35 kV风电场电源开关自愈系统设计

狄巨星，贾玉贵，杨　阳，付江龙

(1.河北建筑工程学院信息工程学院，河北张家口075024；2.河北建筑工程学院能源与环境工程学院，河北张家口075024)

35 kV风电场电源开关自愈系统设计

狄巨星1，贾玉贵2，杨阳1，付江龙1

(1.河北建筑工程学院信息工程学院，河北张家口075024；2.河北建筑工程学院能源与环境工程学院，河北张家口075024)

针对风电场的智能化建设，设计了一个用于风电场35 kV变电站温度感应电源自动闭合及远程数据监控的系统。系统选用C8051F124单片机作为MCU，CC2530作为无线通信模块，用继电器作为控制电路核心控制电源的自动闭合，并对电源产生电路进行了功耗分析。对于软件实现提出了基于令牌的动态区域首领节点选择策略，该算法在一定程度上平衡了节点负载信息的传输量。

电源控制；远程监控；继电器；ZigBee技术；负载均衡

风能是可再生环保能源，近些年得到广泛使用，风电场的智能化建设也成为风电技术的重要发展方向。本文针对华北地区风电场35 kV变电站电源，基于ZigBee技术和无线传感器网络设计了一个智能化电源控制系统。主要实现当变电站局域温度超过门限值时实现开关柜中对应电源的自动关闭，避免供电设备因温度太高工作异常，起到保护作用，并且系统可在温度降低到门限值之下时控制电源自动打开，实现电源智能“自愈”功能。此外，该系统可将变电站电源系统的电压、电流和温度等参数传给远程PC端进行实时监控。

1　系统结构和功能

1.1电源控制系统结构架构

风电场35 kV变电站电源自动闭合控制系统如图1所示，系统利用ZigBee技术在变电站开关柜控制的区域搭建基于星型的ZigBee无线传感器网络。在每个电源控制的局部区域放置一个ZigBee终端设备，在电源开关柜附近放置一个ZigBee协调设备。ZigBee终端节点和协调器通过无线自组织方式构成一个无线传感器网络[1]。ZigBee终端设备主要负责将采集的温度数据发送给网络协调器，放置于开关柜的协调器主要负责对温度数据进行处理，并根据电源自动闭合的温度门限要求对相应的电源进行控制。

图1　35 kV风电场电源自动闭合控制系统

1.2变电站监控系统网络结构

由于变电站的强辐射性及低安全性，变电站监控系统为工作人员提供了远程监控变电站实时数据的功能。监控系统网络结构如图2所示，ZigBee终端设备将供电区域采集到的电压、电流以及温度数据发送给网络协调器，网络协调器将数据发往网关，网关主要作用是通过Internet或者移动网络与远程监控端进行通信[2]，将变电站现场数据实时显示给工作人员，并在相关数据高于一定门限值时发出报警信息。

图2　变电站监控系统网络结构

2　电源控制系统硬件设计及软件设计

2.1ZigBee协调节点硬件结构及选型

ZigBee协调节点硬件结构图如图3所示，主要包括电压、电流和温度传感器模块负责采集数据；微处理器作为系统的主控单元通过I/O口向控制电路发送高低电平从而通过继电器电路控制电源开关，继电器电路可关闭和打开负载设备和电源之间的连接[3]，从而保护后台设备，蜂鸣器在温度过高时发出报警鸣声；无线射频模块主要将监控数据发送到汇聚节点，并通过网络发送到监控端。ZigBee协调节点安装在变电站开关柜附近来控制各个供电区域的电源开关的自动闭合。

图3　ZigBee协调节点硬件结构图

2.1.1控制电路优化

为保持系统的稳定运行，各节点采用单独直流供电，这要求对系统的节能部分进行优化。系统采用MOS管Dickson倍压电路作为电源产生电路，对倍压电路进行了优化。

系统电源电路的总功耗为两个MOS管亚阈值工作区的功耗、强反型区的功耗和MOS管泄漏电流的功耗。

优化后可忽略两个MOS管亚阈值工作区的功耗损失，则：

2.1.2微处理器模块

该系统微处理器选择Silicon Labs公司的C8051F124单片机作为主控单元，该单片机体积小便于封装，具有50 MIPS的CPU，12位的ADC，片内集成JTAG，支持单步运行等调试功能，可通过仿真器连接到终端，为在线调试提供便利。

微处理器模块是ZigBee协调节点的核心模块，主要负责对终端节点采集的数据进行计算处理，并通过I/O接口向控制电路发送命令。

2.1.3ZigBee无线通信模块

该模块选用 TI公司的基于 IEEE802.15.4标准的CC2530芯片，低功耗、RF收发器支持2.4 GHz免授权频段的16个信道、支持CSMA/CA机制、具有与8051完全兼容的指令内核，可降低微处理器的工作负担、采用3线SPI接口，我们设计的系统通过SPI接口与微处理器进行数据传输。相比于CC2430，CC2530在能耗、功能、封装尺寸以及RF性能等方面都有了显著改善。

2.2ZigBee终端节点硬件结构

该系统的传感器节点有ZigBee协调节点和ZigBee终端节点两类。ZigBee终端节点主要通过使用电压传感器、电流传感器和温度传感器负责电压、电流以及温度数据的采集，并通过无线通信模块将数据发送给ZigBee协调节点。所以该节点相对于ZigBee协调节点结构得以简化，不需要MCU进行数据处理。利用CC2530内置ADC进行模数转换，RF模块基于ZigBee底层协议进行调制后，经外置天线发送给ZigBee协调节点，其硬件结构图4所示。

图4　ZigBee终端节点硬件结构图

2.3系统软件设计

ZigBee协调节点主要有三个作用，首先作为协调器负责WSN网络的建立；其次作为路由节点和网关进行数据通信，将变电站的实时数据发送给网关；再次将用户的温度调节数据发送给MCU，经MCU处理后对电源开关柜的相应开关进行自动闭合的控制。ZigBee协调节点的工作处理流程图如图5所示。

对于协调器节点的选择，我们提出了基于令牌的动态区域首领节点选择策略，设定一个阈值pn，其中T为本节点距上次首领节点的跳数，N表示该节点拥有令牌的次数，n表示本网络内节点数。pn最大的节点将获得令牌，成为下一个区域首领节点。该算法在一定程度上平衡了节点负载信息的传输量[5]。

图5　ZigBee协调节点软件流程图

3　结语

综上所述，本文设计的用于风电场35 kV变电站电源自愈系统主要有两个功能：一是通过温度感应实现电源开关的自动闭合，二是实现远程实时数据监控。该系统选用C8051F124单片机作为MCU，CC2530作为无线通信模块，用继电器作为控制电路核心控制电源的自动闭合，并对电源产生电路进行了功耗分析。对于软件实现协调器节点的选择提出了基于令牌的动态区域首领节点选择策略。系统实现简单，硬件成本较低，可提升变电站运行效率，实现变电站开关控制的智能化。

[1]杜朝军，刘惠，刘传益，等.ZigBee技术原理与实战[M].北京:机械工业出版社，2015:23-25.

[2]章伟聪，俞新武，李衷成.基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用，2011，20(7):184-187.

[3]张天伟，马存宝，宋东，等.一种新的航空电源监控电路设计[J].仪器仪表学报，2002，23(z1):105-106.

[4]狄巨星，赵建光，范晶晶，等.车辆管理RFID标签电源低功耗研究[J].电源技术，2013，37(7):1233-1234.

[5]张振川，张新秀.基于负载均衡的无线传感器网络路由算法[J].东北大学学报，2010，31(10):1385-1388.

Design of power switch self-healing system for 35 kV wind farm

DI Ju-xing1，JIA Yu-gui2，YANG Yang1，FU Jiang-long1
(1.School of Information Engineering，Hebei University of Architecture，Zhangjiakou Hebei 075024，China; 2.School of Energy and Environmental Engineering，Hebei University of Architecture，Zhangjiakou Hebei 075024，China)

Aiming at the intelligent construction of wind farm，a power switch self-healing system was designed for 35 kV wind farm， which could also be used for remote data monitoring.C8051F124 SCM was chosen as MCU，CC2530 as wireless communication module and electric relay as the core module to control the circuit.In addition，the power consumption of the power generation circuit was analyzed， and a dynamic region leader node selection strategy based on token was put forward，which balanced the transmission capacity of node load information.

power switch control;remote monitoring;electric relay;ZigBee technology;load balance

TM 614

A

1002-087 X(2016)10-2020-03

2016-08-11

2013年度校基金重点项目(Z-201318)；河北省教育厅青年基金项目(QN20131148)

狄巨星(1971—)，男，河北省人，工程硕士，教授，主要研究方向为计算机应用、工业过程控制、嵌入式系统开发。

贾玉贵(1973—)，男，河北省人，副教授，硕士，主要研究方向为建筑节能与能源综合利用。