基于ZigBee的供电网络用电状态监控系统的研究《自动化仪表与装置》

姜毅龙1，李宗义1，李许军1，秦睿2，陈和平3

（1甘肃机电职业技术学院，甘肃 天水 741001；

2甘肃省电力科学研究院，甘肃 兰州 730050；3天水电气传动研究所，甘肃 天水 741018）

摘要: 对供电网络用电状态的监测是保证电网安全运行的关键。本文设计了一种低成本的基于ZigBee网络用电状态的无线监控方案，该系统以C8051F340为核心处理器，利用电力专用计量芯片ATT7022B采集电压、电流、功率等各项参数,对电网状态进行实时参数检测处理和故障报警，通过ZigBee无线传感技术与监控设备通讯。重点研究了ZigBee无线网络在电力监控方面的应用和采用嵌入式技术设计监控智能终端。系统在性能、结构、功耗以及精度上都优于传统监控设备。 关键词:ZigBee；无线传感；嵌入式技术；ATT7022B；智能终端 中图分类号: TP27 文献标志码：A 文章编号

Research on condition monitoring system for power network based on ZigBee

JIANG Yilong, LI Zongyi，LI Xujun,QIN Rui，CHEN Heping

(1Gansu Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Tianshui 741001, China 2 Gansu Province Electric Power Research Institute，Lanzhou 730050, China

3 Tianshui Institute of Electric Drive, Tianshui 741018, China)

Abstract： The status monitor of power utilization to supply network is the key to ensure safe operation of the power grid. In this paper we proposed a lowcost ZigBee wireless monitor system to monitor the network power utilization, which used C8051F340 as core processor, and utilized special power measurement chip ATT7022B to capture voltage, current , power and so on. In order to realize real-time parameter detection processing and failure warning to the status of power grid, the Zigbee wireless sensor technology and monitoring device communications were applied. The research was mainly focused on the Zigbee wireless sensor in the electric power monitoring and and embedded technology to design intelligent monitor terminal. It was superior to the traditional monitoring equipment on the performance, structure, power consumption and precision.

Keyword：ZigBee；wireless sensor networks；Embedded technology；ATT7022B；monitor End-device

0 引言

随着工业自动化的发展，智能化、网络化的电力参数实时监控是智能供电网络系统实现远程监测发展的必然趋势。电网供电系统中配电变压器是将电能直接分配给低压用户的电力设备，其运行数据是整个配电网基础数据的重要组成部分，因此，对其运行参数与状态进行监测是必要的。目前，我国中低压配电网是以变压器为中心构成的供电网络，主要存在是配电变压器数量众多、分散性大，用电状态监控采用有线通信等问题。针对传统电网监测系统中存在的若干问题，提出了一种基于ZigBee 技术的无线监测系统解决方案，设计采用单片机控制的SPI智能终端，利用

ZigBee/802.15.4智能无线传感局域网络，实现实时监控和集中式管理的系统和智能监控终端设备。系统实现了实时采集、实时控制、实时故障信息报警和实时负荷监测功能。

1 电能质量监控系统的总体设计

1.1 ZigBee智能无线传感网络

本方案中采用ZigBee/802.15.4协议下的智能无线传感局域网络系统构架，由SPI智能监控终端、ZigBee通信网络和协调器三部分构成，监控系统如图1所示。主要完成功能是终端设备对供电网络的电能状态数据采集、检测、实时传输以及监控中心对数据监控。

监控管理 控制中心 互联网 GPRS/CDMA 服务器或集中器 路由器 路由器 ZigBee网络 路由器 XBee模块 XBee模块 单片机 单片机 ATT7022B模块 . . . ATT7022B模块 图1 系统构架原理图

Fig.1 System architecture diagram

1.2 ZigBee通信网络结构设计

ZigBee 是一种低功耗、低速率、低成本、低复杂度的短距离双向无线通信技术，ZigBee协议栈是参考标准的开放系统互连模型而设计的，主要包括物理层、媒质访问控制层、网络层和应用层。物理层和媒质访问控制层规范来自IEEE802.15.4 标准[1-2]。

在本设计中采用网状拓扑结构如图2所示，主要包括三种节点：Coordinator 、Router和End Device，Coordinator 负责接收Router 上传的数据，并将所得到的数据通过串口上传到控制中心。系统各网络节点功能如下：

（1）、监控终端节点：安装数据采样的智能终端设备，进行采样电压、电流、功率、频率、电压波动及噪声干扰等电力参数，并将数据传送给路由节点或者协调器。

（2）、路由节点：起到一个网络延伸拓展的作用，完成监控终端与协调器之间的信息交换。

（3）、协调器节点：采用专用设备和软件控制平台，实现对网络中路由节点或监控终端的数据采集、处理、同步、信息传输和控制。也可以利用远程网络系统将采集的数据发送到更高一级的监控中心，实现远程监控变配电站或用户的电力运行状况[3]。

Coordinator Routerr End Device 协调器 路由器 监控终端 图2 基于ZigBee的网状网络拓补结构

Fig.2 ZigBee-based clustered network topology structure

1.3 智能监控终端装置设计

监控终端的主要作用是采集供电网络电力参数和发送数据，本系统在数据采集部分采用了三相电能专用计量芯片ATT7022B[4]。它能同时测量各相电流、电压有效值、功率、能量、频率等参数，充分满足本监控系统的需求，并且简化软件设计，减少外围电路，缩短了开发周期。

1.3.1硬件设计

智能监控终端主要以C8051F340作为整个系统的控制核心，外围扩展芯片包括信号采集处理、键盘与显示、通讯接口、报警控制执行模块等。系统的结构原理如图3所示，首先电流互感器和电压互感器将采样的电能参数信号送入电能计量芯片ATT7022B，ATT7022B 处理后将数据通过SPI 接口传送至控制器C8051F340中。C8051F340 将接收到的数据式转换后电压、电流、功率、频率等参数送至XBee RF模块。而XBee RF模块通过串口和单片机连接，对接受的数据进行无线发送。

电流 电压 日历 报警显示互感器 互感器 时钟 电路 电路 ATT7022B C8051F340 Xbee 控制模块 控制模块 RF 软件 校正 电源 图3 测量终端原理框图

Fig.3 Measuring terminal block diagram

三相采样电压电流的输入均采用电压互感器方式接入ATT7022B，电压采样电路如图4所示。电流采样

电路中，通过50A/25mA钳型电流互感器转换[5-6]。采样电路实时采集各种电力参数，由ATT7022B对数据

处理完成之后，ATT7022B 通过SPI口和单片机进行通信，图5为ATT7022B与信号采集及通讯连接图。数据

再经过单片机处理后，借助ZigBee智能无线传感局域网络将数据上传到服务器。

图4 电压采集原理图 Fig.4 Voltage acquisition schematic

图5 ATT7022B模块连接图

Fig.5 The module ATT7022B connection diagram

1.3.2 XBee模块的应用接口（API）

本方案中，通讯模块采用XBee OEM RF模块。 XBee OEM RF模块是与ZigBee/IEEE 802.15.4 兼容的解决方案，可以满足低成本低功耗无线传感网络的特殊需求。该模块易于使用，极低的功耗，以及提供设备间关键数据的可靠传输[7]。XBee模块工作在ISM 2.4 GHz频率波段，建立RF通信不需要任何配置，该模块的默认配置支持宽范围的数据系统应用。也可以使用简单AT命令进行高级配置。XBee模块接口电路如图6所示。

图6 XBee模块接口框图

Fig.6 The XBee module interface block diagram

2 监控终端系统软件设计

终端设备的应用层中，单片机完成初始化工作后运行ZigBee协议栈，它将自动完成加入网络、建立邻居表、选择路由等底层操作，应用层在收到成功入网的事件消息后，设置睡眠定时器并开启全局中断，CPU 进入睡眠状态，以节省能量。当定时器溢出时，触发中断将CPU从睡眠状态唤醒，开始执行通信、处理网络事务，采集监测数据，判断是否触发报警电路并向网络协调器发送数据信息。图7为系统初始化程序完成了系统初始化、网络连接、数据传输请求连接等，图8 监控终端系统主程序流程图完成电网数据的采集、处理、分析、存储和传输等。

图7 系统初始化程序 Fig.7 System initialization procedure

图8 监控终端系统主程序流程图

Fig.8 Monitoring terminal system main program flow chart

3 系统校准

ATT7022B支持全数字校表即软件校表，经过校正的仪表有功精度可高达0.5s无功精度2级，功率校正主要分比差校正和角差校正两部分，比差校正主要是对互感器的比差进行修正，互感器比差的非线性在高精度计量时也是不可忽视的，ATT7022B可以将比差进行分段补偿，ATT7022B提供寄存器Iregchg[8]。 3.1电流校正

在Igain=0时，标准表上读出实际输入电流有效值Ir，通过SPI口读出测量电流有效值寄存器的值为DataI ，校准算法：

实际输入电流有效值Ir

测量电流有效值IrmsDataI*210/223 IgainIr/Irms-1

如果Igain>=0则IgainINT[Igain*223]

否则Igain<0则IgainINT[244Igain*223] 3.2电压校正

在Ugain=0，时标准表上读出实际输入电压有效值Ur，通过SPI口读出测量电压有效值寄存器的值为DataU。校准算法：

实际输入电压有效值Ur

测量电压有效值UrmsDataU*210/223 UgainUr/Urms-1

如果Ugain>=0则UgainINT[Ugain*223]

否则Ugain<0则UgainINT[224Ugain*223] 3.3功率增益校正

在功率因数cos()=1时进行功率增益校正。如果设定寄存器Iregchg不为0，则必须分别在I>Irechg以及IIrechg处校正的为Pgain0，而I标准表上读出误差err，

Pgainerr1err 如果Pgain>=0，则PgainINT[Pgain*223]

否则Pgain<0则PgainINT[224Pgain*223 误差err可以从标准表上直接读到，也可以计算得，err按照以下公式定义：

errATT7022测量能量-真是能量真是能量100%

4样机仿真测试结果和结论

在开启谐波电压测试的条件下，为了提高电压信号的分辨率，在ATT7022B中将电压校正到400V以上，最后由单片机处理成实际的电压信号。试验以U=220V单相表为例，输入U=220V电压时，通过电压校正使ATT7022B的输出端为400V，在单片机中将测试的信号除以2，得到最后的测量值220V。若输入U=100V电压时，电压校正输出端为400V，在单片机中将测试的信号除以4，得到最后的测量值100V。样机以单相表为实验对象，样机如图9所示，通过对电压输入端和输出端的多次测试分析，分析结果见表表1：

图9终端设备样机

Fig.9 Terminal equipment prototype 表1校表后测量值与实际值比较

Tab.1 The measurements are compared with the actual value 测量 次数

1

2

3

4

5

输入值 测量值 绝对误差（%） 测量 次数 输入值 测量值 绝对误100.125 100.179 0.072

123.426 123.528 0.083

133.859 133.773 0.064

140.667 140.539 0.091

159.534 159.625 0.057

陈和平（1968-）男，高级工程师，主要研究方向为工厂供电.

基金项目：天水市科技支撑计划项目，项目编号：201009

作者简介：姜毅龙（1966－），男，副教授，主要从电气自动化、单片机嵌入式技术。

＊通讯作者：westjyl@126.com

6

168.234 168.382 0.088

7

175.349 175.216 0.076

9

190.218 190.081 0.072

10

209.428 209.625 0.094

10

219.964 220.146 0.083

差（%）

5结束语

应用ZigBee无线传输供电系统电力参数的设计和终端设备，实现了供电网络用电状态的无线实时监控。通过对终端样机的实验，表明了该设备的测量精度误差小于0.1%，它符合配电变压器实时监控的要求,对于监控设备分散的铁路、油田、农村等电网更有实用意义。

参考文献：

[1] 李文仲，段朝玉.ZigBee 无线网络技术入门与实践[M]．北京航空航天大学出版社．

[2]顾瑞红,张宏科.基于zigBee的无线网络技术及其应用[J]，电子技术应用，2005.31(6):1-3.

[3]冯驰，刘希胜基于.ZigBee的无线环境监测网络设计[J]，应用科技,2009,36(5):39-42.

[4]屈百达，张瑞占，张善理.基于ATT7022B 提高三相电能表的精度[J].江南大学学报(自然科学版),2009,10(5): 547-550.

[5] 裴学元,浦秋棣. ECCT—1型精密钳形电流互感器[J],电测与仪表,1999,07:13-16.

[6] 杜婧,孙志锋；一种基于STM32 的电力参数实时监控系统设计[J]，2010年中国通信学术会议，2010,10,13. [7] XBee/XBee-PRO ZB OEM RF Modules功能手册[Z]. [8] 珠海炬力集成电路设计有限公司. ATT7022B用户手册V1.04[Z].

作者简介:

姜毅龙（1966－），男，副教授，主要研究方向为电气自动化、单片机嵌入式技术。

李宗义（1960-），男，教授，研究生导师，主要研究方为向先进制造和CAD\\CAE。

李许军（1981-），男，讲师，主要研究方向为电气自动化。 秦睿（1967-），男，工程师，主要从研究方向为电力系统运行与分析。