基于傳感技術(shù)與Zigbee的變電站設(shè)備溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)

周瑞雙，王春新，王煥娟，李朝峰

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.北京國電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，北京 100071）

基于傳感技術(shù)與Zigbee的變電站設(shè)備溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)

周瑞雙1，王春新2，王煥娟2，李朝峰2

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.北京國電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，北京 100071）

設(shè)計了一套基于無線溫度傳感技術(shù)與Zigbee無線自組網(wǎng)通信技術(shù)的變電站設(shè)備溫度實時在線監(jiān)測系統(tǒng)。對系統(tǒng)的硬件軟件分別進(jìn)行了設(shè)計，并提出了一種新的變電站電流致熱型設(shè)備溫度缺陷智能分析的方法。系統(tǒng)解決了變電站溫度數(shù)據(jù)采集實時性差，設(shè)備、人工成本高以及臨時數(shù)據(jù)采集、應(yīng)急狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸、布線困難以及無信號覆蓋下的數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)膯栴}，并提高了設(shè)備熱缺陷報警的準(zhǔn)確性，使變電站運行更加安全可靠。

傳感技術(shù)；自組網(wǎng)；智能分析；在線監(jiān)測

0 引言

變電站設(shè)備在大電流、高電壓狀況下長時間運行，一些設(shè)備缺陷能夠?qū)е略O(shè)備的溫度異常，如不及時發(fā)現(xiàn)，易造成設(shè)備損壞或惡性事故，產(chǎn)生重大經(jīng)濟(jì)損失。因此變電站設(shè)備溫度狀況的實時在線監(jiān)測、溫度數(shù)據(jù)實時上傳、溫度數(shù)據(jù)異常報警、及時處理等對變電站安全穩(wěn)定運行具有重大意義［1～3］。

通常的測溫方式有：蠟片測溫、紅外測溫儀測溫、光導(dǎo)纖維溫度傳感器測溫、無線通訊接觸式測溫傳感器測溫等。這些測溫方式檢測溫度的精度低、實時性差、設(shè)備和人工成本高，存在一定的局限性。

雖然目前變電站主要使用手持紅外測溫儀對變電設(shè)備溫度進(jìn)行診斷，可以直接找到故障點，但由于電力設(shè)備數(shù)量眾多，紅外檢測工作受環(huán)境因素制約較大，檢測工作仍然顯得費時、費力，檢測人員的行動也受周圍高壓電氣環(huán)境約束，最突出的缺點是不能對電力設(shè)備進(jìn)行實時、遠(yuǎn)程的狀態(tài)監(jiān)測。

隨著基于物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感技術(shù)與自組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，本文設(shè)計了一種新型的在線監(jiān)測系統(tǒng)。首先采用基于物聯(lián)網(wǎng)無線傳感技術(shù)中具有等電位安裝、抗電磁干擾能力強、使用壽命長、通信可靠等特點的無線溫度傳感器，實時采集設(shè)備溫度變化。然后通過基于Zigbee的無線自組織網(wǎng)絡(luò)通信方式，實時將溫度數(shù)據(jù)上傳到中央處理單元。提出了一種變壓器三相高壓套管溫度缺陷報警智能分析方法，提高了在線監(jiān)測系統(tǒng)報警預(yù)警準(zhǔn)確性與可靠性。系統(tǒng)解決了以往測溫方法的實時性差的問題，并實現(xiàn)了遠(yuǎn)程測溫工作，提高了報警的準(zhǔn)確性，可大大減少運行人員的工作量，提高工作效率，降低工作成本。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的無線溫度傳感器技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是繼互聯(lián)網(wǎng)之后信息通信技術(shù)的又一次創(chuàng)新，物聯(lián)網(wǎng)將成千上萬的物體通過網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行連接，這些物體通過感知周圍環(huán)境的變化，積極參與信息獲取、處理和交換過程［4］。

無線溫度傳感器技術(shù)是應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在變電站電纜接頭、閘刀觸點、開關(guān)觸點、銅排連接點、電抗器、消弧線圈、電容器外殼等位置布置無線溫度傳感器。通過這些傳感器實時感知變電站變電設(shè)備的運行情況，以便及時發(fā)現(xiàn)影響變電站安全穩(wěn)定運行的外部因素以及實時監(jiān)測變電站設(shè)施的內(nèi)部故障［5］。

1.2 基于Zigbee協(xié)議的無線自組網(wǎng)技術(shù)

ZigBee協(xié)議是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。基于Zigbee協(xié)議的無線自組網(wǎng)是一種具有高度自適應(yīng)性和移動性的通信網(wǎng)絡(luò)，由一組帶有無線通信收發(fā)裝置的移動終端節(jié)點組成。網(wǎng)絡(luò)中每個終端可以自由移動，具有地位相等、無中心的特點。網(wǎng)絡(luò)支持多跳擴(kuò)展，可以通過 “多級跳”的方式來通信；不需要現(xiàn)有信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持；可以在任何時候、任何地點快速構(gòu)建。

ZigBee技術(shù)強大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、網(wǎng)狀型和簇狀型 （如圖1），可以根據(jù)實際需要來選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中，星型和族樹型網(wǎng)絡(luò)適合多點、距離相對較近的應(yīng)用［6］。

圖1 自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Ad hoc network structure

2 變電站溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖如圖2，主要分感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三層。

系統(tǒng)感知層由無線溫度傳感器實時采集變電站設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)，并由變電站基站通過無線方式收集各個溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)。由于變電站處在強電場作用下，使用帶有柱狀天線的無線溫度傳感器易產(chǎn)生尖端放電，在變電站中應(yīng)用具有不安全性。經(jīng)過改造，本系統(tǒng)所用無線溫度傳感器應(yīng)用平板天線，解決了這一問題。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 System architecture

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層是基于Zigbee協(xié)議的無線自組網(wǎng)通信層，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通道的建立，能夠?qū)崿F(xiàn)自組網(wǎng)功能，當(dāng)Zigbee設(shè)備從變電站基站采集到監(jiān)測數(shù)據(jù)后，能夠通過自組建的網(wǎng)絡(luò)上傳?；赯igbee協(xié)議的自組網(wǎng)方式以其靈活、可靠、易于布置等特點在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。將其應(yīng)用于變電站監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點在于：

（1）無線自組網(wǎng)采取了IEEE 802.15.4強有力的無線物理層，減少了變電站連線的復(fù)雜度，具有低速率、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、低功耗和低成本的特點。

（2）ZigBee在中國采用2.4 G的IS M頻段，是免申請和免使用費的頻率，在2.4G的頻段上具有16個信道，帶寬為250 K，從2.405 GHz～2.480 GHz間分布，信道間隔是5 M，具有很強的信道抗串?dāng)_能力。ZigBee終端空曠視距離環(huán)境無線通信距離為800 m［7］。

（3）當(dāng)自組網(wǎng)設(shè)備中一個或幾個一般節(jié)點發(fā)生故障或遭到人為破壞時，各Zigbee節(jié)點自動搜索建立連接，繞過這些故障節(jié)點，利用剩余節(jié)點自行組織成一個新網(wǎng)絡(luò)，從而不影響數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)應(yīng)用層是系統(tǒng)的管理中心，由中央控制器組成，將采集上來的溫度進(jìn)行智能分析處理，實現(xiàn)實時界面展示、實時預(yù)報警，并提供歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)備設(shè)計

系統(tǒng)硬件總體設(shè)計圖如圖3，主要由無線溫度傳感器、變電站基站、Zigbee組網(wǎng)模塊、臺式或便攜式PC機(jī)組成。

2.2.1 系統(tǒng)感知層設(shè)備設(shè)計

感知層設(shè)備由無線溫度傳感器和變電站基站組成。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計Fig.3 System hardware design

本系統(tǒng)采用的溫度傳感器由微功耗 MCU、數(shù)字溫度傳感器、2.45 GHz數(shù)字RF收發(fā)器、高溫鋰亞電池、IP 68不銹鋼外殼和平板天線等組成，使用了先進(jìn)的一體化、微型化、等電位封裝技術(shù)。具有體積小、使用壽命長、傳輸距離遠(yuǎn)、采集溫度點多、安裝方便、性價比高等特點。

每個無線溫度傳感器具有唯一的ID編號，實際安裝時需要記錄每個傳感器的安裝地點，并與傳感器編號一起存入計算機(jī)數(shù)據(jù)庫中。傳感器每隔一定時間（可以事先設(shè)定）自動發(fā)射1次監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

變電站數(shù)據(jù)傳輸通訊基站由 MCU、RS－485接口、2.45 GHz數(shù)字RF收發(fā)器、寬輸入DC／DC直流穩(wěn)壓電源、IP 68 ASA外殼、高增益定向天線和全向天線等組成。

無線通訊基站根據(jù)無線溫度傳感器分布來確定數(shù)據(jù)傳輸通訊基站的安裝數(shù)量和位置，適當(dāng)增設(shè)基站可以有效提高信號的覆蓋密度，確保系統(tǒng)有足夠的冗余度。無線溫度傳感器定時測量一次該監(jiān)測點的運行溫度，環(huán)境溫度傳感器也會自動測量環(huán)境溫度，這些溫度數(shù)據(jù)通過2.45 GHz無線信道傳輸?shù)酵ㄓ嵒?，基站會自動保存和記錄這些數(shù)據(jù)，并采用RS－485總線與控制主機(jī)進(jìn)行通訊。

2.2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備設(shè)計

采用的Zigbee無線通信模塊是加強型的Zigbee模塊，集成了符合Zigbee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器和微處理器，Zigbee通信模塊實現(xiàn)了串口RS232／485、USB數(shù)據(jù)的透明傳輸。

自組網(wǎng)設(shè)備用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通道的建立，能夠?qū)崿F(xiàn)自組網(wǎng)功能，當(dāng)Zigbee設(shè)備從變電站基站采集到監(jiān)測數(shù)據(jù)后，能夠通過自組建的網(wǎng)絡(luò)上傳。自組網(wǎng)的設(shè)備有RS 232或RS 485接口，每個設(shè)備都可以稱為一個節(jié)點，處于等同地位，每個節(jié)點之間都是通過無線方式進(jìn)行通信，最后都匯聚到中心節(jié)點，中心節(jié)點通過RS 232或RS 485線連至控制主機(jī)。

2.2.3 應(yīng)用層設(shè)備設(shè)計

控制主機(jī)是一個具有完善軟件功能的管理平臺，集成了各種通訊協(xié)議、圖形化人機(jī)交互界面和完備穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫。該管理平臺完成一個變電站全部重載設(shè)備的溫度管理，也可嵌入其他管理與控制功能，實現(xiàn)在單一平臺上運行多個管理任務(wù)，實現(xiàn)多信息融合和集成。溫度管理軟件能夠順利運行于主流32位Windows OS的計算機(jī)系統(tǒng) （臺式、便攜式或嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)），對于軟硬件環(huán)境具有較低的要求。根據(jù)變電所的實際情況可以選用不同類型的控制主機(jī)，一般選用帶觸摸屏的工業(yè)級平板電腦 （工控機(jī)）并安裝在機(jī)柜上。

控制主機(jī)會定時通過RS－485總線輪詢各基站，各基站將收到的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)，主機(jī)將總線溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并保存。

2.3 變電站系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖如圖4。系統(tǒng)分為4個部分：設(shè)備虛擬層、通訊及設(shè)備路由組件、數(shù)據(jù)處理層、虛擬現(xiàn)實表現(xiàn)層。

圖4 系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.4 System software architecture

2.3.1 設(shè)備虛擬層

將實際的硬件設(shè)備抽象為虛擬的邏輯設(shè)備。入口數(shù)據(jù)為從不同硬件設(shè)備獲取的各種數(shù)據(jù)。輸出數(shù)據(jù)為監(jiān)測系統(tǒng)能夠識別的、系統(tǒng)無差異化的數(shù)據(jù)，符合系統(tǒng)通訊協(xié)議。

2.3.2 通訊及設(shè)備路由組件

負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)各個層之間的數(shù)據(jù)通訊組件。此外，在系統(tǒng)后臺控制設(shè)備和客戶端為多臺時，還提供設(shè)備路由功能。通訊及路由采用本系統(tǒng)自定義通訊協(xié)議。

2.3.3 數(shù)據(jù)處理層

將設(shè)備虛擬層傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動識別處理。根據(jù)不同情況，分別將其分派到存儲、數(shù)據(jù)同步、預(yù)報警護(hù)模塊處理。

2.3.4 虛擬現(xiàn)實表現(xiàn)層

即用戶界面。可實現(xiàn)各點位信息的相關(guān)溫度數(shù)據(jù)顯示、曲線列表顯示、報警界面展示等。

2.4 變電站電流致熱型設(shè)備溫度缺陷智能分析方法

在變電站預(yù)報警模塊中，以往的數(shù)據(jù)處理方式是設(shè)置預(yù)報警閾值，當(dāng)溫度值大于報警閾值時發(fā)出報警。但是由于使用無線溫傳測量變電站設(shè)備的溫度會受到環(huán)境各種因素的影響，有時會出現(xiàn)誤報或漏報情況［8］。因此，準(zhǔn)確判斷設(shè)備發(fā)熱缺陷是一個比較困難的問題。為了解決這一問題，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，可得到變壓器套管單相缺陷判斷依據(jù)如表1［9］。

表1 缺陷性質(zhì)Tab.1 Defect properties

表中δ是相對溫差。

相對溫差與溫升的關(guān)系：

式中：τ1和T1為發(fā)熱點的溫升和溫度；τ2和T2為正常相對應(yīng)點的溫升和溫度；T0為環(huán)境溫度參照體的溫度。

應(yīng)用此種方法判斷缺陷類型同樣存在漏洞與不足，例如，當(dāng)T1＝70℃，T1＝61℃，T2＝60℃時，通過公式可得δ＝90%，根據(jù)表 （1）可得是嚴(yán)重缺陷，但是實際情況是熱點溫度T1＜80℃，并不是嚴(yán)重缺陷。

為了克服上述缺點，本文提出一種新的綜合變壓器套管三相溫度判斷溫度缺陷的方法。圖5是判斷變壓器三相套管缺陷類型的流程圖。應(yīng)用此種方法，通過三相溫度數(shù)據(jù)間的互相對比與計算，有效地減少了錯報、漏報的情況，解決了溫度缺陷類型相對溫差計算與熱點溫度判斷結(jié)果不一致的問題。

圖5 變壓器套管溫度監(jiān)測分析流程圖Fig.5 Flowchart of temperature monitoring and analysis for transformer bushing

3 系統(tǒng)測試

3.1 對自組織網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行測試

系統(tǒng)搭建好后，對自組織網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐〞承?；自組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩翱煽啃缘冗M(jìn)行了測試。圖6為單個無線溫度傳感器一段時間傳上來的數(shù)據(jù)。通過測試可以看出通信狀態(tài)良好，基于Zigbee協(xié)議的無線自組網(wǎng)通信可準(zhǔn)確的接收變電站溫度數(shù)據(jù)。

圖6 單個無線溫度傳感器數(shù)據(jù)Fig.6 Single wireless temperature sensor data

3.2 溫度數(shù)據(jù)顯示測試

圖7為系統(tǒng)運行一段時間后，根據(jù)采集上來的溫度數(shù)據(jù)，顯示的監(jiān)測點位的數(shù)據(jù)曲線，表示點位的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。

圖7 數(shù)據(jù)展示界面Fig.7 Data display interface

3.3 溫度異常報警測試

變電站設(shè)備溫度一旦發(fā)生異常，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，可準(zhǔn)確定位和展示報警級別，如圖8。

圖8 報警界面展示Fig.8 Alarm interface shows

4 結(jié)論

本文設(shè)計的變電站溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用平板天線無線溫度傳感器技術(shù)，加強了變電站數(shù)據(jù)采集的安全可靠性，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集，同時大大減少了變電站監(jiān)測的人工工作量，降低了工作成本。應(yīng)用Zigbee無線自組網(wǎng)的通信方式進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸，減少了變電站的連線復(fù)雜度，同時可解決變電站臨時數(shù)據(jù)采集、應(yīng)急狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸、布線困難以及無信號覆蓋下的數(shù)據(jù)傳輸問題。通過對采集數(shù)據(jù)的智能分析方法的研究與改進(jìn)，減少了故障報警的誤報、錯報和漏報，提高了變電站運行的安全性和可靠性。

本文設(shè)計的變電站溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，同樣可應(yīng)用在智能電網(wǎng)的輸電、配電、發(fā)電等各環(huán)節(jié)的設(shè)備溫度狀態(tài)監(jiān)測，使得智能電網(wǎng)的發(fā)展更加快速、完善。系統(tǒng)將在整個智能電網(wǎng)的建設(shè)過程中發(fā)揮更大作用，擁有更加廣泛的應(yīng)用前景。

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Temperature On-line Monitoring System for Substation Equipment Based on Sensing technologies and Zigbee

Zhou Ruishuang1，Wang Chunxin2，Wang Huanjuan2，Li Zhaofeng2
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China；2.Beijing Guodiantong Network Technology Co.，Ltd.，Beijing 100071，China）

The design of substation equipment temperature real－time online monitoring system is based on wireless temperature sensing technology and Zigbee wireless networking communication technology.The hardware and software of the system are designed，and proposes a new substation current heated electric equipment temperature intelligent defect analysis method.The system solves the substation temperature data acquisition real time difference，high cost of equipment，high cost of labor and temporary data acquisition，state of emergency data transfer，difficult wiring and no signal coverage of data acquisition and transmission problems，and improves the accuracy of alarm equipment thermal defects，which is more safe and reliable operation of substation.

sensing technology；Ad hoc network；intelligent analysis；on-line monitoring

T M732

A

2012－05－11。

周瑞雙 （1986-），女，碩士研究生，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究及應(yīng)用，E-mail：yiyuchenfei＠163.com。