基于Zigbee無線網絡的變壓器溫度監測系統研究

摘要：針對目前對變電站中變壓器溫度數據監測采用定期測量的方式不容易及時發現變壓器異常的弊端，設計了一種基于Zigbee的低功耗、價格低的近程無線網絡協議的溫度監測系統。首先介紹了本系統的組成與工作原理，其次分析了Zigbee無線網絡協議應用于變電站測溫的優勢，之后結合變壓器的特點給出了傳感器的拓撲結構，然后分析了本系統的軟件結構。

關鍵詞：Zigbee無線網絡；變壓器；溫度監測系統

作者簡介：邱騰飛（1978-），男，廣州增城人，廣州供電局有限公司變電管理一所，電力工程師。（廣東 廣州 511300）彭偉（1984-），男，

湖南永州人，永州職業技術學院，講師。（湖南 永州 425000）

中圖分類號：TM93 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）24-0134-02在對變電站運行設備的監測中，溫度是一個重要的指標。[1-2]過高的溫度會導致電氣設備發熱故障，甚至事故的發生。[3-4]

目前10kVA 以下的變壓器大多為無人值守配電變壓器，通常每年只做定期檢測一次，不能實現實時運行監測，這樣難免會出現誤判、遺漏等情況，由此常常造成變壓器存在故障不能及時排除而導致設備損壞和停電事故頻繁發生。[5-7]針對配電變壓器監測量多、面廣和實時性的要求，提出了一種維護成本低、性價比高的變壓器溫度監測系統。

一、系統工作原理

基于Zigbee無線網絡的變壓器溫度監測系統，是通過安裝于變壓器各個部分的Zigbee無線網絡傳感器將變壓器各個部分的溫度值通過Zigbee無線網絡匯總至無線網絡數據集中器，再通過串口將匯總的溫度數據包反饋至監測中心。

在監測中心中，首先對實時數據進行顯示和存儲，再對數據中的異常進行告警處理，以實現系統對變壓器的故障現象、異常情況、故障地點等的及時發現，最后實現數據的Web訪問，一旦變壓器出現異常，即以第一時間通知變電站工作人員，及時排除故障，以防止故障升級。

基于Zigbee無線網絡的變壓器溫度監測系統的工作過程如下圖1所示。

具體地，無線溫度傳感器從變壓器采集溫度數據，之后通過Zigbee無線網絡將溫度數據傳輸到無線溫度數據集中器；監控中心與無線溫度數據集中器之間通過串口、基于Modbus通訊協議進行通訊，監控中心首先發出詢問，詢問被無線溫度數據集中器收到后應答，即傳輸溫度數據；監控中心中，首先由數據庫存儲收到的溫度數據，告警處理程序通過檢索最新的數據庫中數據進行告警處理，一旦發現異常即進行告警，同時將告警信息也進行存儲入庫處理；遠程WEB終端通過網絡可以從遠方訪問本變電站獲得本變電站中變壓器各部分的溫度數據。

二、通訊協議

1.Zigbee無線網絡通訊協議

變壓器溫度監測系統的數據采集是基于Zigbee無線網絡協議的，該無線網絡協議是一種基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。

無線通訊網包含了無線通訊協議與數據傳輸。無線通訊網絡采用基于IEEE 802.15的ZigBee協議進行網絡構建。它使用的2.4GHz免費波段能夠以低成本構建無線通訊網，[8-9]并有著較強的抗干擾能力。網絡喚醒能夠讓傳感器在非工作狀態下進行休眠，延長傳感器的使用壽命。

簡而言之，ZigBee就是一種便宜的、低功耗的近距離無線組網通訊技術。變電站中，由于溫度的測量不需要周期太短，而且由于變壓器的各個部分都需要大量傳感器測量溫度值，對于傳感器本身的價格有一定要求。基于以上特點，Zigbee無線網絡正滿足了變壓器溫度測量的要求。

2.Modbus通訊協議

Modbus 協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡和其他設備之間可以通信。它已經成為一個通用工業標準。當在一Modbus網絡上通信時，此協議決定了每個控制器需要知道它們的設備地址，識別按地址發來的消息，決定要產生何種行動。如果需要回應，控制器將生成反饋信息并用Modbus協議發出。

MODBUS 協議定義了一個與基礎通信層無關的簡單協議數據單元（PDU）。特定總線或網絡上的MODBUS 協議映射能夠在應用數據單元（ADU）上引入一些附加域。[10]

本系統中，無線溫度數據集中器與工控機進行通訊，硬件上采用RS485串口總線，波特率為2400 bps。軟件上，通訊分為下行通訊和上行通訊：下行通訊，即工控機向無線數據數據集中器請求信號；上行通訊，即無線數據數據集中器向工控機發出應答信號。兩種通訊基于Modbus協議的數據具體分別為：

下行通訊：地址域2位，填寫三個數據集中器地址，分別為01，02，03；功能碼2位，為專門識別代碼，為03；數據位8位，其中填寫寄存器個數；差錯校檢4位，按照modbus協議規約進行校檢。以三號采集器的下行通訊為例，modbus通訊碼為“0303000000244548”。

上行通訊：地址域2位，填寫三個數據集中器地址，分別為01，02，03；功能碼2位，為專門識別代碼，為03；數據位“下行寄存器個數”的十六進制表示+4*“下行寄存器個數”位，數據的順序由無線溫度傳感器上所給定的序號確定；差錯校檢4+2位，按照modbus協議規約進行校檢，最后綴以“FF”。以三號采集器的下行通訊為例，modbus通訊碼為“030324XXXX…XXXX”+校驗碼+“FF”。

每過一個周期T1，首先，工控機進行一次請求，如果請求被無線數據集中器接受并校檢成功，則進行應答；然后，如果應答被工控機接收并校驗成功，則完成一次通訊，數據完成采集。兩個工序中，任何一次失敗，則本通訊失敗，系統等待到下一周期重新重復上述通訊過程。

三、傳感器網絡拓撲結構

傳感器網絡拓撲即傳感器無線網絡節點組織結構。常規的網絡拓撲多為星型拓撲，其結構簡單且易管理。但是星型拓撲中，中心數據接裝置需要覆蓋的范圍取決于該裝置到最遠傳感器的直線距離。該拓撲結構受制于變電站建站規模、站點環境等因素的影響，無法適用于規模較大的變電站，并且星型拓撲對無線通訊網和無線傳感器的性能都提出了苛刻的要求，實際應用時很難滿足這些要求。因此本系統采用了一種基于總線型拓撲的混合型網絡拓撲結構，即在中心數據服務器與傳感器之間設立一個數據集中器。數據集中器的通過無線網絡收集傳感器實時測量溫度，并將數據以報文的形式通過現場總線，如MODBUS協議，將數據傳輸給中心數據服務器。

數據集中器位置可以根據不同變電站的需求靈活地進行分配與確定。可以將變電站以不同的方式劃分為多個網絡分區，并在每個分區內設立數據集中器。如按照設備功能進行區域劃分，按照設備集中程度進行區域劃分等等。每個分區內部還可以根據設備的層次再次建立星型拓撲或者樹形拓撲，實現設備與網絡的分層分區管理，優化系統配置。

具體地，對于實際工作中的變壓器，由于無法對其內部結構進行測溫，可以安裝多個傳感器于變壓器的表面，即變壓器表面關鍵位置，如高壓套管、低壓套管、儲油柜、油箱、油枕等。每個關鍵位置安裝一個無線溫度傳感器，每個變壓器上或者臨近位置安裝一個無線溫度數據集中器。

四、系統軟件結構

無線溫度監測系統中監測中心儲存有系統處理分析的主要軟件，其軟件結構如下圖3所示。系統的軟件結構由數據采集模塊，前置程序，數據庫以及數據查詢、管理、分析、打印模塊和遠程通訊幾部分組成。前置程序通過與安裝于硬件采集設備中的數據采集模塊進行信息交互，得到數據信息。存儲程序將前置程序采集到的數據信息存儲進入數據庫中。數據庫對數據進行存儲、管理，按照用戶需求對數據進行查詢、分析和打印，并對異常數據進行告警處理。遠程通訊模塊實現了用戶從異地調用、查詢數據的功能。

五、結論

按照本系統的設計，可以實現對變壓器溫度數據的在線監測，對于了解變壓器的運行狀態，及時方便地識別變壓器的運行異常具有極其重要的意義，相信在未來本系統將會得到很大的推廣。

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[10]Modbus通訊協議[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/1861869.htm.

（責任編輯：劉輝）