摘要：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)的測量，低功耗電能參數(shù)測量芯片和無線網(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)測系統(tǒng)成為可能。本文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)測系統(tǒng)。
　　
　　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)的測量，以及傳感器的安裝、供電、網(wǎng)絡(luò)通信連接布線仍是個難題。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)時監(jiān)測電能參數(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，能簡單地覆蓋廣闊范圍，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)zui多可支持65,535臺設(shè)備，也就是說，每臺ZigBee設(shè)備可以與另外65,534臺設(shè)備相連接。近年來ZigBee技術(shù)在智能家居、照明控制、建筑自動化、工業(yè)自動化、自動抄表和醫(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)勢也使之具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和市場前景。
　　
　　本文介紹的基于ZigBee技術(shù)的電能參數(shù)無線監(jiān)測系統(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)時監(jiān)測。這種無線監(jiān)測系統(tǒng)可以幫助用戶及時發(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)

　　　　
　　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對象的電能參數(shù)及溫度測量，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)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要由無線電能參數(shù)及溫度測量模塊（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)及溫度測量模塊。　　　　
　　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)時時鐘電路等組成。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)測量值及棒狀圖、實(shí)時趨勢圖、歷史趨勢圖和報(bào)警記錄等；數(shù)據(jù)存儲電路采用上海貝嶺的EEPROM存儲器BL24C256和Intersil公司內(nèi)部集成看門狗電路的存儲器X5043.其中BL24C256用來存儲系統(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)警輸出電路在測量值超過報(bào)警限值時，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)量信號傳給計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，使維護(hù)人員及時排除故障，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)場調(diào)試、修改系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)及切換測量數(shù)據(jù)顯示畫面；ZigBee無線通信模塊集成了ZigBee無線收發(fā)器和一個單指令內(nèi)嵌Flash空間的51CPU核，同時還有GPIO,功能為接收無線電能參數(shù)及溫度測量模塊發(fā)送過來的測量數(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時鐘電路采用上海貝嶺的BL5373芯片，給整個系統(tǒng)提供實(shí)時時鐘信號。
　　
　　2.無線電能參數(shù)及溫度測量模塊
　　
　　無線電能參數(shù)及溫度測量模塊主MCU采用超低功耗的16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量芯片BL6519,此芯片能夠測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)測功能以及電流電壓峰值檢測功能，用它來測量三相變壓器負(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，暫時給系統(tǒng)供電及給BL5373實(shí)時時鐘電路供電。
　　
　　二、系統(tǒng)工作原理
　　
　　電能參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)中zui關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)為無線電能參數(shù)及溫度測量模塊低功耗技術(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，整個無線電能參數(shù)及溫度測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)及溫度測量模塊正常供電下的工作過程為：1.用BL6519電能測量芯片測量變壓器負(fù)載電流、電壓和功率等參數(shù)；2.用溫度傳感器測量變壓器的油溫；3.
　　
　　喚醒ZigBee無線通信模塊，發(fā)送測量數(shù)據(jù)給監(jiān)測儀，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)及溫度測量模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)后，對數(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、功率和溫度等測量值，包括成組顯示圖、棒狀圖、實(shí)時趨勢圖、歷史趨勢圖和報(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)時操作系統(tǒng)。μC/OS-II內(nèi)核的特點(diǎn)是簡潔、穩(wěn)定、實(shí)時性強(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)時能力，μC/OS-II可以將一個復(fù)雜的應(yīng)用劃分為多個相互獨(dú)立的任務(wù)，并根據(jù)任務(wù)的重要性來分配優(yōu)先級，任務(wù)的調(diào)度*由μC/OS-II的實(shí)時內(nèi)核完成，主要包括任務(wù)的狀態(tài)管理、選擇zui高優(yōu)先級的任務(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時間分配，CPU時間總是優(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zui高的任務(wù)，不同任務(wù)間的通信可以通過μC/OS-II提供的信號量、、信息隊(duì)列等機(jī)制完成。
　　
　　采用μC/OS-II實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核，簡化了應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，使整個程序結(jié)構(gòu)簡潔、復(fù)雜的應(yīng)用程序?qū)哟位Ｕ麄€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)的程序中各個任務(wù)的重要性和實(shí)時性，把程序分成六個具有不同優(yōu)先級的任務(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個主要應(yīng)用任務(wù)外，還有三個中斷服務(wù)子程序：一個時鐘節(jié)拍中斷，用于提供周期性時鐘信號源；二個串口接收中斷（一個用于ZigBee無線通信模塊的數(shù)據(jù)接收，另一個用于計(jì)算機(jī)監(jiān)控工作站的數(shù)據(jù)請求接收）。　　
　　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)，它是一個無限循環(huán)，而且沒有返回值。如果沒有更高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，當(dāng)前任務(wù)是不會放棄對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。
　　
　　整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)如圖3所示。　　　　
　　各個任務(wù)具有不同的優(yōu)先級，通過調(diào)用系統(tǒng)掛起函數(shù)或延時函數(shù)，可以啟動具有更高優(yōu)先級的進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)。在設(shè)計(jì)中，通過對延時參數(shù)的設(shè)置，系統(tǒng)每隔一定的時鐘節(jié)拍，就啟動接收隊(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，就將環(huán)形緩沖區(qū)中新接收到的數(shù)據(jù)存入recvbuf中，同時對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單解析，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)處理信號量DataProcSem,數(shù)據(jù)處理任務(wù)接收到信號量啟動運(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)送過來請求幀數(shù)據(jù)，則發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送信號量SendSem,數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)接收到信號量，啟動運(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)間的通信與信號量的傳遞來實(shí)現(xiàn)，以此來保證時間與任務(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個任務(wù)：空閑任務(wù)（在所有其他任務(wù)未就緒時運(yùn)行）和統(tǒng)計(jì)任務(wù)（計(jì)算CPU的利用率）。　　　　
　　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個任務(wù)，即空閑任務(wù)。InitHardware（）函數(shù)主要完成系統(tǒng)時鐘設(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，然后建立各個應(yīng)用任務(wù)，zui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)及溫度測量模塊由于對時間要求比較高，并且程序設(shè)計(jì)相對簡單，故程序采用基于時間控制的程序流程結(jié)構(gòu)，采用時間狀態(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，zui后進(jìn)入空閑睡眠模式。其中數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)完成時間控制在50ms,包括30ms喚醒等待時間、10ms數(shù)據(jù)通信時間以及10ms數(shù)據(jù)通信不成功重發(fā)時間。
　　
　　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)及溫度測量模塊在線監(jiān)測變壓器負(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。