基于ZigBee的開(kāi)關(guān)柜觸頭溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，鄭州 450002）

開(kāi)關(guān)柜設(shè)備在電力系統(tǒng)中廣泛運(yùn)用，承擔(dān)著線路投切、線路故障保護(hù)等重要作用，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)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(diǎn)溫度測(cè)量主要采用接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量2種方式，接觸式測(cè)量主要有溫度傳感器測(cè)溫、光纖光柵測(cè)溫、熱電偶測(cè)溫和聲表面波測(cè)溫等；非接觸式測(cè)量主要采用紅外熱像儀和紅外點(diǎn)溫儀測(cè)溫[5，9]。接觸式測(cè)量中溫度數(shù)據(jù)的傳輸主要采用無(wú)線和有線2種方式進(jìn)行。開(kāi)關(guān)柜設(shè)備內(nèi)部空間小，相對(duì)于溫度測(cè)量設(shè)備存在較高的電壓、電流，開(kāi)關(guān)柜設(shè)備內(nèi)部電磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量設(shè)備正常運(yùn)行也存在影響[3，8]。光纖光柵、熱電偶、聲表面波等測(cè)量方式布線冗雜、測(cè)量誤差較大，紅外測(cè)溫設(shè)備成本較大且無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[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(hù)[4，7]。

本文研究和開(kāi)發(fā)了一套基于ZigBee的開(kāi)關(guān)柜觸頭溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)上采用環(huán)氧膠灌封的高導(dǎo)熱氧化鋁陶瓷一體化封裝和低功耗定時(shí)休眠設(shè)計(jì)，該封裝體積較小，易于安裝，具有很好的電氣絕緣強(qiáng)度和抗電磁干擾性能，能夠保證測(cè)溫節(jié)點(diǎn)電路長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和溫度數(shù)據(jù)的采集發(fā)送。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)輻射功率在毫瓦級(jí)，不影響開(kāi)關(guān)柜設(shè)備的強(qiáng)電回路，符合《無(wú)線通信設(shè)備電磁兼容性通用要求》的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，開(kāi)關(guān)柜各個(gè)觸點(diǎn)的溫度值在上位機(jī)界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)安裝運(yùn)行測(cè)試，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)柜觸頭溫度數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)。

1 測(cè)量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)集中器和上位機(jī)監(jiān)控界面等組成，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示。各觸頭測(cè)溫節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建并將各開(kāi)關(guān)柜發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過(guò)串口發(fā)送到監(jiān)控界面進(jìn)行顯示和記錄，PC監(jiān)控界面對(duì)各測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)Fig.1 System design

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)部分和數(shù)據(jù)集中器部分，硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)在硬件設(shè)計(jì)上主要包括單片機(jī)、供電單元、測(cè)溫傳感器單元、仿真接口單元和功率放大單元，硬件設(shè)計(jì)原理如圖2（a）所示。數(shù)據(jù)集中器在硬件設(shè)計(jì)上主要包括單片機(jī)、按鍵單元、仿真接口單元和功率放大單元，硬件設(shè)計(jì)原理如圖2（b）所示。系統(tǒng)溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)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(shè)睡眠定時(shí)器可以滿足系統(tǒng)低成本、低功耗的要求，同時(shí)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(kuò)頻）無(wú)線射頻收發(fā)器核心，該芯片功能強(qiáng)大，滿足了系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)量發(fā)送要求，易于實(shí)現(xiàn)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的小型化。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)功耗在毫瓦級(jí)，不影響開(kāi)關(guān)柜強(qiáng)電回路部分正常運(yùn)行。

圖2 硬件設(shè)計(jì)Fig.2 Hardware design block diagram

2.1 供電與功率放大

數(shù)據(jù)集中器通過(guò)與上位機(jī)連接進(jìn)行DC 5 V供電，實(shí)現(xiàn)持續(xù)功能，保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的穩(wěn)定性、強(qiáng)壯性和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)通過(guò)3.7 V小體積高能鋰電池供能，滿足測(cè)溫節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間供電要求。

測(cè)溫節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)集中器在設(shè)計(jì)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、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(luò)、諧波過(guò)濾器和CMOS控制邏輯，保證溫度數(shù)據(jù)在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)強(qiáng)干擾下的信號(hào)傳輸質(zhì)量和強(qiáng)度。

2.2 溫度測(cè)量單元

系統(tǒng)測(cè)溫單元溫度傳感器采用美國(guó)DALLAS半導(dǎo)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(cè)溫范圍為-55℃～125℃，測(cè)量精度相對(duì)較高，滿足開(kāi)關(guān)柜觸頭測(cè)溫70℃閾值的測(cè)溫要求。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的外圍電路，易于實(shí)現(xiàn)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的小型化，數(shù)據(jù)的讀寫和命令的寫入通過(guò)單根數(shù)據(jù)線進(jìn)行，有效降低開(kāi)光柜電磁環(huán)境對(duì)溫度測(cè)量的影響，可靠性較高。

溫度測(cè)量單元采用環(huán)氧樹(shù)脂膠灌封的高導(dǎo)熱氧化鋁陶瓷一體化封裝，封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)采用環(huán)氧樹(shù)脂灌封膠封裝，可以提高測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的抗電磁干擾能力，保證測(cè)溫節(jié)點(diǎn)電路可靠穩(wěn)定運(yùn)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(kāi)關(guān)柜設(shè)備良好的接地措施，保證了測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的電氣安全。環(huán)氧樹(shù)脂灌封膠使用溫度范圍-60℃～250℃，能夠在開(kāi)關(guān)柜設(shè)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(dǎo)熱系數(shù)保證了高壓觸點(diǎn)溫度測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)安放時(shí)，溫度傳感器一側(cè)貼近開(kāi)關(guān)柜觸頭測(cè)溫點(diǎn)。不同氧化鋁含量的導(dǎo)熱陶瓷主要性能參數(shù)如表1所示，對(duì)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(dǎo)熱陶瓷，高純剛玉質(zhì)導(dǎo)熱陶瓷具有高導(dǎo)熱、高電氣絕緣、高耐壓和低吸水率等特性，適用于開(kāi)關(guān)柜觸頭高電流、強(qiáng)電壓的環(huán)境。

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

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

2.3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

測(cè)溫節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)集中器節(jié)點(diǎn)程序以TI公司開(kāi)發(fā)的Z-stack2007協(xié)議棧作為開(kāi)發(fā)模板，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)和集中器程序。設(shè)備上電初始化并完成網(wǎng)絡(luò)組建后，溫度傳感器將測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器，無(wú)線數(shù)據(jù)幀格式定義為開(kāi)始標(biāo)志（KKH），測(cè)溫節(jié)點(diǎn)編號(hào)（4B），節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)（2B），CRC 校驗(yàn)碼（1B），結(jié)束標(biāo)志（00H）。 測(cè)溫節(jié)點(diǎn)在程序上加入了低功耗設(shè)計(jì)，通過(guò)定時(shí)休眠降低測(cè)溫節(jié)點(diǎn)功耗。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)每發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)就進(jìn)入特定周期的休眠，在保證數(shù)據(jù)測(cè)量實(shí)時(shí)性的同時(shí)降低測(cè)溫節(jié)點(diǎn)功耗，延長(zhǎng)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)工作壽命。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)周期性地進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的無(wú)線發(fā)送，數(shù)據(jù)集中器將接收到的測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到PC監(jiān)測(cè)界面進(jìn)行顯示和記錄。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)集中器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)如圖4所示。

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

3 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)論

3.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

實(shí)驗(yàn)室條件下選用3個(gè)溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的組網(wǎng)運(yùn)行測(cè)試和系統(tǒng)測(cè)溫性能測(cè)試。

系統(tǒng)組網(wǎng)測(cè)試中，3個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)分別對(duì)3個(gè)發(fā)熱體進(jìn)行測(cè)量，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)集中器和上位機(jī)距離100 m。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)每1 min發(fā)送1次數(shù)據(jù)幀，PC監(jiān)測(cè)上位機(jī)對(duì)3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示記錄。系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室條件下持續(xù)運(yùn)行1周，工作運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)PC監(jiān)控上位機(jī)記錄部分溫度曲線如圖5所示，該曲線為系統(tǒng)運(yùn)行5 h內(nèi)分別對(duì)3個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)采集到的300個(gè)溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的組網(wǎng)工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)開(kāi)關(guān)柜高壓觸點(diǎn)溫度持續(xù)在線監(jiān)測(cè)。

圖5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線Fig.5 Monitoring curve

系統(tǒng)測(cè)溫性能測(cè)試通過(guò)將系統(tǒng)測(cè)得數(shù)據(jù)與紅外測(cè)溫儀設(shè)備測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析系統(tǒng)測(cè)溫的相關(guān)參數(shù)。試驗(yàn)主要對(duì)系統(tǒng)測(cè)溫誤差和測(cè)溫時(shí)延2個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)測(cè)溫誤差在1.5℃以內(nèi)，能夠滿足電氣高壓觸點(diǎn)溫度測(cè)量精度要求，系統(tǒng)測(cè)溫時(shí)延在6 s左右?，F(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)柜觸頭溫度變化率不大于20℃/min，要求測(cè)溫設(shè)備測(cè)溫誤差在5℃以內(nèi)。對(duì)照系統(tǒng)1.5℃的測(cè)溫誤差和6 s的測(cè)溫時(shí)延，系統(tǒng)的測(cè)溫性能可以滿足現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)柜觸頭溫度測(cè)量誤差和測(cè)溫時(shí)延要求。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.2 Experimental data table

系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室條件下的運(yùn)行測(cè)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(cè)溫誤差為5℃，測(cè)溫延時(shí)為6 s，系統(tǒng)性能能夠滿足開(kāi)關(guān)柜觸頭溫度測(cè)量要求。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試在某礦區(qū)變電站10 kV室內(nèi)開(kāi)關(guān)柜設(shè)備上進(jìn)行安裝測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試中，選擇開(kāi)關(guān)柜設(shè)備三相母線、三相斷路器和三相隔離開(kāi)關(guān)9個(gè)位置作為測(cè)量點(diǎn)。系統(tǒng)安裝后持續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)PC監(jiān)控上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面記錄測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)曲線如圖6所示，該曲線為系統(tǒng)運(yùn)行中某段溫度曲線。系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行3個(gè)月測(cè)試時(shí)間內(nèi)運(yùn)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(duì)開(kāi)關(guān)柜設(shè)備觸頭溫度的在線監(jiān)測(cè)，能夠滿足電力企業(yè)對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)24 h全天候正常工作的要求。

圖6 上位機(jī)監(jiān)測(cè)曲線Fig.6 PC monitoring curves

系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況顯示，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)柜觸頭溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，對(duì)觸頭溫度的測(cè)量滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，能夠?yàn)殚_(kāi)關(guān)柜觸頭過(guò)熱進(jìn)行很好的預(yù)防診斷，保障開(kāi)關(guān)柜設(shè)備的安全運(yùn)行和供電回路可靠供電。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對(duì)開(kāi)關(guān)柜設(shè)備設(shè)計(jì)了一種開(kāi)關(guān)柜觸頭溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)采用環(huán)氧樹(shù)脂膠灌封的高導(dǎo)熱氧化鋁陶瓷一體化封裝，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)體積較小、易于安裝，解決了開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部安裝空間小不易安裝、電磁干擾等問(wèn)題。溫度數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)線傳輸，解決了有線傳輸?shù)牟季€問(wèn)題。系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)PC監(jiān)測(cè)上位機(jī)對(duì)觸頭溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、記錄，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)有報(bào)警溫度設(shè)置和溫度異常提醒功能。系統(tǒng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)安裝運(yùn)行測(cè)試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，能夠?yàn)殚_(kāi)關(guān)柜觸頭過(guò)熱進(jìn)行很好的預(yù)防診斷，保障開(kāi)關(guān)柜設(shè)備的安全運(yùn)行和供電回路可靠供電。

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