ZigBee技術(shù)在電纜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

孔鵬，王琳，李榛，張一鳴，李嫣然

(1.國網(wǎng)聊城供電公司，山東 聊城 252000;2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

電力電纜由于具有敷設(shè)方便、運行維護(hù)簡單、耐高溫和絕緣性能良好等特點，被廣泛地應(yīng)用于輸配電網(wǎng)［1-4］。現(xiàn)階段使用的電纜大多敷設(shè)于十幾甚至幾十年前，由于缺乏有效手段來對電纜的安全性進(jìn)行判斷，所以只能在故障發(fā)生后更換電纜或電纜附件，每次更換時要對該段線路進(jìn)行停電作業(yè)，這不僅對工業(yè)生產(chǎn)影響極大，還嚴(yán)重干擾了市民的正常生活。因而，研發(fā)一套能夠快速檢測和發(fā)現(xiàn)多路電力電纜安全生產(chǎn)隱患的系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實意義。

目前使用的電纜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)采用的是有線(如光纖)的局放信號傳輸方式，系統(tǒng)只能工作在固定的位置，設(shè)備安裝復(fù)雜，難以移動，靈活性差，很難動態(tài)、全覆蓋地監(jiān)控電纜的運行安全問題［5-9］。本文提出了一種基于ZigBee無線傳輸技術(shù)的解決方案。ZigBee技術(shù)是一種用于短距離范圍內(nèi)、低傳輸數(shù)據(jù)速率下的無線通信技術(shù)［10］。其可以快速地構(gòu)建起一個無線通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多路電纜局放信號的在線監(jiān)測，是一種全新的電力電纜局放監(jiān)測系統(tǒng)方案。

1 ZigBee無線通訊技術(shù)

在近年來無線局域網(wǎng)WPAN技術(shù)領(lǐng)域，各種標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)競相發(fā)展，ZigBee應(yīng)運而生。它是一種新興的短距離、低功耗、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采取IEEE 802.15.4定義的物理層MAC層，增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)化。

不同于其他一些通信技術(shù)，ZigBee不追求高速率、遠(yuǎn)距離;而是針對特定應(yīng)用需求，鎖定只以幾十kps的速率、幾米～幾十米的距離實現(xiàn)無線組網(wǎng)通信的能力。因此ZigBee的優(yōu)勢并不在于它的技術(shù)本身，而關(guān)鍵在于豐富而便捷的應(yīng)用。特別地，在工業(yè)領(lǐng)域，利用傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)，使得數(shù)據(jù)自動采集、分析、和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分。

2 一種基于ZigBee的電纜局部放電監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 電纜局放監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)

電纜局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由高頻傳感器、信號放大模塊、智能檢測前端、無線通信模塊、檢測終端和分析診斷中心構(gòu)成，監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

高頻傳感器提取出的局放信號經(jīng)過前置放大器放大后傳輸至智能檢測前端，每個檢測前端可支持8路電纜局放信號的采集，智能檢測前端對信號進(jìn)行預(yù)處理、提取出信號的特征參數(shù)、通過無線網(wǎng)絡(luò)將特征參數(shù)發(fā)送至檢測終端，再有分析診斷中心實現(xiàn)對電纜局放信號的分析診斷。

2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點

數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點與智能檢測前端的信號采集模塊相連，其位置相對比較固定。數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點接收采集模塊采集的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過無線網(wǎng)絡(luò)向外發(fā)送。本文設(shè)計的電纜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)有四個數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點，與數(shù)據(jù)采集模塊一并安裝在智能檢測前端內(nèi)部，數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點的XBee模塊作為Router。數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。處理器選用TI的LM3S9B96微控制器。ZigBee模塊選用DiGi公司的XBee無線通信模塊，完成與接收設(shè)備通信及數(shù)據(jù)發(fā)送。處理器和XBee模塊之間通過串口相連。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.3 數(shù)據(jù)接收節(jié)點

數(shù)據(jù)接收節(jié)點主要功能是根據(jù)XBee模塊接收到的信息，對電力電纜局放信號進(jìn)行相應(yīng)的處理。該部分包括一個信息接收節(jié)點，其XBee模塊作為Coordinator，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。處理器和 ZigBee模塊型號和數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點相同。同時，該節(jié)點與診斷服務(wù)器相連，XBee模塊接收的信息發(fā)送到診斷服務(wù)器，對電纜局放信號進(jìn)行分析診斷。

圖2 數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

圖3 數(shù)據(jù)接收節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

3 電力電纜局放監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 電纜局放信號采集模塊

電力電纜局部放電監(jiān)測系統(tǒng)中智能檢測前端的采集卡主要用于采集傳感器檢測到的局放信號。采集卡與數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點中的LM3S9B96微處理器相連，采集數(shù)據(jù)程序流程圖如圖4所示。通過向LM3S9B96中編寫程序，讀取采集卡采集到的局放數(shù)據(jù)并存儲為50*60的矩陣。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

3.2 點對點通信

選取兩個XBee節(jié)點做單點通信收發(fā)矩陣數(shù)據(jù)的實驗。其中一個節(jié)點為Coordinator，另一個節(jié)點為Router。兩節(jié)點距離在10 m左右。通過編寫發(fā)送程序到Router節(jié)點使一個XBee節(jié)點發(fā)送一個60*50矩陣數(shù)據(jù)。每次發(fā)一行50個數(shù)據(jù)，兩次發(fā)送間隔為1 ms。Routor的X-CTU的terminal界面上為接收的數(shù)據(jù)，Coordinator的X-CTU的terminal界面上為Routor收到后返回的指令。其中Router的接收數(shù)據(jù)和Coordinator的發(fā)送數(shù)據(jù)一致，Coordinator模塊接收到的返回指令為50次7E 00 07 8B 01 16 C8 00 00 00 95，表明50次數(shù)據(jù)均發(fā)送成功。3.2和3.3需要修改，要用實測局放波形來作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉颖掘炞C系統(tǒng)的可靠性。

編寫接收程序，程序流程圖如圖5，圖6所示。將接收程序燒至Coordinator節(jié)點中的LM3S9B96中，使Router接收到的所有數(shù)據(jù)重新還原成60*50矩陣存儲。

4 現(xiàn)場應(yīng)用實例

基于ZigBee技術(shù)開發(fā)的電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖7所示，包括多個檢測前端和一個檢測終端。檢測前端獲取電纜局放信號后，進(jìn)行預(yù)處理、提取出信號特征參數(shù)，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將特征參數(shù)發(fā)送至檢測終端，再經(jīng)由分析診斷中心對電纜局放信號進(jìn)行分析診斷。

圖5 Router節(jié)點程序流程圖

圖6 Coordinator節(jié)點程序流程圖

圖7 基于ZigBee的電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)

該新型電纜局部放電監(jiān)測系統(tǒng)在多個變電站安裝運行，對數(shù)十條電纜線路局放進(jìn)行了連續(xù)在線監(jiān)測。系統(tǒng)運行的主界面如圖8所示。

圖8 監(jiān)測系統(tǒng)程序主界面

5 結(jié)束語

本文研究了基于ZigBee的無線傳輸技術(shù)及其電纜局放在線監(jiān)測中的應(yīng)用，設(shè)計了基于ZigBee無線傳輸?shù)碾娎|局放在線監(jiān)測系統(tǒng)。

相比現(xiàn)有的電纜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)，本文設(shè)計的系統(tǒng)具有如下特點:

(1)系統(tǒng)組成簡潔，減少了復(fù)雜的連接線纜，可有效提高現(xiàn)場工作的效率;

(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，擴展性好，可以根據(jù)待測設(shè)備的要求，增加或刪減監(jiān)測前端和通道;

(3)系統(tǒng)成本低，可靠性高，系統(tǒng)前端處理，向后端傳輸特征參數(shù)，極大地提高了通訊效率，增強了系統(tǒng)的可靠性。

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