基于ZigBee技術(shù)高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

胡凱波，許林波，夏志凌

（1.浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，蘭溪321100；2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州311100）

智能輸配電網(wǎng)建設(shè)的進(jìn)一步深入，對電力開關(guān)設(shè)備安全運(yùn)行的自動化能力水平提出更高的技術(shù)要求。高壓開關(guān)柜中由于生產(chǎn)制造、運(yùn)輸安裝、過流燒蝕等導(dǎo)致接頭松動、散熱不良引起溫度異常而出現(xiàn)溫升告警、跳閘停電等事故時有發(fā)生[1]，據(jù)電力部門相關(guān)統(tǒng)計，每年發(fā)生在變電站的電力事故約有40%是由開關(guān)設(shè)備異常溫升造成。溫度作為開關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評估的重要指標(biāo)之一，是電力在線監(jiān)測和故障診斷的主要依據(jù)[2]，目前，國內(nèi)變電站通常采用紅外測溫儀按需進(jìn)行人工逐點(diǎn)測溫，溫度數(shù)據(jù)采集滯后、漏測和錯測等現(xiàn)象嚴(yán)重，如何實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的在線實時準(zhǔn)確的監(jiān)測采集和分析預(yù)測，已成為電力系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行急需解決的現(xiàn)實問題。

由于高壓開關(guān)柜復(fù)雜封閉式結(jié)構(gòu)及高壓、大電流和強(qiáng)磁場等惡劣運(yùn)行環(huán)境，給常規(guī)人工測溫和有線監(jiān)測的安全和精度均帶來極大不便，運(yùn)用文獻(xiàn)[3]中設(shè)計的溫度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)集群組網(wǎng)方案，利用ZigBee技術(shù)的自組織性、動態(tài)拓?fù)?、低功耗和傳輸穩(wěn)定等優(yōu)勢，構(gòu)建高壓開關(guān)柜溫度實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，用較低成本實現(xiàn)開關(guān)柜集群溫度的實時動態(tài)采集、遠(yuǎn)傳運(yùn)算分析和控制保護(hù)，幫助運(yùn)行管理人員及早發(fā)現(xiàn)安全隱患，消缺排障，也可為高壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢修評價工作提供詳實的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)方案

考慮到高壓開關(guān)柜分為A、B、C 三相及存在斷路器觸頭、電纜接頭、刀閘開關(guān)、母線等多個測控點(diǎn)，系統(tǒng)采用分散集控架構(gòu)，每個測量集群由3～24個測溫分節(jié)點(diǎn)（溫度傳感器）和1個匯集節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。開關(guān)柜測量集群采用低功耗、低成本且傳輸距離適中的ZigBee 無線通信技術(shù)，將測溫節(jié)點(diǎn)實時溫度數(shù)據(jù)經(jīng)小范圍無線網(wǎng)絡(luò)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)[4-5]，然后經(jīng)RS485總線網(wǎng)絡(luò)上傳到站控層數(shù)據(jù)接收終端。溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)由裝設(shè)在開關(guān)柜中的溫度采集裝置、數(shù)據(jù)傳輸通信網(wǎng)絡(luò)和站控監(jiān)控主站等組成，如圖1所示。

圖1所示，溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)底層為數(shù)據(jù)采集與溫度控制終端，底層網(wǎng)絡(luò)由若干傳感器和ZigBee 終端組成星型結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)按需采集溫度數(shù)據(jù)，并通過內(nèi)嵌式ZigBee通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)采用嵌入式技術(shù)和RS485總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)底層ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)與站控層間數(shù)據(jù)的傳輸、接收和存儲ZigBee 終端采集的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)匯聚節(jié)點(diǎn)中繼通過RS485總線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞給站控層數(shù)據(jù)處理中心[6-7]，監(jiān)測系統(tǒng)頂層為站控數(shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)高壓開關(guān)柜溫度數(shù)據(jù)的運(yùn)算分析和管理發(fā)布等。

圖1 高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of online temperature monitoring system for high voltage switchgear

2 基于ZigBee技術(shù)數(shù)據(jù)采集與溫度控制層

溫度監(jiān)測系統(tǒng)底層網(wǎng)絡(luò)主要包括溫度測量分節(jié)點(diǎn)和匯集節(jié)點(diǎn)兩部分，其中溫度測量分節(jié)點(diǎn)由布設(shè)在高壓開光柜柜中觸頭部位的若干光纖測溫傳感器組成，經(jīng)ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 溫度數(shù)據(jù)采集與控制電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Temperature data acquisition and control circuit structure

2.1 觸頭溫度采集終端

由于高壓開關(guān)柜運(yùn)行處于高電壓、強(qiáng)電磁、封閉且狹小空間環(huán)境，同時考慮柜內(nèi)多點(diǎn)溫度監(jiān)測及ZigBee 拓?fù)浣M網(wǎng)需要，優(yōu)選設(shè)計形式靈活、可靠性高且適用于高電壓、強(qiáng)電磁（EMI/RFI/EMP）、易燃易爆等特殊工業(yè)環(huán)境的熒光式光纖測溫傳感器，該傳感器工作電壓為DC 5 V，測溫范圍為-30℃～+125℃，測量精度為±1%℃或全量程的1%，1～16 路多通道測溫，對高壓、強(qiáng)電磁干擾有較強(qiáng)免疫力。

2.2 無線射頻控制模塊

溫度監(jiān)測系統(tǒng)底層控制模塊設(shè)計除了考慮開關(guān)柜復(fù)雜的高電壓、強(qiáng)電磁等特殊環(huán)境條件外，還需考慮小型化、低成本、低功耗等技術(shù)要求，德州儀器（TI）公司研發(fā)生產(chǎn)的CC2530控制芯片是以ZigBee為基礎(chǔ)用于2.4 GHz/IEEE 802.15.4/RF4CE/ZigBee應(yīng)用的低成本、低功耗的真正片上系統(tǒng)（SoC）解決方案[8]。CC2530 具備優(yōu)秀的接收靈敏度和抗干擾性，支持低功耗無線通信[9-10]，從休眠模式轉(zhuǎn)換到主動模式的時間只需4 μs，而激活狀態(tài)下接收或發(fā)送數(shù)據(jù)只需0.5 ms，功耗僅有24 mA 或29 mA。CC2530與熒光式光纖測溫傳感器通過SPI 連接，處理器根據(jù)通訊地址經(jīng)SPI 訪問傳感器，SPI接收或發(fā)送溫度數(shù)據(jù)由時鐘下降沿觸發(fā)。

2.3 匯聚節(jié)點(diǎn)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)ZigBee 傳感器網(wǎng)絡(luò)和RS485 串口網(wǎng)絡(luò)間的溫度數(shù)據(jù)傳遞，負(fù)責(zé)接收開關(guān)柜中各觸頭的溫度數(shù)據(jù)，并對各個終端分節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析，然后統(tǒng)一打包經(jīng)RS485網(wǎng)絡(luò)上傳到站控層數(shù)據(jù)處理中心ARM 芯片，ARM 處理器接收到溫度數(shù)據(jù)后，在開關(guān)柜面板上進(jìn)行實時顯示，并通過以太網(wǎng)總線上傳到站控層監(jiān)控主站上位機(jī)系統(tǒng)，實現(xiàn)液晶屏顯示、SCADA 存儲和短信提示等功能。ARM 自動根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的溫度閾值進(jìn)行對比判斷，一旦超過預(yù)設(shè)值則通過溫度控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)開啟對應(yīng)降溫設(shè)施，如圖3所示。

圖3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器電路結(jié)構(gòu)Fig.3 Circuit structure of ZigBee network coordinator

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)通過設(shè)置數(shù)據(jù)采集周期按需對觸頭溫度進(jìn)行定時監(jiān)測，其中：站控層主要實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的運(yùn)算分析、實時顯示和歸類存儲等功能；溫度傳感器分節(jié)點(diǎn)和ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)則采用德州儀器（TI）公司CC2530 提供的Z-stack協(xié)議棧軟件進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)[11]。

3.1 傳感器分節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

溫度采集無線傳感終端子節(jié)點(diǎn)是間接通過Zig-Bee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控主站進(jìn)行聯(lián)系，為了降低系統(tǒng)功耗，將子節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行溫度采集的絕大部分時間設(shè)置為休眠狀態(tài)，只有當(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)出溫度采集指令后才在短時內(nèi)喚醒，并待數(shù)據(jù)采集且發(fā)送完成后重新進(jìn)入到休眠狀態(tài)，傳感器分節(jié)點(diǎn)經(jīng)初始化處理，在收到信標(biāo)后向可用網(wǎng)絡(luò)發(fā)送入網(wǎng)請求，待并網(wǎng)成功發(fā)出綁定請求，得到允許采集溫度數(shù)據(jù)并發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。完成數(shù)據(jù)傳送后移除綁定，繼續(xù)監(jiān)聽信標(biāo)并轉(zhuǎn)入休眠模式，傳感器分節(jié)點(diǎn)溫度采集流程如圖4所示。

圖4 傳感器分節(jié)點(diǎn)軟件流程Fig.4 Software flow chart of sensor sub-node

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、溫度數(shù)據(jù)接收與處理、遠(yuǎn)程控制指令的收發(fā)與執(zhí)行，在接收來自傳感器分節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)后，經(jīng)ZigBee內(nèi)嵌式ARM 處理器處理后通過RS485總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控主站數(shù)據(jù)處理中心，協(xié)調(diào)器經(jīng)初始化處理進(jìn)行通信鏈路連接，網(wǎng)絡(luò)建立成功后一直處于在線候命狀態(tài)，當(dāng)收到溫度數(shù)據(jù)采集指令，經(jīng)ZigBee協(xié)調(diào)器中繼實現(xiàn)與ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)采集傳感器終端間的通信連接，并完成溫度數(shù)據(jù)的采集，最終將采集數(shù)據(jù)返回到遠(yuǎn)程監(jiān)控主站，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作軟件流程如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程Fig.5 Software flow chart of coordinator node

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控主站軟件設(shè)計

監(jiān)控主站負(fù)責(zé)接收溫度數(shù)據(jù)信號，并對數(shù)據(jù)解包、分析和存儲，上位機(jī)系統(tǒng)軟件采用面向TCP/IP協(xié)議的Socket通信機(jī)制的C/S機(jī)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）系統(tǒng)采用SQL Server 數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的存儲和管理，上位機(jī)監(jiān)控界面軟件主要具備以下功能：

（1）登陸界面：給不同用戶分配賬號、角色和管理權(quán)限，按權(quán)限進(jìn)行系統(tǒng)操作和管理；

（2）數(shù)據(jù)顯示：顯示高壓開關(guān)柜柜內(nèi)傳感器測量子節(jié)點(diǎn)的實時溫度數(shù)據(jù)和動態(tài)變化率，并可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計分析；

（3）異常報警功能：通過聲光等形式顯示異常數(shù)據(jù)部位、異常狀態(tài)及演變趨勢等信息，通過發(fā)送短信等形式提示管理人員對異常信息進(jìn)行及時排查和處理；

（4）終端設(shè)備參數(shù)設(shè)置：經(jīng)RS485總線網(wǎng)絡(luò)，對ZigBee協(xié)調(diào)器和終端溫度傳感器設(shè)備的特性參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如：GPS時鐘對時、采集周期定時、報警閾值設(shè)置等；

（5）系統(tǒng)自檢：系統(tǒng)自檢排查故障。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)采用兩級傳輸網(wǎng)絡(luò)，第一級采用免費(fèi)的2.4 GHz 頻段的ZigBee 短距離無線通信，既克服開關(guān)柜內(nèi)部高壓、強(qiáng)電磁等復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境[12]，又實現(xiàn)溫度短距離數(shù)據(jù)無線傳送；第二級采用RS485總線網(wǎng)絡(luò)，解決了開關(guān)柜封閉空間無線數(shù)據(jù)外傳受限問題，溫度數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器聚集后經(jīng)RS485網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)控主站，按圖1結(jié)構(gòu)安裝光纖測溫傳感器、ZigBee協(xié)調(diào)器等設(shè)備后，經(jīng)調(diào)試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，其在線監(jiān)測軟件界面，如圖6所示。

圖6 溫度在線監(jiān)測軟件界面Fig.6 Software interface of temperature online monitoring system

為驗證監(jiān)測系統(tǒng)的測溫性能，將系統(tǒng)自動采集的溫度數(shù)據(jù)與紅外測溫儀人工實測的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，如表1所示。

表1 觸頭溫度自動采集與實測數(shù)據(jù)對比Tab.1 Comparison between contact temperature automatic acquisition and measured data

從表1 測試數(shù)據(jù)對比分析可知，監(jiān)測系統(tǒng)按需實時采集高壓開關(guān)柜柜內(nèi)觸頭的溫度數(shù)據(jù)，同時可以對溫度數(shù)據(jù)變化率進(jìn)行運(yùn)算分析，現(xiàn)場測試中，經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸溫度數(shù)據(jù)的速率可達(dá)246 kb/s，可實時監(jiān)測及傳送200 m 范圍內(nèi)高壓開關(guān)設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)測溫與人工紅外測溫誤差＜1.5℃，觸頭溫升變化率＜3.5℃/min，符合電氣高壓觸點(diǎn)溫度監(jiān)測誤差≤5℃和溫升變化率≤20℃/min的測量精度技術(shù)要求，且數(shù)據(jù)丟包率為0，能夠滿足電力企業(yè)對高壓電氣設(shè)備24 h 全天候正常測溫通信的實時性和可靠性要求。

5 結(jié)語

高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)利用ZigBee 短距離無線通信優(yōu)勢，以熒光式光纖測溫傳感器為基礎(chǔ)和無線傳感器星型網(wǎng)絡(luò)為核心，應(yīng)用ZigBee技術(shù)和RS485網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了高壓開關(guān)柜各觸頭節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的實時采集和遠(yuǎn)程傳送及監(jiān)測，通過溫度實測數(shù)據(jù)對比分析，監(jiān)測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集及分析處理，運(yùn)行穩(wěn)定性高且抗干擾能力強(qiáng)、能耗低，基于ZigBee技術(shù)的溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，可為觸頭溫升狀態(tài)在線監(jiān)測及觸頭過熱預(yù)防診斷提供詳實的數(shù)據(jù)支撐，同時，數(shù)據(jù)庫共享功能促進(jìn)了高壓設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和智能化運(yùn)行監(jiān)測及狀態(tài)檢修的實現(xiàn)。