基于WSN的智能环网柜综合检测系统设计

秦川　关家华　谭家祺　潘景志　刘振祥

【摘 要】环网柜因为自身全封闭性结构、所安装的环境条件恶劣等因素，柜内的一二次电气设备容易出现凝露或被氧化、或绝缘层易被损坏，从而导致局部放电、漏电现象，严重时危及维护人员生命安全。为解决该问题，本文基于无线传感器网络设计了一个智能环网柜综合检测系统用以检测智能环网柜运行工况并进行安全预警。本次论文以ARM芯片STM32F103为核心，设计了无线传感器采集单元和中央通信单元，组成无线传感器网络。采集单元实时测量开关、电缆、接头等绝缘电阻量以及电缆温度、环网柜环境温湿度等模拟量，然后通过无线传感器网络将数据信息传输到中央通信单元进行数据汇总和数据融合分析，实现故障检测预判与预警功能。该设计扩展性好，能对环网柜运行工况进行评价分析，为完善配电环网柜智能化安全预警开创了新的思路。

【关键词】无线传感器网络；环网柜；故障检测；安全预警；智能化；

Abstract：Due to factors such as its fully enclosed structure and poor installation environment，the secondary electrical equipment in the cabinet is prone to condensation or oxidation，or the insulation layer is easily damaged，resulting in partial discharge and leakage.In severe cases，the safety of maintenance personnel is endangered.In order to solve this problem，this paper designs a ring main unit integrated detection system based on wireless sensor network to detect the operating conditions of intelligent ring main unit and conduct safety warning.This paper takes the ARM chip STM32F103 as the core，designs the wireless sensor acquisition unit and the central communication unit to form a wireless sensor network.The acquisition unit measures the insulation resistance of switches，cables，connectors，etc.，as well as the cable temperature，the ambient temperature and humidity of the ring main unit，and then transmits the data information to the central communication unit through the wireless sensor network for data aggregation and data fusion analysis to achieve faults.Detection of pre-judgment and early warning functions.The design has good expansibility，can evaluate and analyze the operating conditions of the ring main unit，and opens up new ideas for improving the intelligent security warning of the distribution ring main unit.

Key words：wireless sensor network；RMU；STM32；fault detection；security warning.

引言

隨着我国科学技术的进步，特别电力行业的迅速发展，我国的配网自动化逐步由数字化向智能化迈进。在配电自动化建设中，配电环网开关柜因其结构紧凑、安装和维护方便、供电运行安全可靠、等优点，在发电、输电和配电的各环节中被广泛运用。据统计，2010年至今，配电环网柜的市场需求每年以5%的速度增长。这样越来越多的环网柜被应用于配网自动化建设中，环网柜的运行安全将直接影响用户供电的可靠性。

目前，环网柜的配电网自动化功能已经相当全面，并继续向着智能化的方向发展。但是环网柜对其自身的安全检测则比较薄弱。环网柜因为自身全封闭性结构、所安装的环境通风或排水条件差等因素，环网柜内的一二次电气设备容易出现凝露或被氧化、或绝缘层易被损坏，从而导致局部放电、漏电现象，严重时危及维护人员生命安全。为解决该问题并弥补环网柜对其自身检测的不足，本文运用无线传感器网络技术，设计了一个环网柜综合检测系统用以检测智能环网柜运行工况并进行安全预警。

1 系统总体设计

环网柜室内以无线传感器网络为核心，主要包含了无线传感器采集单元（Sensor）和中央通信单元（Monitor）。采集单元主要对接的是传感器设备，所以要求扩展性强，可以同时采集多个模拟量和数字量。中央通信单元则主要负责对各个采集单元的数据汇总和数据融合分析，以及对上网络层的通信。系统的总体结构设计如图1所示。

系统总体结构主要分为应用层、网络层和环网柜室。中央通信单元可以通过无线或者有线的方式接入网络层，这样，通信单元必须支持GPRS或者RS232、RS485、CAN、Modbus、以太网等通信方式。

为了对接应用层软件应用和适应智能化发展需求，中央通信单元在对上的通信协议上采用电力行业IEC61850通信协议。一个中央汇集单元可以管理其下多大200多个无线传感器采集单元。在一个配电室内就可以只用一套这样的系统采集多个环网柜的信息，从而节省了中央通信单元数量。而且在后期进行功能升级的时候，只需要增加单个的采集单元的节点，便可以扩展功能，为环网柜的智能化二次开发降低了难度，节约了研发成本。中央通信单元将汇集到的数据可以直接进行融合分析，预判出故障后报警，实现无人值守。也可以将数据上传至应用层软件进行专家系统的评估与预警，有效地提高配网事故处理的响应效率，提升配网运维信息化水平和管理智能化水平，为配网的运行、检修提供重要辅助支撑，为安全生产保驾护航。

2 系统具体实现

系统的实现主要分为两个方面的设计，一个是系统硬件的设计：包括了传感器采集单元的硬件设计和中央通信单元的硬件设计，因为其功能不同，故硬件的外围电路有所区别，但中央处理器的电路设计则是相同的。综合考虑功能的复杂性和实用性以及硬件成本，核心处理器采用的是高性能、低成本、低功耗的嵌入式微控处理器STM32F103ZET。另外一个方面则是系统的软件设计，传感器单元主要实现的功能是数据信息的采集和无线数据的收发，而中央通信单元则主要实现无线组网功能、数据信息汇总与分析、网络层的应用数据信息交互。根据功能设计，采用由简到难，由整体到局部的设计思路，系统的功能实现步骤如图2所示，主要分为无线网络搭建、传感器单元采集功能实现、中央单元数据汇总与处理、应用层信息交互。

2.1 通信方案设计

无线传感器网络是本系统设计的核心，无线传感器网络的网络拓扑结构是组织无线传感器节点的组网技术。常用的无线网络拓扑结构有点对点、星型、环形、网状这几类。由于点对点和环型结构受限于通信接入数量，在这里不予考虑。星型结构是又称为集中式网络，便于集中控制，所有端节点之间的通信必须经过中心站。由于这一特点，星型结构控制简单，易于维护。端节点因为故障而停机时也不会影响其它节点间的通信。同时星型拓扑结构的网络延迟时间较小，系统的可靠性较高。但是，本文采用的是系统可靠性更强的MESH网络，它是一种新型的网状结构网络。它的网络拓扑结构如图所示。

无线Mesh网络也称为“多跳”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。它不依赖于预设的基础设施，具有可临时组网、快速展开、无控制中心、抗毁性强等特点。除此之外，无线Mesh网络还具备的优点有：

1、安装简单，组网迅速。无线MESH网络的安装布置难度低，没有太多复杂的设置。通过无线方式连接，当第一个终端设备接入设置上网后，其他设备通电即可与最近设备自动组网。

2、覆盖面大，可扩展性强。无线MESH网络中，每一个节点能同时接收和发送信号，而且很容易增加新的节点设备来扩大无线网络的覆盖范围和网络容量。

3、應用行业广。无线MESH网络不仅可用于大部分日常生活室内外场所，例如企业、校园、酒店、医院、住宅等，更重要的是，它还在WIFI等传统网络难以适用的场所仍然表现优秀，如大型仓库、港口码头、制造业、工业生产车间等等。

4、免布线，节约成本。不需要使用网线，从而可以省去大量布线时间、大大减少组网工作量，节约材料和人工成本。在制造业、工业领域，需要覆盖大面积开放区域的应用场景，更适合采用无线MESH网络。

无线传感器节点采用Mesh网络结构能够经多跳转发，通过基站或汇聚节点或网关接入网络，在网络的任务管理节点对感应信息进行管理、分类和处理，再把感应信息送给应用用户使用。选择高效、实用的无线传感器网络结构，为构建高性能的无线传感器网络十分重要，因为网络的拓扑结构严重制约无线传感器网络通信协议（如MAC协议和路由协议）设计的复杂度和性能的发挥。

2.2 核心单元设计

本设计采用的核心处理器是高性能、低成本、低功耗的嵌入式微控处理器STM32F103ZET。它是意法半导体公司生产的32位ARM芯片，其内核是Cortex-M3架构，支持嵌入Linux系统进行应用开发。STM32F103系列微处理器是首款基于ARMv7-M体系结构的32位标准RISC（精简指令集）处理器，提供很高的代码效率，在通常8位和16位系统的存储空间上发挥了ARM 内核的高性能。该系列微处理器工作频率为72MHz，内置高达128K 字节的Flash存储器和20K 字节的SRAM，具有丰富的通用I /O 端口。图4是以STM32F103ZET为CPU核心的最新系统电路原理图。它主要包括了CPU I/O接口、电源滤波电路、JTAG接口、复位电路、时钟电路。

2.3采集单元设计

采集单元也可以称为无线传感器节点，主要负责数据信息的采集和与中央通信单元的数据交互。图5是采集单元的硬件设计示意图。

本系统中采集单元主要接入的传感器设备有：水浸传感器、温度传感器、湿度传感器、电缆绝缘电阻传感器、开关绝缘电阻传感器、接头绝缘电阻传感器、烟雾传感器、SF6检测传感器、局放电检测传感器、红外传感器等，另外还要采集开关柜门状态、门磁状态、地刀状态等。传感器的输入到电路一般都是标准的1～5V或者4～20mA模拟信号。这就需要对其调理电路对其进行转换，本设计的模拟信号调理电路入下图所示

图6中的第一个OP07运放U1与PNP型三极管以及R2、R5、R7以及R8一起组成了一个有源运算放大器稳压源。U1的同相输入端是由负电压12V经过R7与R8进行分压后提供的，输入的电压大小应该为：

反相输入端则是由4～20mA模拟电流进过R1输入的。同时运放的输出端与PNP型三极管相连，主要用于扩展输出能力，输出电压随着运放同相端的电压增加而不断增加，这样就可以通过调节R2和R7的阻值从而控制输入到U2同相端的参考电压恒定不变。R1是一个I/V转换电阻，这就要求R1应采用高精度、低温漂的薄膜电阻。为了降低干扰信号的影响，在U2的同相输入端增加电容C1进行电容滤波，另外两只二极管1N4148可以对可能出现的超限电压输入信号进行保护。

2.4 中央通信单元设计

中央通信单元主要负责无线传感器网络的管理、与各个采集单元的数据交互、采集数据的汇总融合分析、安全预警。图5给出了通信单元的硬件设计示意图。与采集单元不同的是，中央通信单元没有了模拟量和数字量的采集，而是多出了网络通信的接口电路和告警指示电路。网络通信接口比较丰富，主要包括了GPRS的无线通信，RS485现场通信，RS232串口通信、CAN总线通信以及以太网通信。

3 結语

本文所设计的智能环网柜综合检测系统采用的是以STM32F103微控处理器为核心，利用高性能、低功耗、远距离的微功率无线 MESH 组网模块，内嵌无线MESH自组网协议，组成分布式的对等网状网络保障数据传输的正确和可靠性。采集单元设计了信号隔离调制电路，方便接入不同类型的传感器，可实时采集环网柜的监测模拟量。中央通信单元网络接口丰富，能支持串口、CAN、网络等多种通信形式，方便采集到的环网柜综合信息传输到主站或者应用层软件进行系统的评估与预测，有效地提高配网事故处理的响应效率。并且中央通信单元还具备传感器数据融合分析功能，实现对环网柜的安全预警，为配网的运行、检修提供重要的辅助支撑，进而提升配网运维信息化水平和管理智能化水平，推动配电环网柜智能化发展进程。

本论文来源于广东电网有限责任公司佛山供电局科技项目；项目名称为：配电设备模块化及智能化关键技术研究，课题2：配电环网柜智能化技术研究与应用；项目编号为：GDKJXM20172889。

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项目基金：本论文来源于广东电网有限责任公司佛山供电局科技项目；项目名称为：配电设备模块化及智能化关键技术研究，课题2：配电环网柜智能化技术研究与应用；项目编号为：GDKJXM20172889。

（作者单位：1 广东电网有限制责任公司佛山供电局；2广州思泰信息技术有限公司）