基于ZigBee技術(shù)的電力系統(tǒng)高壓開(kāi)關(guān)柜溫度測(cè)控系統(tǒng)研究

宋亮

摘 要：本研究設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的高壓開(kāi)關(guān)柜溫度測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用低功耗DS18B20溫度傳感器和CC2530芯片構(gòu)建溫度信號(hào)的實(shí)時(shí)采集模塊，經(jīng)ZigBee通信協(xié)議完成與上位機(jī)的組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、遠(yuǎn)程傳輸和集中控制等功能。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠性好，集成封裝便于安裝。

關(guān)鍵詞：高壓開(kāi)關(guān)柜;溫度測(cè)控系統(tǒng);ZigBee

中圖分類(lèi)號(hào)：TP272 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）26-0026-03

Research on Temperature Measure-monitoring System of Power

System High Voltage Switchgear Based on ZigBee Technology

SONG Liang

（Yangling Vocational and Technical College，Yangling Shaanxi 712100）

Abstract： This study designed a temperature measure-monitoring system for high voltage switchgear based on ZigBee technology. The system uses the low-power DS18B20 temperature sensor and CC2530 chip to build a real-time acquisition module for temperature signals. The ZigBee communication protocol is used to complete the networking with the host computer to realize real-time acquisition， remote transmission and centralized control of temperature data. The system runs stably and reliably， and the integrated package is easy to install.

Keywords： high-voltage switch cabinet;temperature measure-monitoring system;ZigBee

高壓開(kāi)關(guān)柜作為電力系統(tǒng)中重要的電力線路開(kāi)/閉、線路故障保護(hù)和運(yùn)行電量測(cè)控的核心設(shè)備，其運(yùn)行的安全可靠性和節(jié)能經(jīng)濟(jì)性直接影響到電力系統(tǒng)能否安全可靠地輸電、供電和配電。高壓開(kāi)關(guān)柜觸頭溫升故障，輕者會(huì)導(dǎo)致控制保護(hù)設(shè)備動(dòng)作保護(hù)，重者可能導(dǎo)致大面積停電事故甚至電氣火災(zāi)事故，直接威脅到電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，傳統(tǒng)的人工靜態(tài)測(cè)溫巡視方法在溫度數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性等方面均很難滿(mǎn)足現(xiàn)代智能電網(wǎng)對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜高效、智能化、自動(dòng)化和動(dòng)態(tài)集成調(diào)控的需求。發(fā)展最快且應(yīng)用較廣泛的ZigBee技術(shù)是電力系統(tǒng)中一種新興的無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)，具有組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行安全可靠性高、網(wǎng)絡(luò)兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用在電力系統(tǒng)高壓開(kāi)關(guān)柜監(jiān)測(cè)集中組網(wǎng)中[1]。為此，本文針對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)智能化、集成化需求，設(shè)計(jì)一種基于ZigBee技術(shù)的高壓開(kāi)關(guān)柜在線監(jiān)控系統(tǒng)，完成高壓開(kāi)關(guān)柜溫升的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集遠(yuǎn)程分析和控制保護(hù)。

1 高壓開(kāi)關(guān)柜溫度在線測(cè)控系統(tǒng)總體方案

電力系統(tǒng)高壓開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行時(shí)處于高壓、封閉等環(huán)境，相關(guān)開(kāi)關(guān)設(shè)備在狹小空間里運(yùn)行，電纜接頭壓實(shí)不緊、觸頭材料不均勻、緊固螺栓松動(dòng)、設(shè)備老化等因素均會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜觸頭異常發(fā)熱甚至出現(xiàn)燒穿等火災(zāi)事故。相比傳統(tǒng)的貼色片測(cè)溫法、紅外測(cè)溫法和光纖測(cè)溫法，以ZigBee技術(shù)為核心的無(wú)線測(cè)溫法將帶有傳感器的測(cè)溫裝置安裝在高壓開(kāi)關(guān)柜高壓區(qū)，直接接觸到開(kāi)關(guān)設(shè)備的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，然后經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)集中器中，對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，形成溫度數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警和故障預(yù)判等信息，便于運(yùn)行人員根據(jù)相關(guān)提示及時(shí)處理相關(guān)故障，確保高壓開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行安全。高壓開(kāi)關(guān)柜溫度在線測(cè)控系統(tǒng)主要由ZigBee溫度采集器和GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完成溫度數(shù)據(jù)信號(hào)的采集、傳輸和收集[2]。溫度在線測(cè)控系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與溫度控制層、數(shù)據(jù)傳輸層和站控層3層結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。

1.1 溫度數(shù)據(jù)采集與溫度控制層

ZigBee溫度采集傳感器模塊安裝在高壓開(kāi)關(guān)柜中，溫度采集傳感器通過(guò)ZigBee技術(shù)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并經(jīng)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)介_(kāi)關(guān)柜中的匯聚節(jié)點(diǎn)，經(jīng)RS485網(wǎng)絡(luò)完成高壓開(kāi)關(guān)柜間溫度數(shù)據(jù)信號(hào)的集中收集和遠(yuǎn)程傳輸。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸層

匯聚節(jié)點(diǎn)處的數(shù)據(jù)集中器在接收到ZigBee溫度采集器模塊發(fā)射的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)信號(hào)后，通過(guò)內(nèi)部RS485串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)中，便于站控層操作員工作站、工程師工作站等站控層設(shè)備讀取、分析。

1.3 站控層

站控層數(shù)據(jù)處理單元接收到經(jīng)RS485網(wǎng)絡(luò)上傳的溫度數(shù)據(jù)信號(hào)后，經(jīng)數(shù)據(jù)分析處理形成對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)并顯示在監(jiān)控LCD屏上，然后經(jīng)數(shù)據(jù)判斷，分析其是否超過(guò)設(shè)定值。當(dāng)開(kāi)關(guān)柜溫度數(shù)據(jù)信號(hào)超過(guò)設(shè)定值后，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并經(jīng)聲光報(bào)警、短信等形式提示運(yùn)行管理人員及時(shí)查看相關(guān)故障信號(hào)，便于其及時(shí)制定有效可行的調(diào)控策略。

2 ZigBee溫度采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee溫度采集器模塊是溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)溫度數(shù)據(jù)采集單元，也是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件單元。溫度采集器主要由DS18B20溫度傳感器、CC2530芯片和電源三部分組成。

2.1 溫度傳感器

考慮到電力系統(tǒng)高壓開(kāi)關(guān)柜的內(nèi)部空間狹窄和封閉高壓環(huán)境，本設(shè)計(jì)優(yōu)選不用A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，通過(guò)集成數(shù)字式采集溫度信號(hào)。一方面，其直接采集溫度數(shù)值信號(hào)，無(wú)需外接ADC轉(zhuǎn)換電路，體積較小，不擠占高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部空間;另一方面，其集成封裝結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的全數(shù)字轉(zhuǎn)換與輸出，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。這種溫度傳感器僅需一個(gè)I/O數(shù)據(jù)信號(hào)線即可實(shí)現(xiàn)供電與溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2.2 控制芯片

高壓開(kāi)關(guān)柜溫度接點(diǎn)采集到溫度信號(hào)后，經(jīng)ZigBee通信協(xié)議與以CC2530芯片為核心的匯聚節(jié)點(diǎn)控制器相連，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。同時(shí)，CC2530芯片接收集中器或上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)射的控制信號(hào)，完成遠(yuǎn)程集控。CC2530芯片結(jié)合了RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，基于ZigBee協(xié)議棧，為區(qū)域低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供一個(gè)強(qiáng)大且完整的ZigBee遠(yuǎn)程控制解決方案，尤其在-40～125℃和2.0～3.6V運(yùn)行環(huán)境中具備非常良好的通信效果，可以讀取溫度測(cè)控接點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，自動(dòng)操作和確定高壓開(kāi)關(guān)柜中無(wú)線設(shè)備事件的順序，并可以接收和發(fā)出相應(yīng)控制命令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制。

2.3 電源設(shè)計(jì)

考慮到電力系統(tǒng)中高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的高壓復(fù)雜環(huán)境，硬件系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)時(shí)要充分做好電源部分的絕緣性和供電穩(wěn)定可靠性。目前，工程中常見(jiàn)的電源主要有互感器取電法和蓄電池供電法兩種。其中，互感器取電是從高壓開(kāi)關(guān)柜高壓側(cè)母線中通過(guò)線圈感應(yīng)獲得電能資源，其通過(guò)互感器取電后需要經(jīng)過(guò)整理、濾波、穩(wěn)壓和控制等一系列電路處理，方可實(shí)現(xiàn)電源的穩(wěn)定供電，供電結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，對(duì)于低功耗的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言，不僅造價(jià)高，而且體積較大，不適合用于高壓開(kāi)關(guān)柜等密閉狹窄空間。另外，考慮到ZigBee溫度采集器具有低功耗特點(diǎn)，一塊蓄電池的蓄電能量能支持整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行2～3年，與高壓開(kāi)關(guān)柜的定期維護(hù)和大修時(shí)間較匹配，更換電池也較方便。因此，設(shè)計(jì)采用蓄電池供電，并通過(guò)TPS79533 DC-DC變換電路轉(zhuǎn)換獲得ZigBee芯片良好運(yùn)行的3.3V工作電壓。

3 ZigBee溫度采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

從圖1可知，ZigBee高壓開(kāi)關(guān)柜溫度測(cè)控系統(tǒng)主要包括ZigBee溫度采集器軟件設(shè)計(jì)和溫度采集集中器接點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)兩部分。以TI公司開(kāi)發(fā)的Z-stack2007通信協(xié)議為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)高壓開(kāi)關(guān)柜測(cè)溫接點(diǎn)和集中器軟件程序，如圖2所示。

系統(tǒng)通電后，溫度節(jié)點(diǎn)傳感器基于ZigBee協(xié)議組網(wǎng)，組網(wǎng)成功后根據(jù)設(shè)備事件順序按需讀取溫度數(shù)據(jù)，并經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)幀，待數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，就進(jìn)入特定周期的休眠狀態(tài)，確保實(shí)時(shí)采集開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的同時(shí)，降低測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行功耗，提高系統(tǒng)蓄電池供電時(shí)長(zhǎng)，延長(zhǎng)測(cè)溫芯片工作壽命。如果溫度數(shù)據(jù)發(fā)送不成功，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)入繼續(xù)讀取溫度數(shù)據(jù)流程，直到采集到系統(tǒng)所需的溫度信號(hào)為止。同理，溫度采集集中器主要與站控層的上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，當(dāng)組網(wǎng)成功并完成數(shù)據(jù)上傳后，串口上位機(jī)屏幕顯示溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)一個(gè)周期的數(shù)據(jù)采集完成。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)將ZigBee技術(shù)與電力系統(tǒng)高壓開(kāi)關(guān)柜測(cè)溫相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)設(shè)備溫度數(shù)據(jù)的無(wú)線采集和智能測(cè)控。主控室的上位機(jī)系統(tǒng)在開(kāi)關(guān)室的開(kāi)關(guān)柜溫度節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度信號(hào)的采集、上傳和分析處理。系統(tǒng)采用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)組建網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)電力系統(tǒng)高壓開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行環(huán)境特性，以最小能耗實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的無(wú)線采集和遠(yuǎn)程控制。本系統(tǒng)具有邏輯組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、溫度測(cè)量準(zhǔn)確可靠、遠(yuǎn)程操控方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)楦邏洪_(kāi)關(guān)柜觸頭溫升故障或事故提供很好的預(yù)防診斷和遠(yuǎn)程保護(hù)，確保電力系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行和供電線路的可靠供電運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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