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基于无线通信的电力线路数据采集系统的研究


现代仪器(www.moderninstrs.org.cn)

基于无线通信的电力线路数据采集系统的研究
汤文王毅谢将剑
(北京交通大学电气工程学院北京1 00044) 摘要 本文介绍一种电力线路数据采集系统的设计方案,该方案中采用无线通信技术。 系统采用模块化设计,电量采集发射单元对线路电量参数进行采集,单片机和高速射频 芯片保证数据采集传输的高速、高效和高可靠性;用户界面单元通过数据接收模块与计 算机之间串行通信,实现实时监测,有着广泛的应用前景。 关键词 无线通信 数据采集 单片机mRF2401 在电力线路上需要监测的点安装电量采集发射 单元,通过其中的电压电流互感器采集波形,所有 的电量采集单元通过无线通信接口与监测计算机进 行数据通信(见图1)。

引言
我国10kV的电力系统大多采用中性点不接地 系统或经消弧线圈接地的运行方式,即为小电流接 地系统。单相接地是电力系统最常见的故障,由于 接地电流小等原因检测起来困难很多。该类型故障 的定位一直是困扰电力部门线路维护人员的难题。 故障指示器是目前应用较多的一种产品,当供电线 路有短路或接地故障发生时,安装在架空线上的故 障指示器的传感器检测出电流电压突变信号。故障 指示器内部CPU对信号进行分析比较运算后,进 行翻牌显示(转红),达到设定时间能自动复位, 恢复初始指示状态。工作人员通过报警指示信号, 能够迅速准确地找到电力线路故障位置而及时排 除。然而,在应用过程中,发现部分故障指示器不 能正确动作,甚至误动作。究其原因,是由于故障 指示器动作值整定不合理,整定值太高,发生故障 时指示器不动作;整定值太低,指示器误动作。因

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l电流互盛器蚓饥I
J模
电量采簟发射单元

无 线 接 收 模 块

监 测 计 算 机

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图1

数据采集系统结构框图

1.1主要器件 微处理器选用Microchip公司的PICl6LF818 单片机,是一种带1.75K字节闪存(FLASH)的低 电压、高性能的8位单片机。PICl6LF818自带
128KB

RAM、8位可编程I/O线、两个8位,一个

16位定时器/计数器、可编程串行通道、低功耗 闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路。它能 对波形信号进行采样、转换、处理、存储,并通过 SPI串行通信模块响应来自PC机的命令及向PC 机传输数据。PICl6F818单片机的指令处理速度能 够达到8MHz,内部集成5通道的lo位A/D采样 转换模块,此A/D转换模块属于逐次逼近式A/D 转换,具有转换速度快、精度高等特点,非常适用 于实时数据采集。另外,单片机内部的SPI串行通 信模块实现数据接收模块与上位机的同步通信,将 实时信息传送至上位机进行处理【2】。 无线射频芯片选用挪威Nordic公司推出的单 片无线收发一体芯片nRF2401,芯片工作于2.4~2.5 GHz的ISM(工业、科学和医疗)频段,芯片内置 频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等 功能模块,具有GFSK调制和解调能力,工作电

此,为研究发生故障时电力线路中的故障参数,更
加准确地设定故障指示器的整定值,需要研制一套 电力线路数据采集系统,收集输电线路正常工作时 和发生故障时的参数。本系统的应用,将有助于了 解线路的实际运行情况,提高故障指示器的动作准 确性,便于分析故障时的参数。 本文设计一种电力线路数据采集系统,运用无 线射频芯片将电力线路参数值传输给计算机终端处

理,实现对电力线路电参数的数据采集。


电力线路数据采集系统组成
电力线路数据采集系统分为两个部分:(1)安

装在电力线路上的电量采集发射单元,包含电压、 电流互感器、单片机和无线通信接口。(2)放置在 电力线路附近的监测计算机、无线通信单元。
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压1.9~3.6V,低功耗,抗干扰能力强¨j。

万方数据

研制与开发
单片机内部A/D转换只能接受正电平,所以 需使用运算放大器抬升电平。所选用的MC33202 是双通道运放,工作电压低,输入和输出满幅值, 具有噪声低、失真低、转换速度(压摆率)高及驱 动能力大的性能。 1.2硬件结构 电力线路上悬挂的电压、电流互感器分别与双 通道运算放大器MC33202的两个输入端口连接, 使输入的波形抬升到零值以上,以便单片机中进行 AD转换。波形抬升的幅度可由输入端连接的电位 器调节。波形在运算放大器的抬升后,从单片机的 RA0和RAl口输入。 单片机SPI串行接口与无线射频芯片的接口连 接,SDI和SDO口接DATA端,完成单片机与无 线射频芯片的数据交换;CE、CS、PWR口完成射 频芯片的模式控制,CLKl口作为时钟信号的输入 口,DRl口传输的信号表示接收信号已准备。单 片机与射频芯片连接原理图(见图2)。
l耵l— P,AO船0 SDI l耵3一 卧l 诹l
DATA cs CLXl

部的AD转换器,将模拟信号转换成数字信号,保 存在单片机缓存中。(2)单片机主程序:单片机主 程序包括初始化模块和数据传输模块。初始化模块 完成对单片机和无线通信接口的初始化和参数设 定,无线射频芯片设为发送和接收状态,设置接收 端的地址。发送端单片机把地址和缓存中的数据通 过SPI串行接口传输到无线射频芯片,射频芯片自 动对数据打包(加字头、CRC校验码),高速发射 数据包。接收端单片机接收到数据包后,进行数 据校验,校验无误后,向监测计算机发送正确数据 包,响应计算机命令。发送的数据应符合通信协议 才能被识别,即要给数据加上字头、数据长度及 CRC校验等,使其成为程序能够辨识的数据。主 程序流程(见图3)。

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图2连接原理图

电量采集发射单元上电后,对射频芯片进行配
置,确定工作频率、通道、输出功率和输出时钟频 率等参数。配置完成后,射频芯片置于发送模式。 在接收端,通过计算机的用户界面控件对接收模块 进行配置。 接收端的单片机通过USB接口芯片与计算机 连接,完成模式配置、数据传输等功能。USB接 口芯片采用的是Philips公司的PDIUSBDl2。比起 其它接口,USB接口传输有传输速度快,成本低, 使用方便,能耗小等优点。


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图3

<逗》 由
主程序流程图

2.2无线通信单元软件 无线通信单元完成设定nRF2401工作模式#

控制nRF2401将来自串行接口的数据发送出去;
控制接收和处理nRF2401接收到的数据,并传送 到串行接口。程序流程(见图4)。 2.3用户图形界面软件 用户图形界面软件采用Visual c++编写,窗 口化界面,图形显示,操作简单,功能齐全。程序 加载时实现对计算机串口初始化;可以配置接收端 地址,显示收到的数据和模拟波形,并把数据保存 为文本。 在应用程序测试实验中,用信号发生器在数据 采集系统的发射端输入不同的波形,分别为方波, 正弦波和锯齿波,在单片机中进行采样,然后转换

2系统软件设计
数据采集系统软件设计主要由三个部分组成: (1)电量采集发射单元的单片机软件。(2)无线通

信单元软件。(3)监测计算机的用户图形界面软件。
2.1单片机软件 电量采集发射单元的单片机软件主要有两个程 序模块组成。(1)AD转换程序:互感器输出的模

拟波形经过运算放大器的电平抬升,输入单片机内

成数字量,由发射芯片发射出来,在接收端,再把
65

万方数据

现代仪器(洲.moderninstrs.org.cn)



初始化

3结束语
本文所设计的电力线路数据采集系统,结构设



<逗奎≥一
匝奎母

计简单,能够完成对电力线路多个状态量的实时采 集,电量采集发射单元与监测计算机之间通过无线 传输方式传送数据。该系统在实验室进行应用程序 测试实验,能够实现数据采集和无线数据传输,但 由于该系统实际应用于电力输电线路等恶劣复杂的



加载戤据



数据打包 上
发送数据

<≤≥}
传送数据到计算圳
I.

环境,所以还需要对无线数据通信的抗干扰等方面
进一步加以研究。另外,由于射频芯片的功率限制, 现在所能达到的最大传输距离在50m左右,还需 进一步提高数据的有效传输距离。本文所设计的电 力线路数据采集系统既可以作为一个单独的数据采 集系统,也可以和其他监测系统组合构成电力线路 状态监测装置。 参考文献
1 Nordic Semiconductor.nRF2401 Product Specification, Revision

≤ 毒型
,’

<≤童≥一


一,











图4

流程图

a.发送流程图t b.接收流程图

两路数据分开来显示在图像区域(见图5,6)。

1.1[Z】.2006 Sheet[Z],Microchip
Technology Inc.

2 PIC 1 6F8 1 8/8 1 9 Data 2003

3窦振中.PIC系列单片机原理和程序设计[M】,北京:北 京航空航天大学出版社,1998 4张筠莉,刘书智.Visual c++实践与提高——串I:1通信与 工程应用篇[M】,北京:中国铁道出版社,2006 5王成儒,李英伟.USB 2.0原理与工程开发【M】,北京: 国防工业出版社,2004 6张伟,王力,赵晶等.ProtelDXP入门与提高【M】,北京: 人民邮电出版社,2004 7金永福,王黎钦.一个无线数据采集系统的设计与实现[J】, 图5方波实验结果 现代电子技术,2004,27(10):96-98 8张亚迪,陈柏超,畅广辉等.一种高速电力系统过电压在 线监测系统的开发[J】,继电器,2007,35(15):39--41 9姚陈果,孙才新.配电网过电压在线监测系统的设计与 实现[J】,电力系统自动化,2004,28(9):74--76 lO蔺祥宇,陈后金,刘志佳等.基于DSP的电力系统故障 图6正弦波和锯齿波实验结果 录波装置设计与实现【J】,仪器仪表用户,2007,14(1):
22-24

Study

on

the data acquisition system based
Tang

011

wireless communication

Wen

Wang Yi

Xie

Jiangjian University,Beijing
on

(School of Electrical
Abstract This paper presents
an

Engineering,Beijing

Jiao Tong

100044)

data acquisition system of power line based

wire—less communication.The

system adopts modularization design,data acquisition and transmission unit acquires electric quantity parameter
of power lines,micro—controller and high-speed RF chip guarantee the high speed,the efficiency,and the reliabil—

ity of data acquisition and transmission;user interface unit can realize real-time monitor by serial communication
between

data

acquisition system and computer.It has wide prospect of application.

Key words
66

Wireless communication

Data acquisition

Micro—controller

nRF240 1

万方数据

基于无线通信的电力线路数据采集系统的研究
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 引用次数: 汤文, 王毅, 谢将剑 北京交通大学电气工程学院,北京,100044 现代仪器 MODERN INSTRUMENTS 2009,15(5) 0次

参考文献(10条) 1.Nordic Semiconductor.nRF2401 Product Specification,Revision 1.1[Z].2006 2.PIC16F818/819 Data Sheet[Z],Microchip Technology Inc.2003 3.窦振中.PIC系列单片机原理和程序设计[M],北京:北京航空航天大学出版社,1998 4.张筠莉,刘书智.Visual C++实践与提高--串口通信与工程应用篇[M],北京:中国铁道出版社,2006 5.王成儒,李英伟.USB 2.0原理与工程开发[M],北京:国防工业出版社,2004 6.张伟,王力,赵晶等.ProtelDXP入门与提高[M],北京:人民邮电出版社,2004 7.金永福,王黎钦.一个无线数据采集系统的设计与实现[J],现代电子技术,2004,27(10):96~98 8.张亚迪,陈柏超,畅广辉等.一种高速电力系统过电压在线监测系统的开发[J],继电器,2007,3505):39~41 9.姚陈果,孙才新.配电网过电压在线监测系统的设计与实现[J],电力系统自动化,2004,28(9):74~76 10.蔺祥宇,陈后金,刘志佳等.基于DSP的电力系统故障录波装置设计与实现[J],仪器仪表用户,2007,14(1):22~24

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