一种基于无线传感器的变压器局部放电在线检测系统及方法与流程

本发明属于带电检测技术领域。

背景技术：

实际变电站现场中，监测变压器相距很远、有大量的测量线不易布线。

无线传感器网络是一个集计算机技术、无线通信技术等多功能、自组织的网络系统结构。通过采集和处理覆盖无线传感器区域的数据，传送给服务器终端，将大量的有效可靠的信息传送给用户。

目前，无线短距离通信主要有蓝牙和wi-fi三种。蓝牙传输距离较短、抗干扰和安全性较低，而wi-fi协议栈占的内存大，耗电量大且复杂。

技术实现要素：

本发明是为了解决实际变电站现场中，监测变压器相距很远、有大量的测量线的问题，现提供一种基于无线传感器的变压器局部放电在线检测系统及方法以解决上述问题。

一种基于无线传感器的变压器局部放电在线检测系统，包括以下单元：

数据采集单元：利用传感器采集变压器的各个状态量信息，所述状态量信息为电流信号或电压信号；

数据传输单元：利用zigbee无线通信协议将采集的状态量信息发送至上位机。

数据传输单元包括：多个终端节点、多个路由器节点和一个协调器节点；

终端节点用于驱动传感器采集变压器的各个状态量信息、并将采集的状态量信息上传至路由器节点，

协调器节点通过无线方式从路由器节点中获取状态量信息并发送至上位机。

协调器节点包括无线通信模块、电源模块和串口通信模块；

电源模块用于为无线通信模块和串口通信模块供电，

无线通信模块用于通过无线方式从路由器节点中获取状态量信息，

串口通信模块用于将状态量信息从无线通信模块发送至上位机中。

无线通信模块为cc2530芯片，串口通信模块为sp3232芯片。

数据采集单元中所述传感器为超声波传感器和特高频传感器。

一种基于无线传感器的变压器局部放电在线检测方法，包括以下步骤：

数据采集步骤：利用传感器采集变压器的各个状态量信息，所述状态量信息为电流信号或电压信号；

数据传输步骤：利用zigbee无线通信协议将采集的状态量信息发送至上位机。

检测步骤：检测状态量信息中是否含有异常信号，

状态判断步骤：当状态量信息中含有异常信号时，调取异常信号进行分析，根据分析结果判断当前变压器状态是否异常。

本发明的有益效果是：

本发明通过超声传感器、特高频传感器采集变压器数据，利用无线通信协议将数据传输到后台。后台人员随时调取异常信号数据进行分析，最后得出结论。利用本发明解决了测量变压器局部放电的及时性、现场有线测量布线问题以及避免了监测变压器相距很远的问题。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种基于无线传感器的变压器局部放电在线检测系统的原理示意图；

图2为节点硬件组成结构示意图；

图3为cc2530芯片的电路结构示意图；

图4为zigbee网络组建流程图；

图5为具体实施方式二所述的一种基于无线传感器的变压器局部放电在线检测方法的流程图。

具体实施方式

zigbee技术的基础是ieee802.15.4国际标准协议。ieee802.15.4协议栈是基于标准的osi七层模式，它定义了最下面两层即物理层(phy)和介质接入控制层(mac)。zigbee联盟制定了网络层、安全层以及应用程序接口等作为zigbee的协议栈。安全层(security)主要进行密钥的管理、存储和读取等任务。应用程序接口包括应用子层支持(applicationsub-layersupport，aps)、zigbee设备对象(zigbeedeviceobject，zdo)等，给用户提供一些应用软件接口，来进行对设备的管理。物理层给mac层和物理无线信道之间提供接口，物理层里面的管理实体(plme)是负责调用管理服务接口，也是进行维护内部的pan信息库(phypib)。

无线网络通信技术zigbee的频率范围是869/915mhz和2.4ghz，根据ieee802.15.4国际标准协议规定，定义了869/915mhz物理层和2.4ghz物理层这两个标准，它们都是基于直接序列扩频(dsss)技术，相同点在于都使用相同的物理层数据包格式，不同点是工作频率、调制技术和传输速率不一样。直接序列扩频技术主要是在发射端把高速率扩展序列来进行频谱的信号扩展，同时在接收端解扩这些序列，变为原始的信号。dsss是通过伪噪声序列来进行载波调制，将数据通过信道编码生成复合码来达到调制载波目的。zigbee技术具有很强的自组网功能，网络拓扑结构包括星型、树型和网状型拓扑。星型网络具有拓扑简单，抗干扰能力强等特点，适合应用于变电站。

故低功率、低成本、内部结构简单、传输距离较近的zigbee更适合应用于电磁环境复杂，电压等级较高的变电站。本申请利用zigbee技术以解决在实际变电站现场中，有大量的测量线，造成现场布线困难的问题。

具体实施方式一：参照图1至图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于无线传感器的变压器局部放电在线检测系统，通过无线通信协议，避免了有线数据传输。通过组建zigbee无线传感器网络对变电站内主要变压器的局部放电进行采集监测，并通过数据终端存储，以备随时调用。监测系统可分为以下三个部分：

(1)基于传感器终端节点的无线数据采集，主要部分是终端节点通过固定在变压器上的传感器对信号进行采集，终端节点配置超声传感器和特高频传感器，实现对变压器内部局部放电量的采集。

(2)基于zigbee技术的组网、无线数据传输，这部分主要实现将终端节点能采集到的数据通过无线网络传送到协调器节点，再由协调器节点汇聚后最终通过串口发送至信息终端，以备随时调用分析。

(3)基于labview的上位机监测界面部分。这部分功能主要是将通过串口接收网络传送过来的数据，以数据的方式用上位机界面显示出来，还设计了数据异常报警提示及数据存储功能。

具体结构包括以下单元：数据采集单元：利用超声波传感器和特高频传感器采集变压器的各个状态量信息，所述状态量信息为电流信号或电压信号；数据传输单元：利用zigbee无线通信协议将采集的状态量信息发送至上位机。

所述数据传输单元包括：多个终端节点、多个路由器节点和一个协调器节点；

终端节点由于需要驱动传感器对变压器的各个状态量信息进行采集，因此需在协调器和路由器的基础上配置用于检测局部放电的传感器，但由于终端节点的重要工作是负责采集数据并向上层网络发送，因此为了节省硬件成本也可以免去不必要的串口模块部分。终端节点用于驱动传感器采集变压器的各个状态量信息、并将采集的状态量信息上传至路由器节点，协调器节点通过无线方式从路由器节点中获取状态量信息并发送至上位机。路由器节点和协调节点基本采用相同的硬件设计，其实现的功能依据编译的软件不同而不同。但由于路由器节点不承担与pc机的串口通信工作，所以不包含串口通信模块的设计。

协调器节点包括无线通信模块、电源模块和串口通信模块；电源模块用于为无线通信模块和串口通信模块供电，无线通信模块用于通过无线方式从路由器节点中获取状态量信息，串口通信模块用于将状态量信息从无线通信模块发送至上位机中。

无线通信模块为cc2530芯片，包含晶振时钟电路、射频输入、输出匹配电路、电源电路、接口扩展电路和抗干扰电路，如图2所示。cc2530芯片是基于zigbee协议基础上的新一代的soc芯片和真正的片上系统芯片，其免费支持ieee802.15.4标准，并适用于符合zigbee标准应用的z-stack协议栈，它将以无线射频芯片和微处理芯片集成起来，片内集成了一个高性能的rf发收器、增强型8051mcu、系统内可编程闪存、8kbram以及其他的强大功能。它还拥有一套广泛的外设，包括2个usart、高精度为14位的adc和21个通用扩展gpio，以及其他外围设备。cc2530具有多种工作模式，使得它尤其适用于系统低功耗的要求，并且工作模式间的转换时间极短，这进一步保证了系统运行的低功耗。基于上述优点，本课题在硬件设计中选择了cc2530芯片作为主控芯片，进行系统各个电路的硬件模块设计。cc2530芯片硬件设计如图3所示。

串口通信模块为sp3232芯片，收发器采用rs232芯片。sp3232芯片内具有一个特有的电荷泵电路，使得它可以从+3.0v-+5.5v的电源电压中产生符合rs232的电压电平信号。本系统在设计中采用sp3232芯片来实现与pc端的串行通信。sp3232系列芯片是rs232收发器专门针对便携式或是手提式设备的一种解决方案，sp232具有低功耗的特点，在关断模式下的电流只有1ua，能够极大的减少功耗并延长便携设备的电池寿命，sp3232的这种低功耗的优点使得它非常符合无线传感器节点低功耗的设计要求。

zigbee网络的组建只能由协调器设备来实现，并且在一个zigbee网络中有且只能有一个协调器节点。协调器设备的应用层调用nlme_network_formation.request原语，发出建立网络请求，网络层收到这个原语就要求mac层执行能量扫描检测扫描，以此来选择可接受的信道，然后会在所有可接受的信道上执行主动扫描，同时检查pan描述符来选择准备在其上建立新网络的最佳信道，若网络层管理实体查找到了合适的信道，nlme则会随机为新网络选择一个pan标识符，即可以识别一个特定的zigbee网络的网络号。pan描述符确定好后，网络层管理实体将对网络进行相关的参数配置。网络参数配置好后，网络层管理实体通过调用mlme_start.request原语通知mac层启动并运行新网络，并将启动状态通过mlme_start.confirm原语通知上层协调器初始化状态。至此由zigbee协调器成功建立起新网络。新网络组建好之后，zigbee节点就可以加入这个网络。子节点通过调用nlme-netwwork-discovery.request原语来启动加入网络的过程，子节点网络层收到这个原语后将请求mac层执行主动或被动的扫描，从扫描得到的信标信息中选择一个合适的网络执行mac层的连接加入过程。mac层一旦完成了扫描将通过发送mlme-scan.confirm原语告知网络层，网络层再通过发送nlme-network-discovery.confurm原语来告知应用层。应用层在收到该原语后，将调用nlme-join.request原语，选择加入所发现的网络，此时子节点已经选择好了一个加入网络的最优上层节点。确定好合适的上层节点之后网络层将调用mlme_associate.request原语到mac层，请求mac关联尝试通过该父节点加入网络，上层节点通过mlme_associate.indication原语通知网络层管理实体有一个节点正尝试加入网络，网络层管理实体将搜索它的邻居表查看是否有一个与尝试加入节点相匹配的64位扩展地址，以便确定该节点是否已经存在于它的网络。如果有匹配的扩展地址，网络层管理实体获取相应的16位网络地址并发送一个连接响应到mac层。如果没有匹配的扩展地址，在上层节点的地址分配空间还没有耗尽的条件下网络层管理实体将为尝试加入的节点分配一个16位网络地址。如果上层节点地址分配空间耗尽，将拒绝子节点加入请求。当同意子节点加入网络的请求后，上层节点网络层管理实体将使用加入节点的信息在邻居表中产生一个新的项，并通过mlme_associate.request原语通知mac层连接成功。子节点接收到上层节点发送的连接成功信息，将发送一个传输成功响应信息以确认接收，然后子节点mac层将通过调用mlme_associate.confurm原语来通知网络层，该原语包含了上层节点为子节点分配的网内唯一的16位网络地址，网络层管理实体将设置邻居表相应邻居设备为它的上层设备，并通过nlme_join.confirm原语来通知上层节点已经成功加入网络。上层节点接收到子节点的入网成功响应信息后，将通过mlme_comm_status.indication原语将传输成功的响应状态发送给网络层，网络层管理实体通过调用nlme_join.indication原语来通知上层一个节点已经加入网络。组建网络流程图如图4。

具体实施方式二：参照图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于无线传感器的变压器局部放电在线检测方法，

数据采集步骤：利用传感器采集变压器的各个状态量信息，所述状态量信息为电流信号或电压信号；具体地，通过软件编程对无线传感器网络终端节点的局部放电传感器进行控制，从而实现对变压器局部放电的检测信号的采集。

数据传输步骤：利用zigbee无线通信协议将采集的状态量信息发送至上位机；

检测步骤：利用labview开发环境从采集的数据中提取有效信息，检测状态量信息中是否含有异常信号；

状态判断步骤：设置异常信号报警门槛，后台人员提取数据进行分析，当状态量信息中含有异常信号时，调取异常信号进行分析，根据分析结果最后得出变压器是否有局部放电缺陷。

根据上述具体实施方式可见，本发明具有以下优点：

(1)首先通过选择无线通信技术的方式，选定zigbee技术作为本发明的主要通讯手段，利用无线通信收集局放传感器采集的局放信号，通过网络传输给远端监控平台。利用监控平台实现数据传输，避免了有行程距离远，人员舟车劳顿，以及人力成本、物力、财力的大量浪费。

(2)本发明选定zigbee技术，可以实现低功耗、低数据速率、低成本、低复杂程度的数据通讯要求。通过构建星形、树形或者网形的拓扑结构来扩大通讯距离和网络的覆盖范围，非常适合数据采集，是自动化无线检测领域使用最多的无线组网方式。利用zigbee技术实现短距离数据采集，结合互联网技术实现远距离监控是本发明最大特点。

(3)将本发明应用于带电检测中避免了电缆布线和铺设的繁琐工作，极大的减轻了施工的工作量，并且由于数据通过无线进行通信，避免了电缆的使用，减少布线冲突，实现了对不方便布线的区域进行监测。

(4)本发明在数据传输过程中采用aes-128加密算法，能够保证数据的保密性。而zigbee无线传感器网络自身拥有的健壮性，使当某节点出现故障后，不至于造成整个网络瘫痪，同时大大提高了网络通信的可靠性。在变电站强电磁干扰的环境下，保证数据传输的可靠性。