隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展， 工業(yè)和民用用電需求不斷增加，因此更好地實(shí)現(xiàn)國家智能電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的控制目標(biāo)顯得特別重要。

    為了保證電力設(shè)備的安全運(yùn)行，近年來變壓器設(shè)備在線故障診斷逐漸受到電力企業(yè)的普遍重視，但變壓器電流、電壓、功率負(fù)荷、油溫和鐵芯入地電流等參數(shù)的測(cè)量，以及傳感器的安裝、供電、網(wǎng)絡(luò)通信連接布線仍是個(gè)難題。于是，尋求一種沒有復(fù)雜的引線、絕緣性能好、低功耗、可在線供電或電池供電、能夠就近安裝及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電能參數(shù)和溫度的傳感器成為首要考慮的問題。低功耗電能參數(shù)測(cè)量芯片和無線網(wǎng)絡(luò)ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)，使得在線供電或電池供電的電能參數(shù)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為可能。下面將介紹一種基于無線通信ZigBee技術(shù)的電能參數(shù)及溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

    ZigBee是一種用于控制和監(jiān)視的短距離、低速率、低功耗、成本低廉、高可靠無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它基于IEEE802.15.4國際標(biāo)準(zhǔn)，上層協(xié)議為ZigBee協(xié)議棧。其網(wǎng)絡(luò)路由功能強(qiáng)大，組網(wǎng)靈活，自恢復(fù)及冗余性能優(yōu)異，能簡(jiǎn)單地覆蓋廣闊范圍，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持65,535臺(tái)設(shè)備，也就是說，每臺(tái)ZigBee設(shè)備可以與另外65,534臺(tái)設(shè)備相連接。近年來ZigBee技術(shù)在智能家居、照明控制、建筑自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、自動(dòng)抄表和醫(yī)療等方面逐漸展開應(yīng)用，是目前嵌入式應(yīng)用的一大熱點(diǎn)。它的許多特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)也使之具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)前景。

    本文介紹的基于ZigBee技術(shù)的電能參數(shù)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要應(yīng)用于變電站、發(fā)電廠的電力變壓器等高壓設(shè)備的電能參數(shù)及溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這種無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以幫助用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患的存在，從而避免事故的發(fā)生；減少運(yùn)行人員現(xiàn)場(chǎng)巡檢的工作量；提高設(shè)備使用壽命，降低企業(yè)的總體成本。

    一、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    圖1為電能參數(shù)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

    該系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)，即由無線電能參數(shù)及溫度采集模塊、ZigBee接收節(jié)點(diǎn)和計(jì)算機(jī)工作站三部分組成。無線電能參數(shù)及溫度采集模塊完成被測(cè)對(duì)象的電能參數(shù)及溫度測(cè)量，然后通過ZigBee無線通信接口把數(shù)據(jù)傳給ZigBee接收節(jié)點(diǎn)，ZigBee接收節(jié)點(diǎn)把接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過簡(jiǎn)單處理后通過RS485、CAN和以太網(wǎng)等總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)工作站作一進(jìn)步處理。

    電能參數(shù)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要由無線電能參數(shù)及溫度測(cè)量模塊（傳感器）和無線電能參數(shù)監(jiān)視儀（ZigBee接收節(jié)點(diǎn)）兩部分組成。圖2為電能參數(shù)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件原理框圖，左邊部分為無線電能參數(shù)監(jiān)視儀硬件原理框圖，右邊則為無線電能參數(shù)及溫度測(cè)量模塊。

圖2：電能參數(shù)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件原理框圖。

    1. 無線電能參數(shù)監(jiān)視儀

    無線電能監(jiān)視儀硬件主CPU采用基于32位ARM7TDMI-S內(nèi)核、內(nèi)部嵌入128K字節(jié)高速Flash存儲(chǔ)器和16K字節(jié)靜態(tài)RAM的LPC2134嵌入式微處理器。外圍電路由LCD顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、報(bào)警輸出電路、按鍵接口電路、ZigBee無線通信模塊、RS485通信接口電路和RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路等組成。LCD顯示模塊作為人機(jī)交互接口顯示電壓有效值、電流有效值、頻率、功率、功率因數(shù)和溫度等參數(shù)測(cè)量值及棒狀圖、實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖、歷史趨勢(shì)圖和報(bào)警記錄等；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路采用上海貝嶺的EEPROM存儲(chǔ)器BL24C256和Intersil公司內(nèi)部集成看門狗電路的存儲(chǔ)器X5043.其中BL24C256用來存儲(chǔ)系統(tǒng)狀態(tài)信息、電壓、電流、溫度等參數(shù)歷史數(shù)據(jù)及越限報(bào)警記錄等，X5043存儲(chǔ)器功能是給主CPU作看門狗復(fù)位電路及保存系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)；報(bào)警輸出電路在測(cè)量值超過報(bào)警限值時(shí)，輸出無源開關(guān)量觸點(diǎn)給聲、光報(bào)警顯示屏或作為開關(guān)量信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，使維護(hù)人員及時(shí)排除故障，避免事故的發(fā)生；按鍵接口電路功能是配合人機(jī)交互接口LCD顯示模塊，便于用戶現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、修改系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)及切換測(cè)量數(shù)據(jù)顯示畫面；ZigBee無線通信模塊集成了ZigBee無線收發(fā)器和一個(gè)單指令內(nèi)嵌Flash空間的51CPU核，同時(shí)還有GPIO,功能為接收無線電能參數(shù)及溫度測(cè)量模塊發(fā)送過來的測(cè)量數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)送給主CPU進(jìn)行處理；RS485通信接口電路功能是把測(cè)量的數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)工作站監(jiān)控系統(tǒng)，通信接口電路可根據(jù)用戶需要配置成CAN或以太網(wǎng)接口；RTC時(shí)鐘電路采用上海貝嶺的BL5373芯片，給整個(gè)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)。

    2. 無線電能參數(shù)及溫度測(cè)量模塊

    無線電能參數(shù)及溫度測(cè)量模塊主MCU 采用超低功耗的1 6 位MSP430系列的微控制器。外圍電路由ZigBee無線通信模塊、電量傳感器電路、溫度傳感器電路和電源電路及鋰電池電路等組成。ZigBee無線通信模塊功能為把測(cè)量的電能參數(shù)及溫度數(shù)據(jù)無線傳輸給監(jiān)視儀；電量傳感器電路主芯片采用上海貝嶺的低功耗三相多功能電能測(cè)量芯片BL6519,此芯片能夠測(cè)量分相和合相有功功率及分相電流、電壓有效值、功率因子、線頻率等參數(shù)，具有失壓與過壓監(jiān)測(cè)功能以及電流電壓峰值檢測(cè)功能，用它來測(cè)量三相變壓器負(fù)載電流、電壓和功率等參數(shù)；溫度傳感器電路功能為測(cè)量變壓器油溫；電源電路功能為通過PT電壓互感器在線取電，給整個(gè)模塊供電，從而省去外部專門供電電源；另外鋰電池電路功能是在模塊失去外部供電時(shí)，暫時(shí)給系統(tǒng)供電及給BL5373實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路供電。

    二、系統(tǒng)工作原理

    電能參數(shù)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)為無線電能參數(shù)及溫度測(cè)量模塊低功耗技術(shù)實(shí)現(xiàn)。一般ZigBee無線通信模塊睡眠模式下工作電流小于1μA,MSP430系列MCU在超低功耗工作模式下工作電流也小于1μA,溫度傳感器電路低功耗模式工作電流約為2μA,電能參數(shù)測(cè)量電路BL6519工作電流約為6.8mA,再加上系統(tǒng)外圍電路的功耗，整個(gè)無線電能參數(shù)及溫度測(cè)量模塊在低功耗模式下平均電流約為6.81mA,因而可以用PT電壓互感器在線取電技術(shù)實(shí)現(xiàn)模塊供電。在變壓器設(shè)備斷電情況下，只要關(guān)斷BL6519芯片的供電，整個(gè)模塊工作電流就降到10μA左右，這樣模塊就切換到3.6V（1,200mAh）的鋰電池供電模式。

    無線電能參數(shù)及溫度測(cè)量模塊正常供電下的工作過程為：1. 用BL6519電能測(cè)量芯片測(cè)量變壓器負(fù)載電流、電壓和功率等參數(shù)；2. 用溫度傳感器測(cè)量變壓器的油溫；3.

    喚醒ZigBee無線通信模塊，發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)給監(jiān)測(cè)儀，接著通信模塊進(jìn)入睡眠模式。如此循環(huán)工作。

    無線電能參數(shù)監(jiān)視儀的工作過程為接收到無線電能參數(shù)及溫度測(cè)量模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過LCD顯示器以不同畫面顯示電壓、電流、功率和溫度等測(cè)量值，包括成組顯示圖、棒狀圖、實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖、歷史趨勢(shì)圖和報(bào)警記錄等。通過RS485通信接口或CAN、以太網(wǎng)通信接口把數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)監(jiān)控工作站，對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的分析處理。

    無線電能參數(shù)及溫度測(cè)量模塊為了安裝方便，一般ZigBee模塊發(fā)射天線采用內(nèi)部PCB板載天線。無線電能參數(shù)監(jiān)視儀一般外接5dbi天線，通信視距可達(dá)500米。

    三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    無線電能參數(shù)監(jiān)視儀由于程序設(shè)計(jì)復(fù)雜，故采用μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。μC/OS-II內(nèi)核的特點(diǎn)是簡(jiǎn)潔、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可裁剪，可以改寫源代碼使之符合自己的要求，裁減掉不需要的部分，使操作系統(tǒng)變得小巧、靈活，并且能滿足用戶特定操作系統(tǒng)的需要。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)能力，μC/OS-II可以將一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用劃分為多個(gè)相互獨(dú)立的任務(wù)，并根據(jù)任務(wù)的重要性來分配優(yōu)先級(jí)，任務(wù)的調(diào)度完全由μC/OS-II的實(shí)時(shí)內(nèi)核完成，主要包括任務(wù)的狀態(tài)管理、選擇最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)、執(zhí)行任務(wù)和撤銷任務(wù)等。μC/OS-II內(nèi)核還負(fù)責(zé)CPU時(shí)間分配，CPU時(shí)間總是優(yōu)先分配給中斷事件，其次是任務(wù)隊(duì)列中當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，不同任務(wù)間的通信可以通過μC/OS-II提供的信號(hào)量、郵箱、信息隊(duì)列等機(jī)制完成。

    采用μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，使整個(gè)程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、復(fù)雜的應(yīng)用程序?qū)哟位�。整個(gè)程序設(shè)計(jì)由操作系統(tǒng)和一系列用戶應(yīng)用任務(wù)構(gòu)成，應(yīng)用程序更容易設(shè)計(jì)與維護(hù)。

    1. 任務(wù)的劃分

    根據(jù)無線電能參數(shù)監(jiān)視儀要實(shí)現(xiàn)的程序中各個(gè)任務(wù)的重要性和實(shí)時(shí)性，把程序分成六個(gè)具有不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，包括系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、接收隊(duì)列監(jiān)視、數(shù)據(jù)發(fā)送、鍵盤輸入和LCD顯示。除了6個(gè)主要應(yīng)用任務(wù)外，還有三個(gè)中斷服務(wù)子程序：一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍中斷，用于提供周期性時(shí)鐘信號(hào)源；二個(gè)串口接收中斷（一個(gè)用于ZigBee無線通信模塊的數(shù)據(jù)接收，另一個(gè)用于計(jì)算機(jī)監(jiān)控工作站的數(shù)據(jù)請(qǐng)求接收）。

    2. 任務(wù)的同步與調(diào)度

    通常多任務(wù)操作系統(tǒng)的任務(wù)不同于一般函數(shù)，它是一個(gè)無限循環(huán)，而且沒有返回值。如果沒有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)， 當(dāng)前任務(wù)是不會(huì)放棄對(duì)CPU的使用權(quán)的。為了實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的正常運(yùn)行和有關(guān)事件的同步，必須正確處理任務(wù)間的通信和事件標(biāo)志的設(shè)置。

    整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3：無線電能參數(shù)監(jiān)視系統(tǒng)軟件。

    各個(gè)任務(wù)具有不同的優(yōu)先級(jí)，通過調(diào)用系統(tǒng)掛起函數(shù)或延時(shí)函數(shù)，可以啟動(dòng)具有更高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)。在設(shè)計(jì)中，通過對(duì)延時(shí)參數(shù)的設(shè)置，系統(tǒng)每隔一定的時(shí)鐘節(jié)拍，就啟動(dòng)接收隊(duì)列監(jiān)視任務(wù)，定期掃描環(huán)形緩沖區(qū)。一旦發(fā)現(xiàn)讀指針與寫指針不相等時(shí)，就將環(huán)形緩沖區(qū)中新接收到的數(shù)據(jù)存入recvbuf中，同時(shí)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單解析，若是ZigBee無線通信模塊傳輸過來數(shù)據(jù)，則發(fā)送數(shù)據(jù)處理信號(hào)量DataProcSem,數(shù)據(jù)處理任務(wù)接收到信號(hào)量啟動(dòng)運(yùn)行，完成數(shù)據(jù)處理分析功能；若是計(jì)算機(jī)監(jiān)控工作站發(fā)送過來請(qǐng)求幀數(shù)據(jù)，則發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)量SendSem,數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)接收到信號(hào)量，啟動(dòng)運(yùn)行，完成數(shù)據(jù)發(fā)送功能。同樣，其他程序模塊功能也是通過任務(wù)間的通信與信號(hào)量的傳遞來實(shí)現(xiàn)，以此來保證時(shí)間與任務(wù)的同步。

    3. 程序流程

    圖4為無線電能參數(shù)監(jiān)視儀的程序流程框圖。在使用μC/OS-II提供的任何功能之前，必須先調(diào)用OSInit（）函數(shù)，該函數(shù)建立了2個(gè)任務(wù)：空閑任務(wù)（在所有其他任務(wù)未就緒時(shí)運(yùn)行）和統(tǒng)計(jì)任務(wù)（計(jì)算CPU的利用率）。

圖4：無線電能參數(shù)監(jiān)視儀程序流程框圖。

    本應(yīng)用程序中屏蔽了統(tǒng)計(jì)任務(wù)，OSInit（）函數(shù)只建立1個(gè)任務(wù)，即空閑任務(wù)。InitHardware（）函數(shù)主要完成系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置和UART串口參數(shù)初始化；InitPara（）函數(shù)完成系統(tǒng)全局變量初始化，然后建立各個(gè)應(yīng)用任務(wù)，最后OSStart（）函數(shù)將控制權(quán)交給μC/OS-II內(nèi)核，開始運(yùn)行多任務(wù)。

    電能參數(shù)及溫度測(cè)量模塊由于對(duì)時(shí)間要求比較高，并且程序設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，故程序采用基于時(shí)間控制的程序流程結(jié)構(gòu)，采用時(shí)間狀態(tài)機(jī)的編程方法。應(yīng)用任務(wù)劃分為：

    電能參數(shù)及溫度采集任務(wù)、數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)、空閑睡眠任務(wù)。程序開始運(yùn)行后先初始化系統(tǒng)硬件參數(shù)和系統(tǒng)變量參數(shù)，然后采集電能參數(shù)及溫度并把數(shù)據(jù)通過ZigBee無線通信模塊發(fā)送給無線電能參數(shù)監(jiān)視儀，最后進(jìn)入空閑睡眠模式。其中數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)完成時(shí)間控制在50ms,包括30ms喚醒等待時(shí)間、10ms數(shù)據(jù)通信時(shí)間以及10ms數(shù)據(jù)通信不成功重發(fā)時(shí)間。

    四、小結(jié)

    在電力變壓器在線故障診斷應(yīng)用中，無線電能參數(shù)及溫度測(cè)量模塊在線監(jiān)測(cè)變壓器負(fù)載電流、電壓、功率和泄漏電流、鐵芯入地電流及油溫等參數(shù)，并把數(shù)據(jù)無線傳輸給監(jiān)視儀。監(jiān)視儀處理分析被測(cè)參數(shù)，并判斷參數(shù)變化情況，如果監(jiān)視到頂層油溫、套管出線端子溫度、油箱熱點(diǎn)溫度等溫升速度，以及組間溫度差、鐵芯入地電流等參數(shù)超過設(shè)定限值，將輸出變壓器監(jiān)測(cè)參數(shù)異常報(bào)警開關(guān)量給聲、光報(bào)警顯示器，通知運(yùn)行人員注意。通過變壓器在線故障診斷解決變壓器過熱、過載、漏電流等問題，杜絕此類事故發(fā)生，從而保證高壓設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行。<