楊　永

（淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院，江蘇淮安223003）

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基于ZigBee的無線電壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

楊永*

（淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院，江蘇淮安223003）

摘要：提出了一種基于ZigBee無線傳輸?shù)牡统杀緹o線電壓監(jiān)測系統(tǒng)，并設(shè)計了一種新的浮動電壓傳感器，適用于中壓和高壓（MV/HV）公共設(shè)備監(jiān)測。該系統(tǒng)使用TI-CC2530為控制器并通過合理的假設(shè)提出了一種新的移動平均電壓傳感（MAVS）算法，并對其單相和三相電壓應(yīng)用算法進(jìn)行了理論分析。最后在高達(dá)30 kV的電壓下對無線浮動電壓傳感器進(jìn)行了實際實驗，實驗結(jié)果顯示提出的低成本無線電壓傳感器可以很好的實現(xiàn)電壓監(jiān)測功能，誤差低于3%。

關(guān)鍵詞：電壓監(jiān)測；電壓傳感器；ZigBee；MAVS算法

傳感器的主要功能就是提供有關(guān)電流、電壓、溫度及其他特定于公共設(shè)備的重要參數(shù)。借助于電壓參數(shù)，公共事業(yè)單位可監(jiān)測設(shè)備的性能、監(jiān)測系統(tǒng)的運行中斷并通過節(jié)能降壓（CVR）來節(jié)省開支。傳統(tǒng)的方式就是將儀表用變壓器（PT）和電容耦合的電壓互感器（CCVT）應(yīng)用在公共網(wǎng)絡(luò)上以便監(jiān)測電壓［1］。然而，PT和CCVT對絕緣度的要求較高，通常需使用油來冷卻或絕緣且需要進(jìn)行定期的維護(hù)，因此價格非常昂貴。一些公共設(shè)備已配備有光電電壓傳感技術(shù)（EOVT），但由于該技術(shù)成本較高且使用壽命有限，因此限制了人們的使用［2］。

在將浮動傳感器應(yīng)用在高壓設(shè)備的研究中可以看出，由于新技術(shù)無需高壓絕緣，因此其性能表現(xiàn)較好。在文獻(xiàn)［3］中，作者提出了一種能夠利用導(dǎo)體周圍的電場來監(jiān)測電壓的環(huán)形架空線路傳感器，該傳感器的成套組件能夠應(yīng)用在在高壓環(huán)境中，但成套組件的設(shè)計過程非常復(fù)雜。文獻(xiàn)［4］中的作者提出了一種與自供電傳感器相關(guān)的更簡單、更緊湊的設(shè)計，但這種設(shè)計只能應(yīng)用在架空線路中且只能用來監(jiān)測溫度；文獻(xiàn)［5］中的作者闡述了一種利用基于ZigBee的傳感器來測量電壓的新方法，但其電壓傳感算法的計算量很大。準(zhǔn)確度適中的電壓傳感器不僅有益于傳輸設(shè)備例如輸電線，而且有益于配電設(shè)備如電纜、變壓器、開關(guān)和電容器組。在這些應(yīng)用中，成本是主要的推動因素，因此，必須開發(fā)出低成本電壓傳感技術(shù)來以便為廣泛的傳感應(yīng)用提供節(jié)約成本的解決方案。針對于一些應(yīng)用，例如事件監(jiān)控、停電管理及通電狀態(tài)監(jiān)測，本文提出了一種新的低成本電壓傳感解決方案。本文是以文獻(xiàn)［5-6］提出的自供電且基于ZigBee的電流和溫度傳感器為基礎(chǔ)，該傳感器上附有相關(guān)傳感器架構(gòu)及功率要求的信息。由于ZigBee的范圍有限，因此設(shè)想一種理想的包含有傳感器集群的應(yīng)用系統(tǒng)（如智能變電站），該應(yīng)用系統(tǒng)能夠通過傳輸多傳感器間的ZigBee信號來實現(xiàn)范圍的擴(kuò)大［8］。

1　浮動電壓傳感器的原理

如圖1所示，如果一種低成本的電壓傳感器上有兩個平板，那么對于標(biāo)準(zhǔn)的架空輸電線來說，隨著D不斷增大［9］，d值也只是幾毫米至幾厘米。與C2中的變化相比，C1中的這種變化將會更加明顯，而且如果在電容器C1端使用低通RC濾波器測量出通過C1的電壓，那么通過下列方程式可得出位移電流值：

圖1　單架空導(dǎo)線電壓傳感的兩個簡單的平板系統(tǒng)

假設(shè)wCR遠(yuǎn)大于1，那么C?C2。同理得出C1?C2。iD可簡化為：

根據(jù)wCR遠(yuǎn)大于1，由

可得出通過電容器C2的電壓。

從上述的方程式中可以看出，通過電容器的電壓VC1與線電壓Vi及較低的平板和地面間的電容C2成正比，C2表示的是導(dǎo)線與地面間的距離函數(shù)，由于距離的減少（增加）會引起電容的增加（減少），距離的變化會導(dǎo)致測量電壓的變化［10］，因此測量出的電壓VC1

中包含有導(dǎo)線的偏移及其電壓的信息，此時解耦導(dǎo)線中電容C2的電壓是非常困難的。

而且，如果考慮到三相及三線系統(tǒng)（如圖2所示），由于每條攜帶有交流電流的導(dǎo)線以120°分布在三相系統(tǒng)中，因此其他的導(dǎo)線也會對流經(jīng)電容器CPA的位移電流產(chǎn)生影響。在圖2中，P表示的是用于監(jiān)測電容器A的電壓的底部平板。

圖2　在三相架空導(dǎo)線上使用浮動兩平板電容器的電壓傳感

利用節(jié)點分析法可監(jiān)測到P處的電壓，可表示為：

應(yīng)注意的是VA、VB和VC是根據(jù)VA=V、VB= Ve-j120及VC=Vej120得出的相量電壓。

利用基本電路分析方法如基爾霍夫電壓定律（KVL）和基爾霍夫電流定律（KCL）對表達(dá)式進(jìn)行簡化，可得出通過電容器兩平板處的電壓

式中，VPA表示的是通過被監(jiān)測的平板的電壓，可用于估計導(dǎo)線A的電壓值。在式（5）中，CPG表示的是平板到地面間的距離函數(shù)，而CPB和CPC分別表示的是平板與導(dǎo)線B和導(dǎo)線C間的距離函數(shù)。與單相情況類似，除包含有導(dǎo)線的電壓及導(dǎo)線至地面的距離信息外，電壓VPA還包含有該導(dǎo)線到其它導(dǎo)線間的距離信息。因此，在該問題的約束下解耦這些信息并解譯有關(guān)電壓的信息是非常困難的。

從上述說明中可以明顯看出，在利用浮動傳感器進(jìn)行電壓傳感時會遇到難題，而解決這些難題必須設(shè)法開發(fā)出一種節(jié)約成本的電壓傳感解決方案，即通過構(gòu)造傳感器的數(shù)學(xué)模型并使用合理的假設(shè)便可有效地解決這些難題。

2　電壓傳感器的數(shù)學(xué)模型

圖3所示的是一種單導(dǎo)線在地面以上的實例。傳感器平板以扇形形式表示，其扇形角度由ψN給定，r表示扇形形式的傳感器與導(dǎo)線中心間的徑向距離，與導(dǎo)線與地面間的距離R相比，r值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R值［11］，但它與導(dǎo)線的半徑長度非常接近。

人們利用圖像法［12］以便獲得導(dǎo)線產(chǎn)生的位移電流，其中將id(t)作為r、R、ψN及電壓V的函數(shù)即可獲得位移電流的表達(dá)式（為簡短起見，省略表達(dá)式的推導(dǎo)過程）：

圖3　地面以上的單導(dǎo)線

公式（6）的向量表示為：

此時，利用隨著角位置θ的變化而變化的位移電流可估算出電壓值。然而，對于實際的應(yīng)用程序來說，就很難監(jiān)測出位移電流的變化。因此，人們需根據(jù)位移電流的平均值而不是變化值來證明位移電流是否發(fā)生變化。實際上，若假設(shè)R?r是真命題，那么式（7）將會降低到如下公式的平均值。

因此可以推到得出：

上述方程式（9）含有3個變量，即電壓、導(dǎo)線與地面間的距離及介電常數(shù)。利用該方程式可估算出導(dǎo)線上的電壓值。因此需要附加系統(tǒng)的信息并利用方程式（9）才能估算出導(dǎo)線上的電壓值，其中電壓和距離的典型曲線圖中可得到附加系統(tǒng)的信息。

3　提出的移動平均電壓傳感（MAVS）算法

3.1單相應(yīng)用算法

本小節(jié)提出了一種利用窗口寬度w（隨著時間的推移，寬度w將覆蓋收集數(shù)據(jù)點）并通過窗口利用平均值信息計算當(dāng)前研究成果的算法。從第n個時間間隔內(nèi)覆蓋第n-w+1至第n個樣本中的所有數(shù)據(jù)點的窗口化寬度w平均值中可得出：

通過一個相對小的窗口可以看出，Y中的變化并不明顯，因此根據(jù)窗口的長度可假設(shè)Yn是一個常數(shù)，可得：

將上述方程式V項變換位置可得出Yn的估算值：

如果系統(tǒng)存儲了Id的歷史信息，那么通過特定的窗口便可計算出Id的平均值。如果假設(shè)在一定時間內(nèi)線路的電壓平均值是一個常數(shù)，則可利用這一假設(shè)估算Y。

因而在第（n+1）個測度指標(biāo)處，通過如下方程式：

可得出所有參數(shù)最新表達(dá)式。

對于首個窗口指標(biāo)之后的所有測度指標(biāo)來說，利用已提出的移動平均電壓傳感（MAVS）算法可計算出電壓值及距離地面的數(shù)值，這意味著只有經(jīng)過首次測量后，傳感器才能進(jìn)行自標(biāo)定并得出有價值的結(jié)果。為避免這一問題，人們可對傳感器進(jìn)行編程使其最初以相對較快的速度進(jìn)行測量，然后再減慢速度進(jìn)行測量。這種方法可縮短找到真正解決該問題的方案的時間。而且由于這種方法無需大量的計算資源，因此利用電場能量收集的方式或其他的自供電方式便可激活傳感器。雖然這種算法不是本文的重點介紹對象，但針對這種算法設(shè)計出的電壓傳感器能夠控制并存儲足夠的電場能量以便傳感器的自行供電。

3.2三相應(yīng)用算法

很多需使用電壓傳感的公共設(shè)備均配備有三相系統(tǒng)。由于本文將要提出的解決方案是建立在單相系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，因此在測量中由于其他相系統(tǒng)電場的相互作用會導(dǎo)致誤差的出現(xiàn)。然而在數(shù)學(xué)上可證明出，即使是n條導(dǎo)線的情況，但通過疊加理論也可對該適用于單導(dǎo)線的解決方案進(jìn)行擴(kuò)展。在多條導(dǎo)線的情況下也可推導(dǎo)出并通過如下方程式得出電壓傳感器的數(shù)學(xué)模型

式中，Idk為從第k條導(dǎo)線中流出的電容性充電電流；dii=ri為第i條導(dǎo)線的半徑；dik為第i條導(dǎo)線與第k條導(dǎo)線間的距離；d′ik為第i條導(dǎo)線與第k條導(dǎo)線的圖像間的距離；Vi為第i條導(dǎo)線的電壓。

方程式（18）可寫成矩陣的形式

將方程式（18）寫成矩陣的形式目的是根據(jù)V找到位移電流。在典型情況下，會得到3個n值。對于一個平衡的三相系統(tǒng)來說，人們希望其位移電流是均衡的且相距120°的相位。因此利用序列分量轉(zhuǎn)換可進(jìn)行簡化分析：

X表示的是帶有xij=xji的對稱矩陣。假設(shè)xii=xs便可降低TXT-1的計算復(fù)雜程度，例如所有導(dǎo)線的半徑均是相同的，由于大多數(shù)傳輸系統(tǒng)均設(shè)計成具有平衡功能，因此導(dǎo)線需具有類似的尺寸。此外還需假設(shè)x12=x23=x13=xm，例如所有其他的導(dǎo)線均放置在與其相關(guān)的導(dǎo)線間相距相等距離d′epo的地方。利用這些簡化信息便可將TXT-1簡化為：

對于特殊的系統(tǒng)來說，盡管上述假設(shè)不準(zhǔn)確，但對于幾乎所有導(dǎo)線的實際幾何結(jié)構(gòu)來說，與TXT-1的對角元素相比，其非對角元素是可以忽略不計的，在電力系統(tǒng)應(yīng)［6］中會經(jīng)常利用這中方法。此外，如果在距離為d′epo處將所有導(dǎo)線的圖像合并可獲得一個等同的圖像，然而由于傳感器安裝的位置與導(dǎo)線相距同等距離的圖像由d′epo給出，因此導(dǎo)線的正序位移電流可由如下公式給出：

可以觀察到，式（22）與地面以上單導(dǎo)線位移電流的表達(dá)式相同。因此，即使是三相系統(tǒng)，單導(dǎo)線系統(tǒng)的MAVS算法仍然有效。

三相與單相情況之間的區(qū)別在于單相情況中導(dǎo)線與地面間的距離被三相情況中一些未知的同等距離所代替。因此在三相系統(tǒng)情況下，利用MA?VS算法不能計算出導(dǎo)線與地面間的距離。

然而在傳感器的附近即使在超過3條導(dǎo)線的情況下也可利用將所有遠(yuǎn)場導(dǎo)線合并為單個遠(yuǎn)場導(dǎo)線的方法。因此該方法可推廣應(yīng)用到n條導(dǎo)線上。由于調(diào)節(jié)與位移電流相關(guān)的方程式的通用式轉(zhuǎn)換至與電壓相關(guān)的方程式后仍保持不變，因此針對于單導(dǎo)線情況提出的算法同樣適用于計算n條導(dǎo)線的電壓的情況。

4　浮動電壓傳感器設(shè)計

在成功推導(dǎo)出新的MAVS算法后，便可利用電壓傳感器的原型在實際的電壓監(jiān)測應(yīng)用上對該算法進(jìn)行測試。有關(guān)自含式電壓傳感器原型的示意圖，如圖4所示。該電壓傳感器原型將導(dǎo)體機(jī)箱作為傳感電容器的一個平板，導(dǎo)體機(jī)箱與高壓設(shè)備相接觸并在安裝時將其固定在高壓設(shè)備上。對在另一個金屬平板上的機(jī)箱進(jìn)行一些改裝并使底部的機(jī)箱與導(dǎo)體機(jī)箱隔開（約1 mm）。表1對本文提出的傳感器與市場上現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行了比較。

有關(guān)限制傳感器平板上交流電壓的電路，如圖5所示。電路的地參考與設(shè)備的電勢相同，也就是說傳感器通過電力的作用在設(shè)備電勢上浮動。由于所有的電路組件和芯片需要正電壓信號，因此電路需對交流電壓進(jìn)行調(diào)整。利用電壓跟隨器電路使調(diào)整過的信號得到緩沖后對該信號進(jìn)行低通濾波，然后信號將會進(jìn)入TI-CC2530 ZigBee模塊中微控制器的一個ADC通道，在該通道內(nèi)對信號進(jìn)行處理、測量后傳遞至MAVS算法，而計算出的電壓值將通過ZigBee傳遞至遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)器。

圖4　裝配式電壓傳感器

表1　現(xiàn)有電壓傳感技術(shù)與本文提出的浮動傳感器間的比較

圖5　電壓傳感器的電路原理圖

5　實際高壓測試

5.1高壓測試設(shè)置

有關(guān)驗證MAVS算法所使用的測試系統(tǒng)，如圖6所示。高壓測試設(shè)置利用能夠輸出高達(dá)100 kV電壓的升壓變壓器，將電壓母線與變壓器相連接并將電壓傳感器原型以拉鏈?zhǔn)浇壎ㄔ诟邏海℉V）母線上可用于模擬架空線路的實際情況。需注意的是機(jī)箱也是通過電力的作用固定在（作為電子電路地面的）HV母線電勢上，此外還可看到電線從機(jī)箱底部伸出且HV母線距地面1 m。由于距離相近的測試場區(qū)，在上述條件下得到的測試結(jié)果其誤差將高于正常條件下得到的測試結(jié)果的誤差，因此如果MAVS算法能夠在上述條件下表現(xiàn)良好，那么該算法在設(shè)備布置較分散的地方也能較好的運行。

圖6　驗證MAVS算法的MV測試設(shè)置

5.2測試方法

當(dāng)采用500 V的解析度時HV母線的電壓是可變的。在高壓測試中采用了兩個不同的數(shù)據(jù)集（HV1和HV2）并使用25 kV電壓。有關(guān)數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計資料，如表2所示。該數(shù)據(jù)集的潛在假設(shè)是設(shè)備的平均電壓非常恒定的。

表2　測試統(tǒng)計

從測試中可以看到HV1的方差小于HV2的方差，且在兩個數(shù)據(jù)集中RMS電壓的變化幅度大于預(yù)測的變化幅度±5%。這是由于傳感器能夠有效地監(jiān)測到較大的變化幅度并追蹤該種變化，同時在電壓源較穩(wěn)定的情況下，傳感器也能夠有效地監(jiān)測到較大的變化幅度并追蹤該種變化。

在實驗期間，將數(shù)據(jù)集電壓外加在HV母線上（數(shù)據(jù)集電壓每分鐘變化一次）后，與HV母線相連接的電壓傳感器原型將會感測到該種電壓，MAVS算法會利用板上微控制器對感測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而人們可利用處理后的數(shù)據(jù)計算HV母線上的電壓。最后將計算出的電壓通過ZigBee傳送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器，由于數(shù)據(jù)采集器通過串行到USB連接器與電腦相連，因此電腦將顯示出計算出的電壓值。

5.3結(jié)果與討論

有關(guān)HV1和HV2數(shù)據(jù)集的結(jié)果，如圖7和圖8所示。從各自的兩組數(shù)據(jù)中可以看出，在不具備有關(guān)HV母線電壓知識的情況下，電壓傳感器能夠在前幾次迭代后利用MAVS算法監(jiān)測并成功追蹤到設(shè)備的電壓。

圖7　HV1的測試結(jié)果

圖8　HV2的測試結(jié)果

有關(guān)HV1和HV2數(shù)據(jù)集測試的誤差統(tǒng)計，如表3所示。從表3可以明顯看出，HV1數(shù)據(jù)集測試中的電壓傳感器具有追蹤可變電壓的能力且其平均誤差均小于2%，而在HV2數(shù)據(jù)集測試中HV總線上的電壓變化范圍較高（30 kV）。

表3　測試實例的誤差統(tǒng)計

然而，平均誤差較大的其中一個重要原因是由于在接近5 kV（標(biāo)稱母線電壓25 kV）的低電壓條件下，傳感器的誤差相對較大。而在實際情況下，如果總線電壓降至某一閾值以下，電壓傳感器的唯一能做的就是發(fā)送警報信號，因此該誤差并不是主要問題。傳感器可在所有其他的電壓級中運作良好，而且如果除去兩個在低電壓時出現(xiàn)的極大值點，便可獲得3%的誤差。

6　結(jié)論

本文在新的移動平均電壓傳感（MAVS）的基礎(chǔ)上提出了一種低成本無線電壓傳感器。該電壓傳感器的主要功能是監(jiān)測電壓的變化（例如電壓驟升/驟降）并確認(rèn)設(shè)備的通電情況。因此，與適用于電能計量的傳統(tǒng)電壓傳感器相比，本文提出的電壓傳感器產(chǎn)生的允許誤差范圍相對較高（<±5%）。建立在適用于N條導(dǎo)線的傳感器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，先前提出的MAVS算法便可利用記錄的測量值及自標(biāo)定功能對設(shè)備當(dāng)前的電壓進(jìn)行估算。從估算出的電壓值中可以看出，（由于三相系統(tǒng)中其他相系統(tǒng)的影響）即使存在電場的變化，但通過單相傳感器得到的電壓非常接近真實值。最后，以較低成本構(gòu)造出了電壓傳感器，在高達(dá)30 kV的高壓母線上對該其進(jìn)行了測試并成功驗證了傳感器的自標(biāo)定功能。此外，傳感器追蹤設(shè)備上電壓變化的平均誤差范圍為±5%。從上述結(jié)果可以看出，，該傳感解決方案可能會是一個經(jīng)濟(jì)有效的、能夠部署在通用網(wǎng)絡(luò)并可在通用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展的選擇方案。

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楊永（1973-），男，漢族，安徽泗縣人，淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，工學(xué)碩士，從事電子信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)等研究，hayy1973@126.com。

Traffic Light Controller System Design Based on FPGA

BI Rundong，GAO Bo*
（Key Laboratory of Microelectronic Technology，Sichuan University，Chengdu 610064，China）

Abstract：In order to respond to the change of traffic flow timely，an intelligent transportation system for traffic light controller is designed. Depending on traffic information from sensors and employing finite state machine，this sys?tem can realize a full induction adaptive control scheme of traffic light. It achieves the optimal control of states and traffic signal timing plan. This system adopts FPGA device to improve speed and performance. It is verified by traf?fic statistical data of Chengdu Kehua Road North. The simulation shows that this system can decrease vehicle aver?age delay time by 17.550% and improve transportation efficiency.

Key words：intelligent control system；traffic light control；FSM；FPGA；Verilog HDL

doi：EEACC：1290B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.046

收稿日期：2015-03-18修改日期：2015-04-15

中圖分類號：TM744.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-9490（2016）01-0222-07