基于ZigBee的電纜接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設計*

古 亮， 趙阿琴

(1.重慶理工大學，重慶400054；2.重慶市能源互聯(lián)網(wǎng)工程技術研究中心，重慶 400054)

0 引 言

電纜作為現(xiàn)代城市電力輸送的主要載體和電力系統(tǒng)的重要組成部分，其安全運行具有重要意義[1～3]。由于電力電纜距離長、鋪設走線復雜增加了巡檢的困難性和不準確性。因此，對電纜中間接頭溫度的在線監(jiān)測，能夠及時發(fā)現(xiàn)并消除安全隱患，提高電網(wǎng)運行的安全可靠性[4]。

目前，研究電力電纜溫度監(jiān)測有很多，但對其連接處溫度的監(jiān)測較少。在文獻[5]中提出一種將數(shù)字溫度傳感器預埋在電纜接頭內的測量方式，雖然此法測量的溫度不受環(huán)境的影響更加準確性，但會破壞電纜接頭的原有結構，可能會加速電纜接頭的老化，縮短其使用壽命。文獻[6]采用均熱銅環(huán)的方法測量三芯電纜接頭表面溫度，雖然在大電流的情況下測量結果誤差不大，但銅環(huán)的厚度選擇以及其安裝具有難度。文獻[7]采用光纖光柵傳感器監(jiān)測電纜接頭溫度，具有抗電磁干擾強、使用壽命長的優(yōu)點，但前期投資大、安裝復雜[8]。考慮到傳統(tǒng)的串口通信傳輸布線復雜，長時間工作會出現(xiàn)線路老化導致系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題，從而浪費大量的人力物力[9]。當前無線技術由于投資小、安裝簡單、可靠性高，在電力行業(yè)的運用越來越多[10，11]。

本文結合ZigBee技術和通用分組無線業(yè)務(general packet radio service,GPRS)網(wǎng)絡，設計了一種“三點式”電纜中間接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設計

基于ZigBee無線網(wǎng)絡技術的電纜接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的整體結構：由終端節(jié)點、協(xié)調端以及監(jiān)測終端組成。溫度傳感器和ZigBee模塊構成終端節(jié)點，其與協(xié)調端一起組成ZigBee無線網(wǎng)絡，協(xié)調端與監(jiān)測終端之間的數(shù)據(jù)傳輸采用GPRS網(wǎng)絡，可實現(xiàn)長距離數(shù)據(jù)傳輸。

2 電纜中間接頭結構及其溫度場仿真

2.1 電纜中間接頭結構

電纜中間接頭能夠將它所連接的電纜在電氣性能、化學性能、熱學性能、機械性能等方面都達到平衡的匹配[12]。本文使用的是冷收縮型電纜接頭，其型號為JLS35—1/1，其由硅橡膠制成可自然收縮部件，安裝過程中無需加熱。其軸向剖面圖分別如下圖1所示，電纜中間接頭由內到外包括電纜線芯、連接管、外半導電層、絕緣層、金屬屏蔽層以及外護套構成。

圖1 電纜中間接頭軸向剖面

2.2 電纜接頭溫度場仿真與分析

當電纜及其接頭在運行中時，電纜線芯中流過一定的電流，產(chǎn)生焦耳熱，熱量通過電纜接頭各層介質進行熱傳導，將熱量傳導到電纜接頭外表面。若其敷設在空氣中時，其與周圍空氣環(huán)境還存在熱對流。

利用ANSYS軟件進行在仿真時，假設電銅纜芯導熱性能良好，周圍傳熱介質分布均勻；忽略各護層之間以及銅纜芯與各護層的接觸電阻。設定好各部分材料的參數(shù)，和設定邊界條件：正常工作時導線芯上穩(wěn)定的溫度為90 ℃(根據(jù) GB/T12706.2-2002，電纜正常運行時線芯導體溫度為90 ℃)；環(huán)境溫度為22 ℃；空氣對流換熱系數(shù)為10 W/(m2·℃)。然后進行網(wǎng)格劃分后，求解計算。

圖2是正常情況下，電纜中間接頭外表面溫度分布圖，可以看出其軸向溫度左右對稱分布，這是由于制作此電纜接頭時兩端長度是相等的。

圖2 正常情況下接頭溫度場分布

為了進一步分析電纜接頭外表面溫度的分布情況，將其外表面溫度值沿軸向提取出來如圖3所示，可以看出，在電纜接頭中心處與兩端的溫度明顯較高。這是由于中心處存在接觸電阻，而在電纜接頭的兩端由于一側是較細電纜本體，使熱量向電纜側傳遞受阻集聚起來導致溫度上升。

圖3 接頭外表面溫度分布

因此，為了不破壞電纜接頭原有的結構以及可以準確的監(jiān)測其運行的狀態(tài)，可以在電纜接頭表面以“三點式”的方式放置溫度監(jiān)測點，如圖4所示，即在接頭中心處與兩端分別放置一個溫度傳感器，可以獲得電纜接頭外表面的最高溫度值。

圖4 溫度傳感器分布點

3 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)的硬件由溫度傳感器與ZigBee模塊、GPRS模塊、微處理控制電路、電源模塊組成，如圖5所示。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)硬件框架

溫度傳感器采用DS18B20型數(shù)字溫度傳感，具有單總線、體積小、分辨率高、抗干擾強等特點[13]，且支持多點組網(wǎng)功能，能夠實現(xiàn)多點測溫，測溫范圍在-55～125 ℃之間。

3.1 ZigBee無線通信網(wǎng)絡

無線通信網(wǎng)絡是基于IEEE 802.15.4技術標準和ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議設計的，包括網(wǎng)絡終端節(jié)點以及協(xié)調端。終端節(jié)點負責數(shù)據(jù)采集與傳輸，協(xié)調端主要負責無線網(wǎng)絡的建立與數(shù)據(jù)接收。

本系統(tǒng)使用星型網(wǎng)絡，如圖6所示，由多個終端節(jié)點與一個ZigBee協(xié)調端組成，若其中一個終端節(jié)點發(fā)生異常，則不會影響其他節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸，具有結構簡單，維護方便的優(yōu)點。

圖6 星型拓撲結構

ZigBee模塊選用CC2530F系列芯片：工作在2.4 GHz頻段上，具有良好的射頻性和抗干擾性；在空曠地方兩節(jié)點間有效通信距離最大為450 m；能夠在不同的工作模式下快速切換，具有功耗低的優(yōu)點[14]。其電路圖如圖7所示。

圖7 ZigBee原理

3.2 主控制電路模塊

微處理器不僅可以通過擴展串口與ZigBee協(xié)調端通信，還能以串口通信方式發(fā)送AT指令和數(shù)據(jù)給GPRS模塊，通過基于TCP/IP協(xié)議的GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)距離傳輸，即將處理后的溫度數(shù)據(jù)通過GPRS模塊傳送到上位機。其核心處理器采用AT89S52芯片，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，是一種低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器。AT89S52能在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案[15]。硬件電路如圖8所示。

圖8 主控制模塊原理

3.3 GPRS模塊

GPRS是一種無線分組交換技術，支持TCP/IP協(xié)議[16]。本系統(tǒng)設計中使用華為GTM900C無線模塊，此模塊內部已經(jīng)嵌入了TCP/IP協(xié)議，支持標準以及增強的AT命令。在通信過程中核心處理器通過執(zhí)行一種AT指令完成整個TCP/IP鏈接。此后GPRS模塊將溫度信息與互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互，最后傳送到監(jiān)控終端中。

4 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計包括主程序、ZigBee無線網(wǎng)絡的建立以及基于Qt的上位機界面設計。

ZigBee無線網(wǎng)絡的建立的流程圖如圖9(a)所示：全功能設備(full function device，F(xiàn)FD)上電激活后，通過被動掃描未發(fā)現(xiàn)周圍有其他協(xié)調設備，此ZigBee模塊可作為協(xié)調器。接著協(xié)調器進行能量檢測掃描，從信道列表中確定合適的信道，然后協(xié)調器為新網(wǎng)絡選擇一個唯一的網(wǎng)絡編號PNA標識符(PANID是用于區(qū)分不同的ZigBee網(wǎng)絡)，各終端節(jié)點請求加入到網(wǎng)絡，所有節(jié)點入網(wǎng)后等待各終端節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。一旦接收到溫度數(shù)據(jù)，通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶诵奶幚砥鳌?/p>

主程序主要是監(jiān)測各串口數(shù)據(jù)情況，一旦中斷響應，執(zhí)行對應的子程序，完成與ZigBee協(xié)調器和GPRS模塊之間的數(shù)據(jù)收發(fā)，如圖9(b)所示。Qt顯示界面能夠顯示出溫度最大值，從而判斷是否超過報警上限。

圖9 軟件流程圖

5 系統(tǒng)測試

為了測試在Qt界面上能否正確接收并顯示電纜接頭的溫度以及能否及時預警，將溫度傳感器放到溫度變化的恒溫箱中，協(xié)調端放在恒溫箱外，設置預警值為55 ℃，打開Qt界面，進行監(jiān)測，結果如表1。

表1 溫度測試表

本系統(tǒng)測溫誤差≤0.4 ℃，且能夠實現(xiàn)預警功能，表明該系統(tǒng)的可行性。

6 結 論

本文運用ANSYS軟件對電纜中間接頭的溫度場進行仿真，找到合適的溫度監(jiān)測點。結合ZigBee組網(wǎng)技術設計了電纜中間接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，具有可靠性高，功耗低，易于擴展的特點，為電纜接頭故障的預知性判斷提供了基礎，保障了電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。同時把ZigBee網(wǎng)絡短距離通信與GPRS網(wǎng)絡的遠距離通信通過網(wǎng)關相結合，能夠優(yōu)勢互補，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，具有廣泛的應用前景。