进行数据传输。节点工作的频率是2.4GHz，可以免费使用，本设计中节点选用的是CC2530，采取星形拓扑结构，处理星形中心的是协调器，协调器和S3C6410之间利用串口相连，协调器把数据传输至嵌入式处理器中。

CC2530内部集成了8051内核，可以对数据进行简单处理。

电能的测量采用ADE7758芯片，它是一种高精度电能测量IC芯片，支持国际电工委员会的60687、61036、61268、62053-21、62053-22、62053-23等标准，兼容三相/三线制、三相/四线制和其他的三相设备，除能准确提供电压和电流的有效值，提供波形采样数据外，还能够测量有功功率、无功功率和视在功率三种能量[2]。

ADE7758芯片带有一个串口，可以顺利地连接至CC2530中，并将数据传至无线传感网的终端节点，再由终端节点，通过路由节点，传送至协调器，并通过串口传入S3C6410。

电流和电压数据的采集采用电流和电压互感器来完成，采集数据传入ADE7758，具体结构如图3所示。

图3 底层数据采集系统

3 系统软件设计

系统软件采用C语言来编写，具体流程如图4所示。

图4 软件流程图

其中，CC2530接收电压采集数据的程序为：

4 结论

本文利用无线传感网构建了高校园区的变送电远程监控系统。该系统利用ADE7758来采集电能的运行数据，利用CC2530来构建底层数据传输网，S3C6410来进行电能质量的分析和计算。经实践证明，该系统可以稳定地提供电能质量的分析，满足高校园区的电力安全监控的需求。

[1]何正林.配变电安全监控系统的开发与研究[D].长沙：中南大学，2008：9-11.

[2]曲延滨，王建平.基于CAN总线和DSP的变电站监控系统[J].电力系统自动化，2003(12)：86-88.

Remotemonitoring system of university campuspower transm ission and transformation based onWSN

XUEYa-ping
(Yangzhou Polytechnic Institute，Yangzhou Jiangsu 225127，China)

The securitymonitoring for power transm ission and transformation is an im portant link to ensure secure and stable operation of the power.Based on a university cam pus variable transm ission project，the safety problem of distribution substation and power equipmentwas studied，and the variable transm ission security monitoring system was developed.The underlying communication system of remote monitoring system was builtwith w ireless sensor network，and the 32-bit ARM CPU S3C6410 and new type of high precision and three phase powermeasurement chip ADE7758 were used to develop a setof distribution substation safetymonitoring device.The test show that this design has high application value.

power transm ission and transformation;remotemonitoring;WSN

TM 131

A

1002-087 X(2016)07-1505-03

2016-02-25

薛亚平(1978—)，男，江苏省人，硕士，讲师，主要研究方向为无线传感器网络。