基于ZigBee技術高壓開關柜溫度在線監(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)電有限責任公司，蘭溪321100；2.浙江浙能技術研究院有限公司，杭州311100）

智能輸配電網(wǎng)建設的進一步深入，對電力開關設備安全運行的自動化能力水平提出更高的技術要求。高壓開關柜中由于生產制造、運輸安裝、過流燒蝕等導致接頭松動、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)電力部門相關統(tǒng)計，每年發(fā)生在變電站的電力事故約有40%是由開關設備異常溫升造成。溫度作為開關設備運行狀態(tài)評估的重要指標之一，是電力在線監(jiān)測和故障診斷的主要依據(jù)[2]，目前，國內變電站通常采用紅外測溫儀按需進行人工逐點測溫，溫度數(shù)據(jù)采集滯后、漏測和錯測等現(xiàn)象嚴重，如何實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的在線實時準確的監(jiān)測采集和分析預測，已成為電力系統(tǒng)安全、可靠運行急需解決的現(xiàn)實問題。

由于高壓開關柜復雜封閉式結構及高壓、大電流和強磁場等惡劣運行環(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，運用文獻[3]中設計的溫度監(jiān)測節(jié)點集群組網(wǎng)方案，利用ZigBee技術的自組織性、動態(tài)拓撲、低功耗和傳輸穩(wěn)定等優(yōu)勢，構建高壓開關柜溫度實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，用較低成本實現(xiàn)開關柜集群溫度的實時動態(tài)采集、遠傳運算分析和控制保護，幫助運行管理人員及早發(fā)現(xiàn)安全隱患，消缺排障，也可為高壓開關設備運行狀態(tài)檢修評價工作提供詳實的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 高壓開關柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)方案

考慮到高壓開關柜分為A、B、C 三相及存在斷路器觸頭、電纜接頭、刀閘開關、母線等多個測控點，系統(tǒng)采用分散集控架構，每個測量集群由3～24個測溫分節(jié)點（溫度傳感器）和1個匯集節(jié)點構成。開關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，將測溫節(jié)點實時溫度數(shù)據(jù)經小范圍無線網(wǎng)絡傳送到匯聚節(jié)點[4-5]，然后經RS485總線網(wǎng)絡上傳到站控層數(shù)據(jù)接收終端。溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)由裝設在開關柜中的溫度采集裝置、數(shù)據(jù)傳輸通信網(wǎng)絡和站控監(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)的結構底層為數(shù)據(jù)采集與溫度控制終端，底層網(wǎng)絡由若干傳感器和ZigBee 終端組成星型結構，負責按需采集溫度數(shù)據(jù)，并通過內嵌式ZigBee通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，匯聚節(jié)點采用嵌入式技術和RS485總線網(wǎng)絡負責底層ZigBee 無線網(wǎng)絡與站控層間數(shù)據(jù)的傳輸、接收和存儲ZigBee 終端采集的數(shù)據(jù)信息，經匯聚節(jié)點中繼通過RS485總線網(wǎng)絡將數(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，負責高壓開關柜溫度數(shù)據(jù)的運算分析和管理發(fā)布等。

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

2 基于ZigBee技術數(shù)據(jù)采集與溫度控制層

溫度監(jiān)測系統(tǒng)底層網(wǎng)絡主要包括溫度測量分節(jié)點和匯集節(jié)點兩部分，其中溫度測量分節(jié)點由布設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ZigBee 無線通信網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，其網(wǎng)絡結構如圖2所示。

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

2.1 觸頭溫度采集終端

由于高壓開關柜運行處于高電壓、強電磁、封閉且狹小空間環(huán)境，同時考慮柜內多點溫度監(jiān)測及ZigBee 拓撲組網(wǎng)需要，優(yōu)選設計形式靈活、可靠性高且適用于高電壓、強電磁（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、強電磁干擾有較強免疫力。

2.2 無線射頻控制模塊

溫度監(jiān)測系統(tǒng)底層控制模塊設計除了考慮開關柜復雜的高電壓、強電磁等特殊環(huán)境條件外，還需考慮小型化、低成本、低功耗等技術要求，德州儀器（TI）公司研發(fā)生產的CC2530控制芯片是以ZigBee為基礎用于2.4 GHz/IEEE 802.15.4/RF4CE/ZigBee應用的低成本、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

ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調器主要負責ZigBee 傳感器網(wǎng)絡和RS485 串口網(wǎng)絡間的溫度數(shù)據(jù)傳遞，負責接收開關柜中各觸頭的溫度數(shù)據(jù)，并對各個終端分節(jié)點數(shù)據(jù)進行運算分析，然后統(tǒng)一打包經RS485網(wǎng)絡上傳到站控層數(shù)據(jù)處理中心ARM 芯片，ARM 處理器接收到溫度數(shù)據(jù)后，在開關柜面板上進行實時顯示，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)設置的溫度閾值進行對比判斷，一旦超過預設值則通過溫度控制執(zhí)行機構開啟對應降溫設施，如圖3所示。

圖3 ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調器電路結構Fig.3 Circuit structure of ZigBee network coordinator

3 系統(tǒng)軟件設計

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

3.1 傳感器分節(jié)點軟件設計

溫度采集無線傳感終端子節(jié)點是間接通過Zig-Bee協(xié)調器節(jié)點與遠程監(jiān)控主站進行聯(lián)系，為了降低系統(tǒng)功耗，將子節(jié)點不進行溫度采集的絕大部分時間設置為休眠狀態(tài)，只有當ZigBee協(xié)調器節(jié)點發(fā)出溫度采集指令后才在短時內喚醒，并待數(shù)據(jù)采集且發(fā)送完成后重新進入到休眠狀態(tài)，傳感器分節(jié)點經初始化處理，在收到信標后向可用網(wǎng)絡發(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)調器。完成數(shù)據(jù)傳送后移除綁定，繼續(xù)監(jiān)聽信標并轉入休眠模式，傳感器分節(jié)點溫度采集流程如圖4所示。

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

3.2 協(xié)調器節(jié)點軟件設計

ZigBee協(xié)調器節(jié)點負責無線網(wǎng)絡構建、溫度數(shù)據(jù)接收與處理、遠程控制指令的收發(fā)與執(zhí)行，在接收來自傳感器分節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)后，經ZigBee內嵌式ARM 處理器處理后通過RS485總線網(wǎng)絡發(fā)送到遠程監(jiān)控主站數(shù)據(jù)處理中心，協(xié)調器經初始化處理進行通信鏈路連接，網(wǎng)絡建立成功后一直處于在線候命狀態(tài)，當收到溫度數(shù)據(jù)采集指令，經ZigBee協(xié)調器中繼實現(xiàn)與ZigBee 無線網(wǎng)絡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)返回到遠程監(jiān)控主站，協(xié)調器節(jié)點工作軟件流程如圖5所示。

圖5 協(xié)調器節(jié)點軟件流程Fig.5 Software flow chart of coordinator node

3.3 遠程監(jiān)控主站軟件設計

監(jiān)控主站負責接收溫度數(shù)據(jù)信號，并對數(shù)據(jù)解包、分析和存儲，上位機系統(tǒng)軟件采用面向TCP/IP協(xié)議的Socket通信機制的C/S機構，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、角色和管理權限，按權限進行系統(tǒng)操作和管理；

（2）數(shù)據(jù)顯示：顯示高壓開關柜柜內傳感器測量子節(jié)點的實時溫度數(shù)據(jù)和動態(tài)變化率，并可進行歷史數(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行及時排查和處理；

（4）終端設備參數(shù)設置：經RS485總線網(wǎng)絡，對ZigBee協(xié)調器和終端溫度傳感器設備的特性參數(shù)進行設置，如：GPS時鐘對時、采集周期定時、報警閾值設置等；

（5）系統(tǒng)自檢：系統(tǒng)自檢排查故障。

4 系統(tǒng)應用

高壓開關柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)采用兩級傳輸網(wǎng)絡，第一級采用免費的2.4 GHz 頻段的ZigBee 短距離無線通信，既克服開關柜內部高壓、強電磁等復雜運行環(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，解決了開關柜封閉空間無線數(shù)據(jù)外傳受限問題，溫度數(shù)據(jù)通過協(xié)調器聚集后經RS485網(wǎng)絡上傳到監(jiān)控主站，按圖1結構安裝光纖測溫傳感器、ZigBee協(xié)調器等設備后，經調試系統(tǒng)運行穩(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柜柜內觸頭的溫度數(shù)據(jù)，同時可以對溫度數(shù)據(jù)變化率進行運算分析，現(xiàn)場測試中，經ZigBee網(wǎng)絡傳輸溫度數(shù)據(jù)的速率可達246 kb/s，可實時監(jiān)測及傳送200 m 范圍內高壓開關設備的溫度數(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，符合電氣高壓觸點溫度監(jiān)測誤差≤5℃和溫升變化率≤20℃/min的測量精度技術要求，且數(shù)據(jù)丟包率為0，能夠滿足電力企業(yè)對高壓電氣設備24 h 全天候正常測溫通信的實時性和可靠性要求。

5 結語

高壓開關柜溫度在線監(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和無線傳感器星型網(wǎng)絡為核心，應用ZigBee技術和RS485網(wǎng)絡實現(xiàn)了高壓開關柜各觸頭節(jié)點溫度數(shù)據(jù)的實時采集和遠程傳送及監(jiān)測，通過溫度實測數(shù)據(jù)對比分析，監(jiān)測系統(tǒng)能夠準確進行溫度數(shù)據(jù)采集及分析處理，運行穩(wěn)定性高且抗干擾能力強、能耗低，基于ZigBee技術的溫度在線監(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)庫共享功能促進了高壓設備網(wǎng)絡化、數(shù)字化和智能化運行監(jiān)測及狀態(tài)檢修的實現(xiàn)。