基于WSN的母線槽溫升在線監測系統設計

王 晶，張金波，邵通廣

（1.河海大學物聯網工程學院，常州213022；2.江蘇省輸配電裝備技術重點實驗室，常州213022）

基于WSN的母線槽溫升在線監測系統設計

王 晶1，2，張金波1，2，邵通廣1，2

（1.河海大學物聯網工程學院，常州213022；2.江蘇省輸配電裝備技術重點實驗室，常州213022）

為了對母線槽連接處溫升實時在線監測，以便及時發現母線槽連接處的熱障礙，設計了一種基于無線傳感網絡技術的母線槽溫升在線監測系統。該系統基于熱敏電阻設計的溫度傳感器，實現了母線槽連接處溫度直接測量，并利用ZigBee無線通訊技術，實現了復雜節點溫度信息的傳輸。經過測試，本系統性能穩定可靠，滿足母線槽溫升在線監測系統的要求，為實現母線槽溫升在線監測提供了一種非常有效的手段。

母線槽；ZigBee技術；無線測溫；無線傳感網絡技術

1 引 言

供電系統中的母線槽是電力傳輸的一個重要通道，母線槽在傳輸大電流時的溫升狀態是反映母線槽可靠性的一個重要指標。正常運行時，母線槽通過的電流從數百安培至數千安培不等。連接環節的材料老化、安裝不當或接觸面積過小等原因，將會直接導致母線槽連接處接觸電阻的阻值增大，從而引起連接處的溫升。溫升一旦超過國家標準中規定的允許值后，就會引發供電系統的重大事故［1］。通常，供電系統中母線槽的連接點一般有成百上千個，而且往往都是互相關聯的，只要一處發生故障，就有可能帶來重大的安全事故。因此，對母線槽溫升狀態的監測是十分必要的。

傳統的母線槽溫升監測系統，采用有線方式進行通訊，施工難度較大，少數的測量點容易實現，但當采集大量測量點時，就會遇到線路干擾、布線困難、安裝復雜、經濟成本高等問題［2］。基于無線傳感網絡的母線槽溫升在線監測系統，利用ZigBee自組網技術實現母線槽溫升的在線監測，該系統不但運行可靠，簡單易實施，而且維護方便。

2 系統總體結構

母線槽溫升在線監測系統主要包括溫度采集發射終端、協調中心和后臺監控管理系統。溫度采集發射終端的通訊距離為幾百至上千米，每一個采集終端都具有自動轉訊功能，因此，每一個采集終端的數據傳送都是通過相鄰的采集終端，即每一個采集終端都會自動尋找通訊路徑至協調中心。協調中心與后臺監控管理系統相連，將所采集的信息送入后臺監控管理系統中的計算機進行數據管理。管理人員在協調中心注冊后，只需通過簡單的人機操作，即可對母線槽每一節點的溫度進行數據查詢和曲線分析。同時系統還設置了超溫報警功能，一旦某一節點的溫度超過預設報警值，界面立即出現超溫報警信息，同步將報警信息存入數據庫，從而提高了母線槽在線監測系統的可靠性，最終有效地預防惡性事故發生。

圖1 系統總體結構圖

3 溫度采集發射終端設計

溫度采集發射終端如圖2所示，溫度采集模塊實時采集母線槽的A、B、C、N四相連接點的溫度，并將溫度轉換成頻率信號送入單片機進行處理，單片機將處理過的四路溫度信號通過ZigBee模塊轉換成無線信號發送至相鄰的節點，同時具有液晶顯示和聲光報警功能。

圖2 測溫模塊框圖

3.1 溫度采集模塊

溫度采集模塊如圖3所示，測溫節點是由熱敏電阻、電容和555定時器組成的一個多諧振蕩器。其中C10、C11、C12為無極電容，由滌綸材料制成，具有耐高溫的特點［3］。R18為NTC熱敏電阻，隨著溫度的上升，阻值不斷下降，且溫度和阻值的曲線關系呈非線性。由于R18的阻值隨著溫度變化在改變，所以多諧振蕩器輸出的方波周期也在不斷變化，通過單片機捕獲方波的周期，可以計算出R18的阻值，繼而可以推算出此時的溫度。

用NTC測溫是最廉價的解決方案之一，并且測試精度高、體積小、反應速度快、能長時間在高溫環境下工作。NTC熱敏電阻的溫度和阻值雖然不是呈線性關系，但可以通過公式（1）計算出對應阻值的溫度值：

式中，Rt為熱敏電阻在T1溫度下的阻值，R為熱敏電阻在T2常溫下的標稱阻值，EXP代表en，T1和T2均是開爾文溫度，K＝273.15（絕對溫度）＋攝氏溫度，B值是熱敏電阻的材料常數，即熱敏電阻器的芯片（一種半導體陶瓷）在經過高溫燒結后，形成具有一定電阻率的材料，每種配方和燒結溫度下只有一個B值，所以稱之為材料常數，它可以通過電阻型號得知。

圖3 溫度采集模塊原理圖

溫度轉換代碼如下：

3.2 無線模塊設計

無線模塊采用的無線收發器為CC2430，這是一款目前無線傳感網絡應用最多的嵌入式通訊芯片，它集成了符合IEEE802.15.4標準的ZigBee通訊協議和一個工業級的高級8051控制器，是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據傳輸率、低成本的雙向無線通訊芯片。并且CC2430只需要很少的外部元件即可運行［4］。

無線發射模塊電路如圖4所示，主要由電源、復位電路、串口連接電路和無線收發電路組成。串口數據經過MAX232將電平轉換為TTL電平，再通過CC2430無線發送至相鄰節點或協調中心［5］。

圖4 無線傳輸模塊電路圖

4 后臺監控管理系統軟件設計

后臺監控管理系統軟件采用Visual Studio 2010作為開發平臺。其功能模塊及組織結構如圖5所示。主要功能有：初始化設置，選擇測溫范圍和測溫節點，將數據分別以文本及曲線的形式顯示出來；報警溫度及控制方法設置，實現母線槽溫升點溫度無線監控的自動或手動控制；界面連接后臺數據庫，通過訪問數據庫，調用數據報表，觀察數據的變化和發展趨勢，對報警記錄及歷史溫度數據進行查詢和管理；系統同時還設置用戶管理權限，區分普通管理員和高級管理員，通過權限設置，添加和刪除用戶。

圖5 軟件結構圖

如圖6所示，通過對日期和子節點的選擇進行數據查詢，系統將儲存在數據庫中的溫度值調出，以動態曲線的形式將節點溫度呈現出來，方便用戶更直觀簡明的了解溫度值的變化過程及發展趨勢，更好的保護母線槽的安全性和預防惡性事故的發生。同時可通過訪問數據庫查詢出節點某一天的整點溫度值，并以報表的形式顯示出來。由圖7可以看出，當某一時刻的溫度值高于報警溫度值時，這一時刻的溫度顯示呈紅色，管理員由此可得知，此刻溫度超標，簡潔明了，便于查詢。

關鍵代碼如下：

圖6 實時溫度曲線查詢界面

圖7 數據報表分析界面

5 實驗結果

為了驗證母線槽在線監測系統的應用效果，對某個母線槽節點進行了實地安裝和在線監測。實際溫度值與監測系統所測溫度值的比較如表1所示。

表1 母線槽的實際溫度與在線監測系統的測量數據

由實驗數據計算可得，溫度的平均相對誤差為1.2%，可見，測量值與實際值相差較小，精度較高，能滿足大部分測量場合的要求。

6 結束語

隨著我國輸配電事業的快速發展，母線槽已成為各項工程在輸配電領域不可缺少的部分。同時，隨著低壓配電系統網絡化技術日益發展，國內外電力系統自動化對輸配電的要求不斷提高，對于母線槽產品的智能化要求日益顯著［6］。基于無線傳感網絡的母線槽溫升在線監測系統不但能對母線槽測溫裝置連接點的溫度信號進行實時在線監測，而且能夠準確、迅速判斷母線槽測溫裝置的熱故障及故障地點，同時還能將值班人員從傳統枯燥的監控工作中解脫出來，提高了工作效率，因此具有很強的實用價值。

［1］任秀麗，于海斌.ZigBee技術的無線傳感器網絡的安全性研究［J］.儀器儀表學報，2007，28（12）：2133.

［2］盧崇，馬建倉，王吉富，等.基于Atmega128L與CC2420的無線傳感網絡節點的研究與實現［J］.電子技術應用，2006（12）：130-133.

［3］肖廣兵，田杰，鐘景輝.基于ZigBee的高速公路氣象預警系統設計［J］.微計算機信息，2010（12-2）：121-123.

［4］劉江沙，雷偉，尹酉.基于CC2430的串口無線模塊的設計［J］.國外電子元器件，2007（4）：256-258.

［5］劉宏，孫學軍，楊軍.基于WSN技術的水輪發電機在線監測系統設計［J］.水利發電，2012（6）：421-423.

［6］ZigBee Alliance.Network Specification（Draf Version1.0）［EB／OL］.2004，http：／／www.ZigBee.org.2009.

［7］凌志浩，周怡頒，鄭麗國.ZigBee無線通信技術及其應用研究［J］.華東理工大學學報（自然科學版），2006，32（7）：801-805.

Design of Busway Temperature Online Monitoring System Based on WSN

WANG Jing1，2，ZHANG Jin-bo1，2，SHAO Tong-guang1，2
（1.College of IOT Engineering，HoHai University，Changzhou 213022，China；2.Jiangsu Key Laboratory of Power Transmission Equipment Technology，Changzhou 213022，China）

A busway temperature online monitoring system based on wireless sensor network technology is present in the paper.The temperature of the busway junction can bemonitored in real time，and the thermal fault of the connection of the busway can be found in time.In the system，the temperature sensor designed based on thermistors can measure the temperature of the busway connection directly，and then transfer the node temperature information by ZigBee wireless communication technology.After test，the system performance is stable and reliable，and italsomeets requirements of the busway temperature online monitoring system.The system provides a very effective means for the realization of busway temperature onlinemonitoring.

Busway；ZigBee Technology；Wireless Temperature；Wireless Network Technology

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.01.025

TP277

：A

：1002-2279（2014）01-0093-04

王晶（1989-），女，江蘇泰州人，碩士研究生，主研方向：檢測技術與智能系統。

2013-08-02