基于ZigBee的開關(guān)柜觸頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)

（鄭州輕工業(yè)學院 電氣信息工程學院，鄭州 450002）

開關(guān)柜設備在電力系統(tǒng)中廣泛運用，承擔著線路投切、線路故障保護等重要作用，其安全穩(wěn)定運行對于供電線路的安全保障意義重大[1-2]。

就目前研究現(xiàn)狀而言，高壓觸點溫度測量主要采用接觸式測量和非接觸式測量2種方式，接觸式測量主要有溫度傳感器測溫、光纖光柵測溫、熱電偶測溫和聲表面波測溫等；非接觸式測量主要采用紅外熱像儀和紅外點溫儀測溫[5，9]。接觸式測量中溫度數(shù)據(jù)的傳輸主要采用無線和有線2種方式進行。開關(guān)柜設備內(nèi)部空間小，相對于溫度測量設備存在較高的電壓、電流，開關(guān)柜設備內(nèi)部電磁場對測量設備正常運行也存在影響[3，8]。光纖光柵、熱電偶、聲表面波等測量方式布線冗雜、測量誤差較大，紅外測溫設備成本較大且無法實現(xiàn)實時監(jiān)測[6]。數(shù)據(jù)的有線傳輸方式同樣布線困難，不易于安裝維護[4，7]。

本文研究和開發(fā)了一套基于ZigBee的開關(guān)柜觸頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在測溫節(jié)點的設計上采用環(huán)氧膠灌封的高導熱氧化鋁陶瓷一體化封裝和低功耗定時休眠設計，該封裝體積較小，易于安裝，具有很好的電氣絕緣強度和抗電磁干擾性能，能夠保證測溫節(jié)點電路長期穩(wěn)定運行和溫度數(shù)據(jù)的采集發(fā)送。測溫節(jié)點輻射功率在毫瓦級，不影響開關(guān)柜設備的強電回路，符合《無線通信設備電磁兼容性通用要求》的標準。系統(tǒng)通過ZigBee網(wǎng)絡進行溫度數(shù)據(jù)無線傳輸，開關(guān)柜各個觸點的溫度值在上位機界面進行實時顯示和存儲。系統(tǒng)經(jīng)過實驗室和現(xiàn)場安裝運行測試，能夠?qū)崿F(xiàn)對開關(guān)柜觸頭溫度數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測和存儲。

1 測量系統(tǒng)方案設計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由溫度測量節(jié)點、數(shù)據(jù)集中器和上位機監(jiān)控界面等組成，系統(tǒng)方案設計如圖1所示。各觸頭測溫節(jié)點通過ZigBee網(wǎng)絡將溫度數(shù)據(jù)按照特定的數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器，數(shù)據(jù)集中器負責網(wǎng)絡的構(gòu)建并將各開關(guān)柜發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)進行處理后通過串口發(fā)送到監(jiān)控界面進行顯示和記錄，PC監(jiān)控界面對各測溫點數(shù)據(jù)進行顯示和存儲。

圖1 系統(tǒng)方案設計Fig.1 System design

2 系統(tǒng)軟硬件設計

系統(tǒng)硬件設計主要包括溫度測量節(jié)點部分和數(shù)據(jù)集中器部分，硬件設計如圖2所示。測溫節(jié)點在硬件設計上主要包括單片機、供電單元、測溫傳感器單元、仿真接口單元和功率放大單元，硬件設計原理如圖2（a）所示。數(shù)據(jù)集中器在硬件設計上主要包括單片機、按鍵單元、仿真接口單元和功率放大單元，硬件設計原理如圖2（b）所示。系統(tǒng)溫度測量節(jié)點和數(shù)據(jù)集中器核心芯片采用TI/Chipcon公司的CC2530F256。該芯片集成單周期8051兼容內(nèi)核，外設睡眠定時器可以滿足系統(tǒng)低成本、低功耗的要求，同時支持ZigBee協(xié)議和IEEE802.15.4協(xié)議，內(nèi)含2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）無線射頻收發(fā)器核心，該芯片功能強大，滿足了系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量發(fā)送要求，易于實現(xiàn)測溫節(jié)點的小型化。測溫節(jié)點功耗在毫瓦級，不影響開關(guān)柜強電回路部分正常運行。

圖2 硬件設計Fig.2 Hardware design block diagram

2.1 供電與功率放大

數(shù)據(jù)集中器通過與上位機連接進行DC 5 V供電，實現(xiàn)持續(xù)功能，保證ZigBee網(wǎng)絡構(gòu)建的穩(wěn)定性、強壯性和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。測溫節(jié)點通過3.7 V小體積高能鋰電池供能，滿足測溫節(jié)點長時間供電要求。

測溫節(jié)點和數(shù)據(jù)集中器在設計上加入了功率放大芯片。功率放大部分采用了RFX2401C功率放大芯片，該芯片是一種超集成度的射頻前端集成電路，整合了IEEE802.15.4/ZigBee、無線傳感器網(wǎng)絡、2.4 GHz的ISM頻帶射頻前端功能，配有高效率的功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）、阻抗匹配網(wǎng)絡、諧波過濾器和CMOS控制邏輯，保證溫度數(shù)據(jù)在開關(guān)柜內(nèi)強干擾下的信號傳輸質(zhì)量和強度。

2.2 溫度測量單元

系統(tǒng)測溫單元溫度傳感器采用美國DALLAS半導體公司生產(chǎn)的接觸式DS18B20，該溫度傳感器為單總線數(shù)字式溫度傳感器，內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，測溫范圍為-55℃～125℃，測量精度相對較高，滿足開關(guān)柜觸頭測溫70℃閾值的測溫要求。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，不需要復雜的外圍電路，易于實現(xiàn)測溫節(jié)點的小型化，數(shù)據(jù)的讀寫和命令的寫入通過單根數(shù)據(jù)線進行，有效降低開光柜電磁環(huán)境對溫度測量的影響，可靠性較高。

溫度測量單元采用環(huán)氧樹脂膠灌封的高導熱氧化鋁陶瓷一體化封裝，封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。測溫節(jié)點采用環(huán)氧樹脂灌封膠封裝，可以提高測溫節(jié)點的抗電磁干擾能力，保證測溫節(jié)點電路可靠穩(wěn)定運行，灌封層介電常數(shù)3.8～4.2 kHz，25℃常溫下耐電壓12～16 kV/mm，加上開關(guān)柜設備良好的接地措施，保證了測溫節(jié)點的電氣安全。環(huán)氧樹脂灌封膠使用溫度范圍-60℃～250℃，能夠在開關(guān)柜設備內(nèi)部環(huán)境溫度下使用。氧化鋁陶瓷封裝可以有效防潮、防塵、防污和電壓絕緣，氧化鋁陶瓷高導熱系數(shù)保證了高壓觸點溫度測量數(shù)據(jù)的準確可靠。測溫節(jié)點安放時，溫度傳感器一側(cè)貼近開關(guān)柜觸頭測溫點。不同氧化鋁含量的導熱陶瓷主要性能參數(shù)如表1所示，對比備選3種材質(zhì)，系統(tǒng)封裝選擇氧化鋁含量99.7%的高剛玉質(zhì)導熱陶瓷，高純剛玉質(zhì)導熱陶瓷具有高導熱、高電氣絕緣、高耐壓和低吸水率等特性，適用于開關(guān)柜觸頭高電流、強電壓的環(huán)境。

圖3 測溫單元封裝結(jié)構(gòu)Fig.3 Encapsulation structure of temperature measurement unit

表1 導熱陶瓷性能參數(shù)表Tab.1 Parameter table

2.3 系統(tǒng)程序設計

測溫節(jié)點和數(shù)據(jù)集中器節(jié)點程序以TI公司開發(fā)的Z-stack2007協(xié)議棧作為開發(fā)模板，在此基礎上開發(fā)測溫節(jié)點和集中器程序。設備上電初始化并完成網(wǎng)絡組建后，溫度傳感器將測得的溫度數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器，無線數(shù)據(jù)幀格式定義為開始標志（KKH），測溫節(jié)點編號（4B），節(jié)點溫度數(shù)據(jù)（2B），CRC 校驗碼（1B），結(jié)束標志（00H）。 測溫節(jié)點在程序上加入了低功耗設計，通過定時休眠降低測溫節(jié)點功耗。測溫節(jié)點每發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)就進入特定周期的休眠，在保證數(shù)據(jù)測量實時性的同時降低測溫節(jié)點功耗，延長測溫節(jié)點工作壽命。測溫節(jié)點周期性地進行數(shù)據(jù)幀的無線發(fā)送，數(shù)據(jù)集中器將接收到的測溫點數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC監(jiān)測界面進行顯示和記錄。測溫節(jié)點和數(shù)據(jù)集中器節(jié)點程序設計如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程Fig.4 Program flow charts of system

3 實驗方法與結(jié)論

3.1 實驗室測試

實驗室條件下選用3個溫度測量節(jié)點進行系統(tǒng)的組網(wǎng)運行測試和系統(tǒng)測溫性能測試。

系統(tǒng)組網(wǎng)測試中，3個測溫節(jié)點分別對3個發(fā)熱體進行測量，測溫節(jié)點與數(shù)據(jù)集中器和上位機距離100 m。測溫節(jié)點每1 min發(fā)送1次數(shù)據(jù)幀，PC監(jiān)測上位機對3個測溫點發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)進行顯示記錄。系統(tǒng)在實驗室條件下持續(xù)運行1周，工作運行穩(wěn)定，系統(tǒng)PC監(jiān)控上位機記錄部分溫度曲線如圖5所示，該曲線為系統(tǒng)運行5 h內(nèi)分別對3個溫度測量點采集到的300個溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過實驗室測試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的組網(wǎng)工作，實現(xiàn)了對開關(guān)柜高壓觸點溫度持續(xù)在線監(jiān)測。

圖5 監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線Fig.5 Monitoring curve

系統(tǒng)測溫性能測試通過將系統(tǒng)測得數(shù)據(jù)與紅外測溫儀設備測得的數(shù)據(jù)進行比對分析系統(tǒng)測溫的相關(guān)參數(shù)。試驗主要對系統(tǒng)測溫誤差和測溫時延2個參數(shù)進行測試，試驗對比數(shù)據(jù)如表2所示。經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)測溫誤差在1.5℃以內(nèi)，能夠滿足電氣高壓觸點溫度測量精度要求，系統(tǒng)測溫時延在6 s左右?，F(xiàn)場開關(guān)柜觸頭溫度變化率不大于20℃/min，要求測溫設備測溫誤差在5℃以內(nèi)。對照系統(tǒng)1.5℃的測溫誤差和6 s的測溫時延，系統(tǒng)的測溫性能可以滿足現(xiàn)場開關(guān)柜觸頭溫度測量誤差和測溫時延要求。

表2 實驗數(shù)據(jù)表Tab.2 Experimental data table

系統(tǒng)在實驗室條件下的運行測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)100 m內(nèi)數(shù)據(jù)可以有效傳輸，系統(tǒng)測溫誤差為5℃，測溫延時為6 s，系統(tǒng)性能能夠滿足開關(guān)柜觸頭溫度測量要求。

3.2 現(xiàn)場運行測試

現(xiàn)場運行測試在某礦區(qū)變電站10 kV室內(nèi)開關(guān)柜設備上進行安裝測試，對系統(tǒng)的實際運行情況進行測試?，F(xiàn)場運行測試中，選擇開關(guān)柜設備三相母線、三相斷路器和三相隔離開關(guān)9個位置作為測量點。系統(tǒng)安裝后持續(xù)運行，系統(tǒng)PC監(jiān)控上位機監(jiān)測界面記錄測溫點數(shù)據(jù)曲線如圖6所示，該曲線為系統(tǒng)運行中某段溫度曲線。系統(tǒng)持續(xù)運行3個月測試時間內(nèi)運行穩(wěn)定可靠，未發(fā)生任何異常，溫度數(shù)據(jù)傳輸、記錄正常，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對開關(guān)柜設備觸頭溫度的在線監(jiān)測，能夠滿足電力企業(yè)對測溫系統(tǒng)24 h全天候正常工作的要求。

圖6 上位機監(jiān)測曲線Fig.6 PC monitoring curves

系統(tǒng)在現(xiàn)場運行情況顯示，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對開關(guān)柜觸頭溫度進行在線監(jiān)測，對觸頭溫度的測量滿足現(xiàn)場要求，能夠為開關(guān)柜觸頭過熱進行很好的預防診斷，保障開關(guān)柜設備的安全運行和供電回路可靠供電。

4 結(jié)語

本文基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對開關(guān)柜設備設計了一種開關(guān)柜觸頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)測溫節(jié)點采用環(huán)氧樹脂膠灌封的高導熱氧化鋁陶瓷一體化封裝，測溫節(jié)點體積較小、易于安裝，解決了開關(guān)柜內(nèi)部安裝空間小不易安裝、電磁干擾等問題。溫度數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡進行無線傳輸，解決了有線傳輸?shù)牟季€問題。系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)通過PC監(jiān)測上位機對觸頭溫度數(shù)據(jù)進行顯示、記錄，系統(tǒng)監(jiān)測界面設計有報警溫度設置和溫度異常提醒功能。系統(tǒng)通過實驗室和現(xiàn)場安裝運行測試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，能夠為開關(guān)柜觸頭過熱進行很好的預防診斷，保障開關(guān)柜設備的安全運行和供電回路可靠供電。

[1]王秉政，江建武，趙靈.高壓開關(guān)柜接觸發(fā)熱溫度場數(shù)值計算[J].高壓電器，2013，49（12）：42-48.

[2]劉宗信，張加善.固定式高低壓開關(guān)柜中載流節(jié)點發(fā)熱問題的淺析[J].吉林電力技術(shù)，1995，35（2）：57-60.

[3]潘長明，劉剛，熊炬，等.高壓開關(guān)柜絕緣事故的分析及防范措施[J].高壓電器，2011，47（7）：90-93.

[4]王小強，歐陽駿，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡設計與實現(xiàn)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012.

[5]楊增汪，王宜懷，戴新宇.基于ZigBee和GPRS的高壓開關(guān)柜無線監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（23）：203-206.

[6]陳寶怡.紅外診斷技術(shù)在高壓斷路器內(nèi)部發(fā)熱故障中的應用[J].高壓電器，2011，47（5）：92-95.

[7]邢曉敏，李波，陳靜.電力高壓觸點溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（22）：174-178.

[8]黃煒宏，謝章洪，陳祥偉，等.基于Zigbee技術(shù)的成套式開關(guān)設備溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設計與應用[J].高壓電器，2013，49（6）：125-130.

[9]張青山，段建東，葉兵.基于ZigBee的開關(guān)柜觸頭溫度在線監(jiān)測預警系統(tǒng)[J].高壓電器，2015，51（4）：29-35.