隨著我國經濟不斷發(fā)展， 工業(yè)和民用用電需求不斷增加，因此更好地實現國家智能電網安全、穩(wěn)定運行的控制目標顯得特別重要。
為了保證電力設備的安全運行，近年來變壓器設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、功率負荷、油溫和鐵芯入地電流等參數的測量，以及傳感器的安裝、供電、網絡通信連接布線仍是個難題。于是，尋求一種沒有復雜的引線、絕緣性能好、低功耗、可在線供電或電池供電、能夠就近安裝及實時監(jiān)測電能參數和溫度的傳感器成為首要考慮的問題。低功耗電能參數測量芯片和無線網絡ZigBee技術的出現，使得在線供電或電池供電的電能參數無線監(jiān)測系統成為可能。下面將介紹一種基于無線通信ZigBee技術的電能參數及溫度監(jiān)測系統。
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、高可靠無線網絡技術，它基于IEEE802.15.4國際標準，上層協議為ZigBee協議棧。其網絡路由功能強大，組網靈活，自恢復及冗余性能優(yōu)異，能簡單地覆蓋廣闊范圍，每個ZigBee網絡最多可支持65,535臺設備，也就是說，每臺ZigBee設備可以與另外65,534臺設備相連接。近年來ZigBee技術在智能家居、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用，是目前嵌入式應用的一大熱點。它的許多特點和優(yōu)勢也使之具有廣闊的應用領域和市場前景。
本文介紹的基于ZigBee技術的電能參數無線監(jiān)測系統主要應用于變電站、發(fā)電廠的電力變壓器等高壓設備的電能參數及溫度實時監(jiān)測。這種無線監(jiān)測系統可以幫助用戶及時發(fā)現設備隱患的存在，從而避免事故的發(fā)生；減少運行人員現場巡檢的工作量；提高設備使用壽命，降低企業(yè)的總體成本。
一、系統硬件設計
圖1為電能參數無線監(jiān)測系統。
該系統采用三層結構，即由無線電能參數及溫度采集模塊、ZigBee接收節(jié)點和計算機工作站三部分組成。無線電能參數及溫度采集模塊完成被測對象的電能參數及溫度測量，然后通過ZigBee無線通信接口把數據傳給ZigBee接收節(jié)點，ZigBee接收節(jié)點把接收到的數據經過簡單處理后通過RS485、CAN和以太網等總線將數據傳輸到計算機工作站作一進步處理。
電能參數無線監(jiān)測系統硬件設計主要由無線電能參數及溫度測量模塊（傳感器）和無線電能參數監(jiān)視儀（ZigBee接收節(jié)點）兩部分組成。圖2為電能參數無線監(jiān)測系統硬件原理框圖，左邊部分為無線電能參數監(jiān)視儀硬件原理框圖，右邊則為無線電能參數及溫度測量模塊。
圖2：電能參數無線監(jiān)測系統硬件原理框圖。
1. 無線電能參數監(jiān)視儀
無線電能監(jiān)視儀硬件主CPU采用基于32位ARM7TDMI-S內核、內部嵌入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、數據存儲電路、報警輸出電路、按鍵接口電路、ZigBee無線通信模塊、RS485通信接口電路和RTC實時時鐘電路等組成。LCD顯示模塊作為人機交互接口顯示電壓有效值、電流有效值、頻率、功率、功率因數和溫度等參數測量值及棒狀圖、實時趨勢圖、歷史趨勢圖和報警記錄等；數據存儲電路采用上海貝嶺的EEPROM存儲器BL24C256和Intersil公司內部集成看門狗電路的存儲器X5043.其中BL24C256用來存儲系統狀態(tài)信息、電壓、電流、溫度等參數歷史數據及越限報警記錄等，X5043存儲器功能是給主CPU作看門狗復位電路及保存系統組態(tài)參數；報警輸出電路在測量值超過報警限值時，輸出無源開關量觸點給聲、光報警顯示屏或作為開關量信號傳給計算機監(jiān)控系統，使維護人員及時排除故障，避免事故的發(fā)生；按鍵接口電路功能是配合人機交互接口LCD顯示模塊，便于用戶現場調試、修改系統組態(tài)參數及切換測量數據顯示畫面；ZigBee無線通信模塊集成了ZigBee無線收發(fā)器和一個單指令內嵌Flash空間的51CPU核，同時還有GPIO,功能為接收無線電能參數及溫度測量模塊發(fā)送過來的測量數據，然后把數據送給主CPU進行處理；RS485通信接口電路功能是把測量的數據傳送到計算機工作站監(jiān)控系統，通信接口電路可根據用戶需要配置成CAN或以太網接口；RTC時鐘電路采用上海貝嶺的BL5373芯片，給整個系統提供實時時鐘信號。
2. 無線電能參數及溫度測量模塊
無線電能參數及溫度測量模塊主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量的電能參數及溫度數據無線傳輸給監(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，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載電流、電壓和功率等參數；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，暫時給系統供電及給BL5373實時時鐘電路供電。
二、系統工作原理
電能參數無線監(jiān)測系統中最關鍵的技術難點為無線電能參數及溫度測量模塊低功耗技術實現。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,電能參數測量電路BL6519工作電流約為6.8mA,再加上系統外圍電路的功耗，整個無線電能參數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實現模塊供電。在變壓器設備斷電情況下，只要關斷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載電流、電壓和功率等參數；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)送測量數據給監(jiān)測儀，接著通信模塊進入睡眠模式。如此循環(huán)工作。
無線電能參數監(jiān)視儀的工作過程為接收到無線電能參數及溫度測量模塊發(fā)送的數據后，對數據進行分析處理，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、實時趨勢圖、歷史趨勢圖和報警記錄等。通過RS485通信接口或CAN、以太網通信接口把數據送到計算機監(jiān)控工作站，對數據作進一步的分析處理。
無線電能參數及溫度測量模塊為了安裝方便，一般ZigBee模塊發(fā)射天線采用內部PCB板載天線。無線電能參數監(jiān)視儀一般外接5dbi天線，通信視距可達500米。
三、系統軟件設計
無線電能參數監(jiān)視儀由于程序設計復雜，故采用μC/OS-II嵌入式實時操作系統。μC/OS-II內核的特點是簡潔、穩(wěn)定、實時性強、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，使操作系統變得小巧、靈活，并且能滿足用戶特定操作系統的需要。為了提高系統的實時能力，μC/OS-II可以將一個復雜的應用劃分為多個相互獨立的任務，并根據任務的重要性來分配優(yōu)先級，任務的調度完全由μC/OS-II的實時內核完成，主要包括任務的狀態(tài)管理、選擇最高優(yōu)先級的任務、執(zhí)行任務和撤銷任務等。μC/OS-II內核還負責CPU時間分配，CPU時間總是優(yōu)先分配給中斷事件，其次是任務隊列中當前優(yōu)先級最高的任務，不同任務間的通信可以通過μC/OS-II提供的信號量、郵箱、信息隊列等機制完成。
采用μC/OS-II實時操作系統內核，簡化了應用程序的設計，使整個程序結構簡潔、復雜的應用程序層次化。整個程序設計由操作系統和一系列用戶應用任務構成，應用程序更容易設計與維護。
1. 任務的劃分
根據無線電能參數監(jiān)視儀要實現的程序中各個任務的重要性和實時性，把程序分成六個具有不同優(yōu)先級的任務，包括系統監(jiān)控、數據處理、接收隊列監(jiān)視、數據發(fā)送、鍵盤輸入和LCD顯示。除了6個主要應用任務外，還有三個中斷服務子程序：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無線通信模塊的數據接收，另一個用于計算機監(jiān)控工作站的數據請求接收）。
2. 任務的同步與調度
通常多任務操作系統的任務不同于一般函數，它是一個無限循環(huán)，而且沒有返回值。如果沒有更高優(yōu)先級的任務進入就緒態(tài)， 當前任務是不會放棄對CPU的使用權的。為了實現操作系統的正常運行和有關事件的同步，必須正確處理任務間的通信和事件標志的設置。
整個系統的軟件設計如圖3所示。
圖3：無線電能參數監(jiān)視系統軟件。
各個任務具有不同的優(yōu)先級，通過調用系統掛起函數或延時函數，可以啟動具有更高優(yōu)先級的進入就緒態(tài)的任務。在設計中，通過對延時參數的設置，系統每隔一定的時鐘節(jié)拍，就啟動接收隊列監(jiān)視任務，定期掃描環(huán)形緩沖區(qū)。一旦發(fā)現讀指針與寫指針不相等時，就將環(huán)形緩沖區(qū)中新接收到的數據存入recvbuf中，同時對收到的數據進行簡單解析，若是ZigBee無線通信模塊傳輸過來數據，則發(fā)送數據處理信號量DataProcSem,數據處理任務接收到信號量啟動運行，完成數據處理分析功能；若是計算機監(jiān)控工作站發(fā)送過來請求幀數據，則發(fā)送數據發(fā)送信號量SendSem,數據發(fā)送任務接收到信號量，啟動運行，完成數據發(fā)送功能。同樣，其他程序模塊功能也是通過任務間的通信與信號量的傳遞來實現，以此來保證時間與任務的同步。
3. 程序流程
圖4為無線電能參數監(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，必須先調用OSInit（）函數，該函數建立了2個任務：空閑任務（在所有其他任務未就緒時運行）和統計任務（計算CPU的利用率）。
圖4：無線電能參數監(jiān)視儀程序流程框圖。
本應用程序中屏蔽了統計任務，OSInit（）函數只建立1個任務，即空閑任務。InitHardware（）函數主要完成系統時鐘設置和UART串口參數初始化；InitPara（）函數完成系統全局變量初始化，然后建立各個應用任務，最后OSStart（）函數將控制權交給μC/OS-II內核，開始運行多任務。
電能參數及溫度測量模塊由于對時間要求比較高，并且程序設計相對簡單，故程序采用基于時間控制的程序流程結構，采用時間狀態(tài)機的編程方法。應用任務劃分為：
電能參數及溫度采集任務、數據發(fā)送任務、空閑睡眠任務。程序開始運行后先初始化系統硬件參數和系統變量參數，然后采集電能參數及溫度并把數據通過ZigBee無線通信模塊發(fā)送給無線電能參數監(jiān)視儀，最后進入空閑睡眠模式。其中數據發(fā)送任務完成時間控制在50ms,包括30ms喚醒等待時間、10ms數據通信時間以及10ms數據通信不成功重發(fā)時間。
四、小結
在電力變壓器在線故障診斷應用中，無線電能參數及溫度測量模塊在線監(jiān)測變壓器負載電流、電壓、功率和泄漏電流、鐵芯入地電流及油溫等參數，并把數據無線傳輸給監(jiān)視儀。監(jiān)視儀處理分析被測參數，并判斷參數變化情況，如果監(jiān)視到頂層油溫、套管出線端子溫度、油箱熱點溫度等溫升速度，以及組間溫度差、鐵芯入地電流等參數超過設定限值，將輸出變壓器監(jiān)測參數異常報警開關量給聲、光報警顯示器，通知運行人員注意。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，從而保證高壓設備安全、穩(wěn)定運行。