基于ZigBee的高壓帶電體溫度監測系統研究

王云飛

摘要：針對高壓帶電體運轉時經常出現溫度過高等問題，文章提出了基于ZigBee的高壓帶電體溫度在線監測系統，主要介紹了溫度在線監測系統的基本原理。多次測試結果表明，溫度在線監測系統丟包率和誤包率小，穩定性和安全性好，測試結果準確度高，具有一定的推廣價值。

關鍵詞：高壓帶電體；ZigBee技術；傳感器；監測

1引言

電力系統高壓電纜接頭由于接觸不良等原因，在滿負荷負載電流通過時會造成溫升過高、局部過熱情況。據報道，國內外都發生過多起因為高壓電纜接頭接觸不良而導致的短路、停電等事故，給公司帶來了巨大損失和嚴重影響了人民的正常生活。

針對高壓電纜接頭接觸不良而導致的短路、停電等問題，本文提出了基于ZigBee的高壓帶電體溫度在線監測系統，主要介紹了溫度在線監測系統的基本原理，以保證電力系統可靠與安全運行。

2ZigBee技術簡介

ZigBee是一種短距離無線傳感網絡通信技術，它可工作在2.46Hz（全球）頻段上，具有最高250kbit/s的傳輸速率；也可工作在915MHz（美國）頻段上，達到最高40kbit/s的傳輸速率；還可以工作在868Ntz（歐洲）頻段上，具備最高20kbit/s的傳輸速率。它的基本傳輸距離在一般在75m的范圍內，但可以無限擴展。作為一種無線通信技術，ZigBee具有低功耗、成本低、網絡容量大、時延短以及安全可靠的特點。ZigBee采用無線局域網（WLAN）中802.11系列標準的載波監聽多路訪問/沖突防止（CSMA/CA）協議，有效地避免了無線電載波之間的沖突，保證了數據傳輸的可靠性。ZigBee設備可以無線自動組網，響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms。ZigBee模塊使用兩節五號電池可實現長達6個月到2年的工作時間。

3系統的總體設計

高壓帶電體溫度在線監測系統主要由終端節點、3G無線傳輸模塊和遠程監測中心組成。終端采集節點連接有常用的溫度傳感器DS18B20，掛接在高壓電纜上，溫度傳感器DS18B20直接安裝在變電站高壓電纜接點處，利用直接接觸測溫方式采集接頭溫度，獲得的溫度數據通過ZigBee終端節點傳輸到ZigBee路由器和ZigBee協調器，協調器通過串口與3G無線傳輸模塊連接，遠程傳輸到監測中心。

遠程監測中心對接收到的溫度數據的進行分析處理，將處理后的數據根據需要存儲到SQL數據庫中，當溫度超過預先設定的溫度極限值時，發出報警信息，提醒值班人員緊急處理，以保證電力系統安全運行。

4硬件設計

終端采集節點由傳感器采集模塊、ZigBee無線通信模塊以及電源模塊組成。傳感器采集模塊采用1-Wire總線技術的DS18B20溫度傳感器。ZigBee無線傳輸模塊采用CC2430芯片，Chipcon公司的CC2530是用于頻率為2.4Ghz的IEEE802.15.4、zigbee和RF4CE應用的一個真正的片上系統（System on Chip，簡稱SoC）解決方案。在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內存和微控制器。它使用一個8位MCU（8051），具有128KB可編程內存和8KB的RAM，還包含模擬數字轉換器（ADC）、幾個定時器、AES128協同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O引腳。CC2530芯片采用0.18μmCMOS工藝生產，在接收和發射模式下，電流損耗分別低于25mA或27mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。

3G無線通信模塊采用的是華為公司生產的MU509（UMTS/HSDPA 2100NHz GSM/GPRS/EDGE 850/900/1800/1900MHz）通訊模塊，是雙頻WCDMAA工業級無線模塊，支持3.6Mbps下行速率；提供高質量的語音、短信功能，FOTA功能，內置TCP/IP協議棧，以及華為擴展AT命令集。工作電壓范圍為3.3V到4.2V，MU509有8個wire UART。采用標準RS232串行接口，支持語音數據以及短消息（SMS）的接收、發送以及對短信的管理，支持TCP/IP，UDP/IP，PPP protocol通信協議。嵌入式ARM微處理器可以借助3G無線通信模塊強大的數據傳輸功能實時地進行信息處理。

5軟件設計

軟件設計在德州TI公司研發的IAR Zstack-CC2530-2.5.1環境下進行編譯，協議棧是協議和用戶之間的一個接口，開發人員通過使用協議棧來使用這個協議的，進而實現無線數據收發。

包括終端節點、路由器協調器、以及3G無線通信模塊程序的設計，終端節點采集溫度數據，路由器進行數據的轉發和分組，協調器主要進行組網。3G無線通信模塊在Red Hat Linux下，進行交叉編譯，使用AT指令進行撥號上網。通過Linux環境下socket函數建立的TCP/IP傳輸控制協議通道，通道能夠實現各模塊之間通信，通過AT指令設置，完成3G無線通信模塊的初始化，AT IPR=38400設置3G模塊的波特率為38400b/s，AT CGD CON=1，“IP”，“CMNET”命令符進行3G網絡鏈接，鏈接成功之后，則將溫度數據發送到遠程監測中心。

6測試結果與分析

通過對某220kV變電站高壓電纜接頭的溫度進行實時在線監測，可以得到每隔5分鐘采集一次的溫度數據。觀測其數據的變化，根據該220kV變電站實際的運行規律，設定溫度最高報警閾值，如果監測的溫度大于報警閾值，則發生警報。通過分析數據可以看出，數據上下波動較穩定，且小于報警閾值，沒有出現任何異常泄露，220kV變電站運行良好。

7結語

基于ZigBee的高壓帶電體溫度在線監測系統可以及時監測到高壓帶電體的溫度等數據，在遠程監測中心對數據進行處理和分析，如果監測到溫度數據值超過了設定的最大溫度值時，發出報警信息，以確保電力系統的安全運行和調度。多次在現場測試實驗中，ZigBee終端節點、路由節點以及協調器節點展現了良好的數據、穩定傳輸能力，對所測得的溫度數據可以準確無誤的傳輸，可以滿足變電站自動化通信系統的要求，實現了無線化，克服了變電站布線難、高溫易損壞，成本高的缺點，具有很高的應用價值。