基于ZigBee的斷路器動觸頭溫度智能測控系統(tǒng)設(shè)計

顧志偉1,，楊 威，徐擁華

(1.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，武漢 430072；2.國網(wǎng)衢州供電公司，浙江 衢州 324000)

0 引言

對斷路器的檢測，其動觸頭溫度是一個關(guān)鍵指標，由于氧化、制造精度、電弧沖擊等各種因素影響，使接觸點電阻變大、溫度升高。一旦溫度升高超過設(shè)定的閾值，就會出現(xiàn)氧化效應(yīng)，進而嚴重影響斷路器使用效率，甚至造成斷路器動觸頭彈簧斷裂，阻礙設(shè)備正常運行，影響整個電網(wǎng)的穩(wěn)定運行[1]。

在實際生活中，工作人員主要采用人工技術(shù)對斷路器動觸頭進行測溫，通過人工手持設(shè)備對斷路器動觸頭進行溫度測量，該技術(shù)依賴員工的操作水平，一旦操作水平不高，就會出現(xiàn)誤報、漏報等情況[2]。為此，后來采用接觸式傳感器對溫度進行測量，通過有線通信方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X設(shè)備之中，以此進行測量，該方法一旦出現(xiàn)通信線長時間未進行清理，爬電距離將會縮短，那么就需斷開斷路器，造成供電系統(tǒng)的中斷，使斷電次數(shù)增加[3]。

為了避免上述存在的缺陷，設(shè)計了基于ZigBee的斷路器動觸頭溫度智能測控系統(tǒng)。通過對單一參數(shù)分析，一旦溫度過高，就可通過控制散熱器進行降溫，所有的溫度都是實時通過無線傳輸?shù)接嬎銠C上，利用上位機設(shè)定的程序?qū)ζ溥M行處理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體主要由四部分組成，分別是溫度數(shù)據(jù)采集、溫度控制、數(shù)據(jù)傳輸及遠程監(jiān)控終[4]。

整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 溫度智能測控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

其中溫度數(shù)據(jù)采集部分與溫度控制部分是由鋁合金外殼CNC數(shù)控加工的定制DTS光纖溫度傳感器、ZigBee終端節(jié)點、鋁翅片加銅管換熱器 180 mm*80 mm*160 mm多排管+150風(fēng)扇的翅片散熱器構(gòu)成[5]。溫度數(shù)據(jù)讀取是針對終端接收到的脈沖回波信號頻率進行計算的，ZigBee通過串口與終端節(jié)點之間通信，將溫度數(shù)據(jù)通過無線通信方式傳遞給終端節(jié)點，使多個ZigBee協(xié)調(diào)器與ZigBee終端節(jié)點組成龐大無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)[6]。由DCP-3201 RS232轉(zhuǎn)RS485/RS422雙向通信器、酷道K7 DUE Sam3x8e R3 ARM32位主控器和ZigBee協(xié)調(diào)器組成的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，可控制溫度數(shù)據(jù)的發(fā)送、處理與接收，通過互聯(lián)網(wǎng)將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶[7]。

上位機控制器主要是由LabVIEW進行程序編輯的，其主要功能包括存儲、實時控制以及溫度顯示，軟件部分設(shè)計基本思路如圖2所示。

圖2 軟件部分設(shè)計基本框架

通過硬件設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后，需采用濾波技術(shù)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，通過小波算法，對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行溫度預(yù)測，并對程序設(shè)置閾值，保證其溫度變化速率不超過設(shè)定的安全值，根據(jù)不同值設(shè)定預(yù)警等級，依據(jù)該等級發(fā)出不同強度信號，以此警示并通知工作人員，使所有接收到的溫度數(shù)據(jù)實時顯示[8]。

將ZigBee無線傳輸技術(shù)應(yīng)用在對溫度數(shù)據(jù)提取上，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將每個ZigBee終端收集的溫度數(shù)據(jù)進行整理及處理，并將最終結(jié)果顯示在斷路器顯示屏上，當(dāng)溫度超過設(shè)定的閾值時，其將會根據(jù)設(shè)定的預(yù)警等級進行警告，以此完成斷路器動觸頭溫度智能測控系統(tǒng)設(shè)計。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸部分采用RS-485總線，由于斷路器工作特性多為金屬殼封閉式，無法發(fā)送ZigBee無線信號，因此，該部分采用有線通信技術(shù)進行溫度數(shù)據(jù)傳輸[9]。RS-485有線通信結(jié)構(gòu)及通信協(xié)議較為簡單，能達到一千米以上的通信距離。溫度數(shù)據(jù)采集及控制部分可分為多個子部分，每個斷路器為一個子部分，每個斷路器中安裝多個溫度數(shù)據(jù)收集器和1個ZigBee終端節(jié)點，并且在其內(nèi)部加載翅片散熱器，來實現(xiàn)其對溫度操控[10]。

2.1 溫度數(shù)據(jù)采集部分

實時的斷路器動觸頭相關(guān)數(shù)據(jù)采集是溫度智能測控系統(tǒng)使用CC2350射頻電路通過串口與上位機進行交互來實現(xiàn)的，并實時與ZigBee協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)傳輸，以此完成溫度數(shù)據(jù)采集。

如圖3所示，在每個斷路器中安裝多個溫度數(shù)據(jù)采集器采集動觸頭溫度數(shù)據(jù)，再利用ZigBee無線傳輸技術(shù)把傳感器收集到的溫度數(shù)據(jù)傳遞給終端節(jié)點。

圖3 數(shù)據(jù)采集器

ZigBee協(xié)調(diào)器能夠通過網(wǎng)絡(luò)自主掃描信道，自主設(shè)置地址并創(chuàng)建新的通信網(wǎng)絡(luò)，通過該網(wǎng)絡(luò)完成初始化并等待其他終端節(jié)點的加入。ZigBee終端節(jié)點通電后將自主掃描其一定距離內(nèi)的協(xié)調(diào)器，并請求連接，ZigBee協(xié)調(diào)器接收到請求后會立刻做出一個再次確認的信號發(fā)送給終端節(jié)點，如果協(xié)調(diào)器容量大，那么協(xié)調(diào)器會主動發(fā)送一定范圍內(nèi)終端節(jié)點一個關(guān)聯(lián)信號，并分配一個短地址，終端節(jié)點收到信號將會返回，并再次確認該信號，及時記錄短地址，當(dāng)其信號得到確認時，說明網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)成功。

鋁合金外殼CNC數(shù)控加工的定制DTS光纖溫度傳感器能夠在特殊環(huán)境下正常運行，其檢測傳輸?shù)妮d體采用近紅光的可見光、傳輸通道采用樹脂光纖，其走線在保證安全距離的情況下，密布、整齊排布。雖然僅有幾分鐘的溫度感應(yīng)時間，但由于實際中斷路器觸頭溫度不能突變，因此，其觀測值對探測結(jié)果差距并不大，如果發(fā)生溫度突變則判定斷路器發(fā)生斷路。采用鋁合金外殼CNC數(shù)控加工的定制DTS光纖傳感器，通過CC2350射頻電路，將傳輸?shù)臏囟葦?shù)據(jù)數(shù)據(jù)實時發(fā)送到終端節(jié)點，CC2350射頻電路如圖4所示。

圖4 CC2350射頻電路

采集的數(shù)據(jù)是以信號形式通過匹配的濾波網(wǎng)絡(luò)進行放大處理的，放大模塊通常采用晶體管共射極結(jié)構(gòu)，對其輸入阻抗后與低噪聲放大器輸出阻抗相匹配，進而保證電路最佳輸出功率。此外，噪聲放大器的輸出阻抗需與混頻器輸入阻抗一致，能夠保證輸出完整采集信號。

將輸出的完整數(shù)據(jù)傳送至采集終端，通過串口傳遞給ARM芯片。其接收到信息后，將最終的結(jié)果顯示在斷路器顯示屏上，當(dāng)溫度超過設(shè)定的閾值時，將會根據(jù)設(shè)定的預(yù)警等級進行警告，并控制散熱器進行散熱。

2.2 溫度控制部分

溫度控制器是根據(jù)實際工作環(huán)境進行溫度變化控制的，尤其在開關(guān)內(nèi)部出現(xiàn)物理變形時，就會產(chǎn)生某些特殊效應(yīng)，進而自動斷開一系列控制元件，以此供應(yīng)電路采集相關(guān)溫度數(shù)據(jù)。

采用騰馳 XH-W1308數(shù)字溫度控制器，溫控開關(guān)溫度控制可調(diào)數(shù)顯220 V供電紅光送面板和探頭。該控制器芯片如圖5所示。

圖5 數(shù)字溫度控制器

采用該型號數(shù)據(jù)溫度控制器還可與水滴頭、防水頭、磁性頭、螺紋頭和薄膜頭相搭配，控制溫度范圍保持在120度以內(nèi)。

對XH-W1308數(shù)字溫度控制器面板說明如圖6所示。

圖6 XH-W1308數(shù)字溫度控制器面板

按住SET鍵3秒后會顯示P0，再按一次SET鍵可修改P0，其中H—加熱鍵，C—制冷鍵。設(shè)定回差值，一旦溫度停止后回落，并再次啟動，默認2秒就重新修改P1。設(shè)定停止溫度需通過ENT鍵確認返回，此時名目顯示實時溫度，按一次SET鍵屏幕閃爍，直接按“+”、“-”設(shè)定停止溫度即可。

3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

為了保證溫測系統(tǒng)能到達預(yù)期效果，需對系統(tǒng)進行全方面的軟件設(shè)計，通過對各部件軟件編程，能夠高效對溫度數(shù)據(jù)進行提取和傳輸，采用ZigBee技術(shù)對節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)實時預(yù)警。

系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

協(xié)調(diào)器在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中作用十分重要，其功能是構(gòu)建無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，其本身就是這個網(wǎng)絡(luò)的中心，在協(xié)調(diào)器連接電源后，首先初始化各部件。待初始化完成后，開始對信道掃描，選擇一個與其距離最短的信道，然后占用一個短地址，最后以廣播形式發(fā)送連接信號至一定范圍內(nèi)的終端節(jié)點。終端節(jié)點一旦接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的連接信號時，將會返回一個請求確認原碼，協(xié)調(diào)器再次確認后，終端節(jié)點就加入了網(wǎng)絡(luò)之中。而終端節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)中心，然后協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)遞給主控電腦，協(xié)調(diào)器不會中止工作，它將實時地發(fā)送與接收數(shù)據(jù)。

在協(xié)調(diào)器完成構(gòu)建后，終端收集器開始上電，終端節(jié)點開始工作，如果沒有接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的連接請求，那么將搜索一定范圍內(nèi)的頻率，主動發(fā)出請求，如果請求失敗則將會一直請求入網(wǎng)直至成功。入網(wǎng)成功后，其獲得一個協(xié)調(diào)器分發(fā)短地址，終端節(jié)點將每隔一定時間收集傳感器上溫度數(shù)據(jù)，并把收集到的溫度數(shù)據(jù)即時發(fā)送至協(xié)調(diào)器，如果收到協(xié)調(diào)器確定收到信息信號后，將進入休眠模式，等待下一個收集時間將自動喚醒，以此來減少能耗，提高使用壽命，如果一定時間內(nèi)未接收到協(xié)調(diào)器信號，將再次發(fā)送溫度數(shù)據(jù)至協(xié)調(diào)器，直到其接收到協(xié)調(diào)器的確認接收信號。

采用ZigBee技術(shù)減少數(shù)據(jù)采集終端在數(shù)據(jù)傳輸過程中可能受到強電環(huán)境的干擾，而影響溫度數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，該技術(shù)可以有效提高溫度控制效果，具體溫度控制規(guī)則為：

規(guī)則1：如果獲取的溫度采集數(shù)據(jù)與實際溫度相差較大，那么系統(tǒng)為了降低誤差，需延長數(shù)據(jù)采集時間預(yù)防偏差產(chǎn)生。一旦出現(xiàn)偏差，那么硬件設(shè)備會因為溫度過高而出現(xiàn)控制失效問題。因此，利用ZigBee節(jié)點，選取一個較大參數(shù)作為上限，選擇較小參數(shù)作為下限，保證全部數(shù)據(jù)溫度值都在該限制范圍內(nèi)；

規(guī)則2：如果獲取的溫度采集數(shù)據(jù)與實際溫度相差為中等大小時，根據(jù)TCP/IP連接請求以及協(xié)調(diào)器將系統(tǒng)溫度控制在一定范圍內(nèi)，此時選擇兩個較小參數(shù)，保證全部數(shù)據(jù)溫度值都在該限制范圍內(nèi)；

規(guī)則3：如果獲取的溫度采集數(shù)據(jù)與實際溫度相差較小時，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性較強，應(yīng)該選擇兩個較大參數(shù)，為避免誤差對系統(tǒng)帶來的干擾，需增強系統(tǒng)的抗干擾能力，選擇參數(shù)與實際偏差率成反比。

依據(jù)上述規(guī)則，對斷路器動觸頭溫度進行智能測控。

4 系統(tǒng)測試

采用IEEE802.15.4指標構(gòu)建無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，將功能分為精簡版和完整版兩種類型，其中完整版不僅有著協(xié)調(diào)器的功能而且還能充當(dāng)終端節(jié)點，而精簡版只能看成終端節(jié)點來與完整版進行交互。以此為基本實驗結(jié)構(gòu)，對基于ZigBee的斷路器動觸頭溫度智能測控系統(tǒng)進行測試。

4.1 參數(shù)設(shè)置

針對斷路器動觸頭智能測控系統(tǒng)中的溫度傳感器進行溫度數(shù)據(jù)采集和傳輸相關(guān)參數(shù)設(shè)置，如表1所示。

表1 溫度數(shù)據(jù)采集和傳輸相關(guān)參數(shù)設(shè)置

采用無線充電及鋰電池交替供電的方式對數(shù)據(jù)采集終端進行能耗補充，由于其本身功耗低，在不連接導(dǎo)線的情況下也可完成日常的工作。

硬件結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 硬件結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)設(shè)置

動觸頭采用的光纖傳感器，其采用非接觸的方式測量動觸頭溫度，其測量溫度精度高、測量尺度大、傳輸速度高，能耗低。ZigBee無線通信傳輸范圍廣、傳輸質(zhì)量高且穩(wěn)定、通信延遲也符合規(guī)定；無線通信方式不僅具有有限通信優(yōu)點而且能夠減少斷路器內(nèi)的布線，提高安全系數(shù)。

4.2 實驗結(jié)果與分析

利用LabVIEW可視化功能對其進行可視化界面設(shè)計，其可視化界面由溫度實時顯示、高溫預(yù)警及操控方案、溫度儲存與查看及溫度預(yù)測組成。在終端節(jié)點采集數(shù)據(jù)的時間間隔為3 s，上位機在接收到協(xié)調(diào)器發(fā)來的溫度數(shù)據(jù)后，對一段時間內(nèi)溫度數(shù)據(jù)進行處理，采用加權(quán)直線外推方法來對溫度進行預(yù)測，根據(jù)這段時間的溫度數(shù)據(jù)，來預(yù)測相同時間間隔某時刻溫度值，該實驗預(yù)測樣本時間選取15 s、30 s和60 s。

設(shè)置預(yù)測誤差評價范圍如表3所示。

表3 預(yù)測誤差評價

依據(jù)該表對預(yù)測的溫度數(shù)據(jù)及溫度變化率進行閾值判斷，根據(jù)判斷結(jié)果進行處理，其預(yù)警判斷方式、預(yù)警等級及高溫處理方式如表4所示。

表4 溫度測控狀態(tài)表

分別設(shè)置兩個測試點，對這兩個測試點的溫度進行預(yù)測，結(jié)果如圖8所示。

圖8 兩個測試點溫度預(yù)測實際情況

根據(jù)圖8可以看出，斷路器動觸頭的溫度曲線在到達閾值后將出現(xiàn)降低的趨勢，這是因為其溫度值達到了一級預(yù)警，系統(tǒng)將自動進行降溫處理，進而使溫度下降。

為了進一步驗證基于ZigBee斷路器動觸頭溫度智能測控系統(tǒng)在有無強電環(huán)境干擾下的控制效果，需將傳統(tǒng)系統(tǒng)與該系統(tǒng)進行對比分析。

1)無強電環(huán)境干擾：

在無強電干擾環(huán)境下，將兩種系統(tǒng)的控制效果進行對比分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 兩種系統(tǒng)在無強電干擾環(huán)境下控制效果對比分析

測試點1：當(dāng)時間為5s時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)控制效果可達到85%，而基于ZigBee斷路器測控系統(tǒng)控制效果可達到92%；當(dāng)時間為15 s時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)控制效果可達到78%，而基于ZigBee斷路器測控系統(tǒng)控制效果可達到98%；當(dāng)時間為25 s時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)控制效果可達到61%，而基于ZigBee斷路器測控系統(tǒng)控制效果可達到99%。

測試點2：采用傳統(tǒng)系統(tǒng)在時間為10s時，控制效果可達到80%，而基于ZigBee斷路器測控系統(tǒng)控制效果為96%；采用傳統(tǒng)系統(tǒng)在時間為20 s時，控制效果可達到76%，而基于ZigBee斷路器測控系統(tǒng)控制效果為90%；采用傳統(tǒng)系統(tǒng)在時間為25 s時，控制效果可達到68%，而基于ZigBee斷路器測控系統(tǒng)控制效果為89%。

因此，在無強電干擾環(huán)境下，基于ZigBee斷路器測控系統(tǒng)控制效果比傳統(tǒng)系統(tǒng)控制效果要好。

2)有強電環(huán)境干擾：

在有強電干擾環(huán)境下，將兩種系統(tǒng)的控制效果進行對比分析，結(jié)果如圖10所示。

圖10 兩種系統(tǒng)在有強電干擾環(huán)境下控制效果對比分析

測試點1：采用傳統(tǒng)系統(tǒng)在時間為10s時，控制效果可達到42%，而基于ZigBee斷路器測控系統(tǒng)控制效果為82%；采用傳統(tǒng)系統(tǒng)在時間為20 s時，控制效果可達到35%，而基于ZigBee斷路器測控系統(tǒng)控制效果為89%。

測試點2：采用傳統(tǒng)系統(tǒng)在時間為10 s時，控制效果可達到9%，而基于ZigBee斷路器測控系統(tǒng)控制效果為78%；采用傳統(tǒng)系統(tǒng)在時間為20 s時，控制效果可達到18%，而基于ZigBee斷路器測控系統(tǒng)控制效果為72%。

因此，在有強電干擾環(huán)境下，基于ZigBee斷路器測控系統(tǒng)控制效果比傳統(tǒng)系統(tǒng)控制效果要好。

5 結(jié)論

為滿足實際生活中斷路器動觸頭溫度檢測及控制難的情況，研發(fā)出一種基于ZigBee的斷路器動觸頭溫度智能測控系統(tǒng)，并對此系統(tǒng)進行了實驗測試，得出以下結(jié)論：

1)基于ZigBee斷路器動觸頭溫度智能測控系統(tǒng)能夠較好檢測與控制動觸頭得溫度，其性能安全可靠，費用較低，值得相關(guān)人員進行更深入研究。

2)ZigBee無線通信技術(shù)具有能耗低、有效避免斷路器內(nèi)布線麻煩、抗強電干擾能力強、傳輸數(shù)據(jù)質(zhì)量高和傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點，很適合在溫度測控系統(tǒng)中應(yīng)用。

3)該系統(tǒng)具有實時檢測溫度和溫度提升率、預(yù)測溫度和溫度提升率的功能，并且設(shè)置了溫度預(yù)警等級，系統(tǒng)會根據(jù)溫度預(yù)警等級進行操作，該系統(tǒng)的實現(xiàn)有助于工作人員檢修及維護電力系統(tǒng)穩(wěn)定。

綜上所述，基于ZigBee溫度測控系統(tǒng)較傳統(tǒng)溫度測控系統(tǒng)有了質(zhì)的提升，能夠應(yīng)用于各種各樣地方，尤其在一些不易檢測的密閉環(huán)境及比較惡劣環(huán)境下更能體現(xiàn)出此類方法的優(yōu)越性。由于斷路器動觸頭溫度測控比較方便，如果想普及此類技術(shù)則需要廣大科研人員進行更深層次的探索。