无线传输的电能质量监测系统电路

电能质量的实时监测是提高生产效率、节能减排、安全生产的关键，本文针对东莞高科技产业园对电能质量的要求，提出了一种基于ZigBee无线传感网络的电能质量实时监测系统。该系统不仅具有强大的测量和通信功能，而且具有组网方便、动态拓扑、低成本、大容量、高可靠性的特点，能很好地满足高科技工业园电能质量实时监测的实际需要。

系统概述

系统结构如图1所示，由数据采集节点，ARM9S3C2440控制模块(汇聚节点)、本地上位机、远程监测管理中心组成，数据采集节点分布在每个需要监测的电源点，比如：每台精密加工设备，每台变频调速驱动器，自动化生产线等;S3C2440模块(汇聚节点)分布在离数据采集节点约40 m距离的范围内，本地上位机分布在各厂监控室，远程监测管理中心放置在工业园电力管理中心，各部分的功能如下：

(1)数据采集节点：由电压、电流互感器、信号调理电路、频率同步电路、A/D、DSP及ZigBee模块组成，电压、电流互感器将从电网上得到的电压、电流信号转换成适合A/D转换的交流小信号，经滤波后输入到A/D转换器，DSP读取A/D转换结果并进行相关电能质量参数运算和分析，分析结果通过CC2530无线通信模块传送至ARM控制中心，频率同步电路的作用是减小非同步采样造成的FFT算法中的栅栏效应。

(2)S3C2440模块(汇聚节点)：由ARM9 S3C2440、SDRAM、ZigBee模块、以及看门狗、时钟等外围电路组成。S3C2440模块是系统下位机的管理控制中心，负责数据采集节点和本地上位机之间的通信与数据交换，ZigBee模块作为协调器，负责通信链路及路由的建立以及数据包协议转换等。

(3)本地上位机：本地使用PC作为上位机，完成数据收集、数据分析、结果显示及存储等功能。

(4)远程监测管理中心：远程用户通过互联网接入本地上位机的服务器平台，通过“终端一服务器”的形式完成对本地上位机的操作，从而实现数据和信息的共享。

图1 系统框图

图2 CC2530电路原理图

无线收发器

在常用的无线传感协议中，ZigBee以其覆盖范围宽、容量大、组网简单、网络可自由扩展、联网耗时低、安全、低功耗、低成本等优势受到更多的关注，本系统选用CC2530 ZigBee模块作为无线收发器，CC2530是TI在2009年推出的，在CC2430的基础上根据CC2430实际应用的一些问题做了一些改进，存储容量最大支持到256 KB，可编程的输出功率高达4.5 dBm，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，通信距离最远可以达到400 m，对于中小型工厂，不用外加功放来扩展距离，只需要一个汇聚节点即可满足全厂范围内的电能质量监测，强大的5通道DMA控制器使硬件外设能实现数据的高效传输，从而满足系统实时监测的需求。

CC2530电路原理如图2所示，CC2530与S3C2440通过UART0连接，与DSP通过串口连接。电路中的C251，C261，L1共同作用为 CC2530的内部PA和LNA提供直流偏置，C252，L261和C262，L252分别是LC巴伦电路的低通滤波电路和高通滤波电路，它们负责差分信号和单端信号之间的转换和阻抗匹配，L2，C1，L3是pi型滤波电路。

本文提出的基于无线传感网络的大型工业园电能质量实时监测系统，利用ZigBee无线传输模块实现ARM与DSP之间的通信，省去了复杂的布线环节，节约了大量的精力和成本，在实际组网点对点通信测试中，无线传输模块的室外直线传播距离超过300 m，室内有障碍时传播距离超过40 m，最大传输时延小于80 ms，具有自组网功能。该系统可对电网谐波的有效值、功率及功率因数、谐波畸变率、谐波含有率、电压波动与闪变、三相不平衡度等多种电能质量参数进行测量。系统具有低成本，高可靠性，高容量、组网简单等特点，适用于工业园中自动化生产线精密仪器、设备的电能质量的实时监测，对高科技工业园提高生产效率，节能减排具有实际意义。