基于ZigBee技術的電力系統高壓開關柜溫度測控系統研究

宋亮

摘 要：本研究設計了一種基于ZigBee技術的高壓開關柜溫度測控系統。該系統采用低功耗DS18B20溫度傳感器和CC2530芯片構建溫度信號的實時采集模塊，經ZigBee通信協議完成與上位機的組網，實現溫度數據的實時采集、遠程傳輸和集中控制等功能。系統運行穩定可靠性好，集成封裝便于安裝。

關鍵詞：高壓開關柜;溫度測控系統;ZigBee

中圖分類號：TP272 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）26-0026-03

Research on Temperature Measure-monitoring System of Power

System High Voltage Switchgear Based on ZigBee Technology

SONG Liang

（Yangling Vocational and Technical College，Yangling Shaanxi 712100）

Abstract： This study designed a temperature measure-monitoring system for high voltage switchgear based on ZigBee technology. The system uses the low-power DS18B20 temperature sensor and CC2530 chip to build a real-time acquisition module for temperature signals. The ZigBee communication protocol is used to complete the networking with the host computer to realize real-time acquisition， remote transmission and centralized control of temperature data. The system runs stably and reliably， and the integrated package is easy to install.

Keywords： high-voltage switch cabinet;temperature measure-monitoring system;ZigBee

高壓開關柜作為電力系統中重要的電力線路開/閉、線路故障保護和運行電量測控的核心設備，其運行的安全可靠性和節能經濟性直接影響到電力系統能否安全可靠地輸電、供電和配電。高壓開關柜觸頭溫升故障，輕者會導致控制保護設備動作保護，重者可能導致大面積停電事故甚至電氣火災事故，直接威脅到電力網絡運行的安全穩定性。隨著現代科學技術的進一步發展，傳統的人工靜態測溫巡視方法在溫度數據采集的實時性、準確性和可靠性等方面均很難滿足現代智能電網對高壓開關柜高效、智能化、自動化和動態集成調控的需求。發展最快且應用較廣泛的ZigBee技術是電力系統中一種新興的無線組網通信技術，具有組網結構簡單、運行安全可靠性高、網絡兼容性強等優點，非常適合應用在電力系統高壓開關柜監測集中組網中[1]。為此，本文針對高壓開關柜溫度監測智能化、集成化需求，設計一種基于ZigBee技術的高壓開關柜在線監控系統，完成高壓開關柜溫升的實時動態采集遠程分析和控制保護。

1 高壓開關柜溫度在線測控系統總體方案

電力系統高壓開關柜運行時處于高壓、封閉等環境，相關開關設備在狹小空間里運行，電纜接頭壓實不緊、觸頭材料不均勻、緊固螺栓松動、設備老化等因素均會導致開關柜觸頭異常發熱甚至出現燒穿等火災事故。相比傳統的貼色片測溫法、紅外測溫法和光纖測溫法，以ZigBee技術為核心的無線測溫法將帶有傳感器的測溫裝置安裝在高壓開關柜高壓區，直接接觸到開關設備的測點進行溫度數據采集，然后經無線網絡上傳到數據集中器中，對溫度數據進行分析和判斷，形成溫度數據顯示、報警和故障預判等信息，便于運行人員根據相關提示及時處理相關故障，確保高壓開關柜運行安全。高壓開關柜溫度在線測控系統主要由ZigBee溫度采集器和GPRS無線網絡完成溫度數據信號的采集、傳輸和收集[2]。溫度在線測控系統由現場數據采集與溫度控制層、數據傳輸層和站控層3層結構組成，如圖1所示。

1.1 溫度數據采集與溫度控制層

ZigBee溫度采集傳感器模塊安裝在高壓開關柜中，溫度采集傳感器通過ZigBee技術協議進行數據通信，并經GPRS無線網絡將溫度數據傳輸到開關柜中的匯聚節點，經RS485網絡完成高壓開關柜間溫度數據信號的集中收集和遠程傳輸。

1.2 數據傳輸層

匯聚節點處的數據集中器在接收到ZigBee溫度采集器模塊發射的實時溫度數據信號后，通過內部RS485串口將數據傳輸到局域網中，便于站控層操作員工作站、工程師工作站等站控層設備讀取、分析。

1.3 站控層

站控層數據處理單元接收到經RS485網絡上傳的溫度數據信號后，經數據分析處理形成對應的溫度數據并顯示在監控LCD屏上，然后經數據判斷，分析其是否超過設定值。當開關柜溫度數據信號超過設定值后，系統發出報警信號，并經聲光報警、短信等形式提示運行管理人員及時查看相關故障信號，便于其及時制定有效可行的調控策略。

2 ZigBee溫度采集系統硬件設計

ZigBee溫度采集器模塊是溫度在線監測系統中的基礎溫度數據采集單元，也是整個監控系統的關鍵硬件單元。溫度采集器主要由DS18B20溫度傳感器、CC2530芯片和電源三部分組成。

2.1 溫度傳感器

考慮到電力系統高壓開關柜的內部空間狹窄和封閉高壓環境，本設計優選不用A/D模數轉換的DS18B20數字式溫度傳感器，通過集成數字式采集溫度信號。一方面，其直接采集溫度數值信號，無需外接ADC轉換電路，體積較小，不擠占高壓開關柜內部空間;另一方面，其集成封裝結構，能實現溫度信號的全數字轉換與輸出，具有較強的抗干擾能力。這種溫度傳感器僅需一個I/O數據信號線即可實現供電與溫度數據傳輸等功能。

2.2 控制芯片

高壓開關柜溫度接點采集到溫度信號后，經ZigBee通信協議與以CC2530芯片為核心的匯聚節點控制器相連，實現溫度數據的無線傳輸。同時，CC2530芯片接收集中器或上位計算機系統發射的控制信號，完成遠程集控。CC2530芯片結合了RF收發器的優良性能，基于ZigBee協議棧，為區域低功耗無線網絡的構建提供一個強大且完整的ZigBee遠程控制解決方案，尤其在-40～125℃和2.0～3.6V運行環境中具備非常良好的通信效果，可以讀取溫度測控接點的溫度數據，自動操作和確定高壓開關柜中無線設備事件的順序，并可以接收和發出相應控制命令，實現遠程集中控制。

2.3 電源設計

考慮到電力系統中高壓開關柜內部的高壓復雜環境，硬件系統電源設計時要充分做好電源部分的絕緣性和供電穩定可靠性。目前，工程中常見的電源主要有互感器取電法和蓄電池供電法兩種。其中，互感器取電是從高壓開關柜高壓側母線中通過線圈感應獲得電能資源，其通過互感器取電后需要經過整理、濾波、穩壓和控制等一系列電路處理，方可實現電源的穩定供電，供電結構復雜，成本較高，對于低功耗的ZigBee無線網絡系統而言，不僅造價高，而且體積較大，不適合用于高壓開關柜等密閉狹窄空間。另外，考慮到ZigBee溫度采集器具有低功耗特點，一塊蓄電池的蓄電能量能支持整個系統運行2～3年，與高壓開關柜的定期維護和大修時間較匹配，更換電池也較方便。因此，設計采用蓄電池供電，并通過TPS79533 DC-DC變換電路轉換獲得ZigBee芯片良好運行的3.3V工作電壓。

3 ZigBee溫度采集系統軟件設計

從圖1可知，ZigBee高壓開關柜溫度測控系統主要包括ZigBee溫度采集器軟件設計和溫度采集集中器接點軟件設計兩部分。以TI公司開發的Z-stack2007通信協議為基礎，開發高壓開關柜測溫接點和集中器軟件程序，如圖2所示。

系統通電后，溫度節點傳感器基于ZigBee協議組網，組網成功后根據設備事件順序按需讀取溫度數據，并經無線網絡發射對應數據幀，待數據發送成功后，就進入特定周期的休眠狀態，確保實時采集開關柜內部節點溫度數據的同時，降低測溫節點的運行功耗，提高系統蓄電池供電時長，延長測溫芯片工作壽命。如果溫度數據發送不成功，則系統轉入繼續讀取溫度數據流程，直到采集到系統所需的溫度信號為止。同理，溫度采集集中器主要與站控層的上位機系統進行數據通信，當組網成功并完成數據上傳后，串口上位機屏幕顯示溫度數據，同時一個周期的數據采集完成。

4 結語

本系統將ZigBee技術與電力系統高壓開關柜測溫相結合，實現了開關設備溫度數據的無線采集和智能測控。主控室的上位機系統在開關室的開關柜溫度節點進行實時溫度信號的采集、上傳和分析處理。系統采用ZigBee無線通信技術組建網絡，根據電力系統高壓開關柜運行環境特性，以最小能耗實現溫度信號的無線采集和遠程控制。本系統具有邏輯組網結構簡單、溫度測量準確可靠、遠程操控方便等優點，能夠為高壓開關柜觸頭溫升故障或事故提供很好的預防診斷和遠程保護，確保電力系統中開關設備的安全穩定運行和供電線路的可靠供電運行。

參考文獻

[1]陳新崗，趙唐，余兵，等.基于聲表面波和ZigBee的高壓開關柜電纜室溫度監測[J].高壓電器，2018（8）：48-54.

[2]肖海龍，王孜，劉春宇，等.基于Zigbee的開關柜溫度監測系統[J].通訊世界，2017（3）：93-96.