基于ZigBee的開關柜觸頭溫度監測系統

（鄭州輕工業學院 電氣信息工程學院，鄭州 450002）

開關柜設備在電力系統中廣泛運用，承擔著線路投切、線路故障保護等重要作用，其安全穩定運行對于供電線路的安全保障意義重大[1-2]。

就目前研究現狀而言，高壓觸點溫度測量主要采用接觸式測量和非接觸式測量2種方式，接觸式測量主要有溫度傳感器測溫、光纖光柵測溫、熱電偶測溫和聲表面波測溫等；非接觸式測量主要采用紅外熱像儀和紅外點溫儀測溫[5，9]。接觸式測量中溫度數據的傳輸主要采用無線和有線2種方式進行。開關柜設備內部空間小，相對于溫度測量設備存在較高的電壓、電流，開關柜設備內部電磁場對測量設備正常運行也存在影響[3，8]。光纖光柵、熱電偶、聲表面波等測量方式布線冗雜、測量誤差較大，紅外測溫設備成本較大且無法實現實時監測[6]。數據的有線傳輸方式同樣布線困難，不易于安裝維護[4，7]。

本文研究和開發了一套基于ZigBee的開關柜觸頭溫度在線監測系統，該系統在測溫節點的設計上采用環氧膠灌封的高導熱氧化鋁陶瓷一體化封裝和低功耗定時休眠設計，該封裝體積較小，易于安裝，具有很好的電氣絕緣強度和抗電磁干擾性能，能夠保證測溫節點電路長期穩定運行和溫度數據的采集發送。測溫節點輻射功率在毫瓦級，不影響開關柜設備的強電回路，符合《無線通信設備電磁兼容性通用要求》的標準。系統通過ZigBee網絡進行溫度數據無線傳輸，開關柜各個觸點的溫度值在上位機界面進行實時顯示和存儲。系統經過實驗室和現場安裝運行測試，能夠實現對開關柜觸頭溫度數據的在線監測和存儲。

1 測量系統方案設計

系統結構由溫度測量節點、數據集中器和上位機監控界面等組成，系統方案設計如圖1所示。各觸頭測溫節點通過ZigBee網絡將溫度數據按照特定的數據幀格式發送到數據集中器，數據集中器負責網絡的構建并將各開關柜發送的溫度數據進行處理后通過串口發送到監控界面進行顯示和記錄，PC監控界面對各測溫點數據進行顯示和存儲。

圖1 系統方案設計Fig.1 System design

2 系統軟硬件設計

系統硬件設計主要包括溫度測量節點部分和數據集中器部分，硬件設計如圖2所示。測溫節點在硬件設計上主要包括單片機、供電單元、測溫傳感器單元、仿真接口單元和功率放大單元，硬件設計原理如圖2（a）所示。數據集中器在硬件設計上主要包括單片機、按鍵單元、仿真接口單元和功率放大單元，硬件設計原理如圖2（b）所示。系統溫度測量節點和數據集中器核心芯片采用TI/Chipcon公司的CC2530F256。該芯片集成單周期8051兼容內核，外設睡眠定時器可以滿足系統低成本、低功耗的要求，同時支持ZigBee協議和IEEE802.15.4協議，內含2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）無線射頻收發器核心，該芯片功能強大，滿足了系統數據測量發送要求，易于實現測溫節點的小型化。測溫節點功耗在毫瓦級，不影響開關柜強電回路部分正常運行。

圖2 硬件設計Fig.2 Hardware design block diagram

2.1 供電與功率放大

數據集中器通過與上位機連接進行DC 5 V供電，實現持續功能，保證ZigBee網絡構建的穩定性、強壯性和網絡數據傳輸的實時性。測溫節點通過3.7 V小體積高能鋰電池供能，滿足測溫節點長時間供電要求。

測溫節點和數據集中器在設計上加入了功率放大芯片。功率放大部分采用了RFX2401C功率放大芯片，該芯片是一種超集成度的射頻前端集成電路，整合了IEEE802.15.4/ZigBee、無線傳感器網絡、2.4 GHz的ISM頻帶射頻前端功能，配有高效率的功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）、阻抗匹配網絡、諧波過濾器和CMOS控制邏輯，保證溫度數據在開關柜內強干擾下的信號傳輸質量和強度。

2.2 溫度測量單元

系統測溫單元溫度傳感器采用美國DALLAS半導體公司生產的接觸式DS18B20，該溫度傳感器為單總線數字式溫度傳感器，內置12位模數轉換器，測溫范圍為-55℃～125℃，測量精度相對較高，滿足開關柜觸頭測溫70℃閾值的測溫要求。該傳感器結構簡單，不需要復雜的外圍電路，易于實現測溫節點的小型化，數據的讀寫和命令的寫入通過單根數據線進行，有效降低開光柜電磁環境對溫度測量的影響，可靠性較高。

溫度測量單元采用環氧樹脂膠灌封的高導熱氧化鋁陶瓷一體化封裝，封裝結構如圖3所示。測溫節點采用環氧樹脂灌封膠封裝，可以提高測溫節點的抗電磁干擾能力，保證測溫節點電路可靠穩定運行，灌封層介電常數3.8～4.2 kHz，25℃常溫下耐電壓12～16 kV/mm，加上開關柜設備良好的接地措施，保證了測溫節點的電氣安全。環氧樹脂灌封膠使用溫度范圍-60℃～250℃，能夠在開關柜設備內部環境溫度下使用。氧化鋁陶瓷封裝可以有效防潮、防塵、防污和電壓絕緣，氧化鋁陶瓷高導熱系數保證了高壓觸點溫度測量數據的準確可靠。測溫節點安放時，溫度傳感器一側貼近開關柜觸頭測溫點。不同氧化鋁含量的導熱陶瓷主要性能參數如表1所示，對比備選3種材質，系統封裝選擇氧化鋁含量99.7%的高剛玉質導熱陶瓷，高純剛玉質導熱陶瓷具有高導熱、高電氣絕緣、高耐壓和低吸水率等特性，適用于開關柜觸頭高電流、強電壓的環境。

圖3 測溫單元封裝結構Fig.3 Encapsulation structure of temperature measurement unit

表1 導熱陶瓷性能參數表Tab.1 Parameter table

2.3 系統程序設計

測溫節點和數據集中器節點程序以TI公司開發的Z-stack2007協議棧作為開發模板，在此基礎上開發測溫節點和集中器程序。設備上電初始化并完成網絡組建后，溫度傳感器將測得的溫度數據通過ZigBee網絡發送到數據集中器，無線數據幀格式定義為開始標志（KKH），測溫節點編號（4B），節點溫度數據（2B），CRC 校驗碼（1B），結束標志（00H）。 測溫節點在程序上加入了低功耗設計，通過定時休眠降低測溫節點功耗。測溫節點每發送完一幀數據就進入特定周期的休眠，在保證數據測量實時性的同時降低測溫節點功耗，延長測溫節點工作壽命。測溫節點周期性地進行數據幀的無線發送，數據集中器將接收到的測溫點數據通過串口發送到PC監測界面進行顯示和記錄。測溫節點和數據集中器節點程序設計如圖4所示。

圖4 系統程序流程Fig.4 Program flow charts of system

3 實驗方法與結論

3.1 實驗室測試

實驗室條件下選用3個溫度測量節點進行系統的組網運行測試和系統測溫性能測試。

系統組網測試中，3個測溫節點分別對3個發熱體進行測量，測溫節點與數據集中器和上位機距離100 m。測溫節點每1 min發送1次數據幀，PC監測上位機對3個測溫點發送的溫度數據進行顯示記錄。系統在實驗室條件下持續運行1周，工作運行穩定，系統PC監控上位機記錄部分溫度曲線如圖5所示，該曲線為系統運行5 h內分別對3個溫度測量點采集到的300個溫度數據，經過實驗室測試，系統能夠穩定可靠的組網工作，實現了對開關柜高壓觸點溫度持續在線監測。

圖5 監測數據曲線Fig.5 Monitoring curve

系統測溫性能測試通過將系統測得數據與紅外測溫儀設備測得的數據進行比對分析系統測溫的相關參數。試驗主要對系統測溫誤差和測溫時延2個參數進行測試，試驗對比數據如表2所示。經過試驗數據分析，系統測溫誤差在1.5℃以內，能夠滿足電氣高壓觸點溫度測量精度要求，系統測溫時延在6 s左右。現場開關柜觸頭溫度變化率不大于20℃/min，要求測溫設備測溫誤差在5℃以內。對照系統1.5℃的測溫誤差和6 s的測溫時延，系統的測溫性能可以滿足現場開關柜觸頭溫度測量誤差和測溫時延要求。

表2 實驗數據表Tab.2 Experimental data table

系統在實驗室條件下的運行測試結果顯示，該系統100 m內數據可以有效傳輸，系統測溫誤差為5℃，測溫延時為6 s，系統性能能夠滿足開關柜觸頭溫度測量要求。

3.2 現場運行測試

現場運行測試在某礦區變電站10 kV室內開關柜設備上進行安裝測試，對系統的實際運行情況進行測試。現場運行測試中，選擇開關柜設備三相母線、三相斷路器和三相隔離開關9個位置作為測量點。系統安裝后持續運行，系統PC監控上位機監測界面記錄測溫點數據曲線如圖6所示，該曲線為系統運行中某段溫度曲線。系統持續運行3個月測試時間內運行穩定可靠，未發生任何異常，溫度數據傳輸、記錄正常，系統能夠實現對開關柜設備觸頭溫度的在線監測，能夠滿足電力企業對測溫系統24 h全天候正常工作的要求。

圖6 上位機監測曲線Fig.6 PC monitoring curves

系統在現場運行情況顯示，該系統能夠實現對開關柜觸頭溫度進行在線監測，對觸頭溫度的測量滿足現場要求，能夠為開關柜觸頭過熱進行很好的預防診斷，保障開關柜設備的安全運行和供電回路可靠供電。

4 結語

本文基于ZigBee物聯網技術，針對開關柜設備設計了一種開關柜觸頭溫度在線監測系統。該系統測溫節點采用環氧樹脂膠灌封的高導熱氧化鋁陶瓷一體化封裝，測溫節點體積較小、易于安裝，解決了開關柜內部安裝空間小不易安裝、電磁干擾等問題。溫度數據通過ZigBee網絡進行無線傳輸，解決了有線傳輸的布線問題。系統測量的數據通過PC監測上位機對觸頭溫度數據進行顯示、記錄，系統監測界面設計有報警溫度設置和溫度異常提醒功能。系統通過實驗室和現場安裝運行測試，系統能夠穩定運行，能夠為開關柜觸頭過熱進行很好的預防診斷，保障開關柜設備的安全運行和供電回路可靠供電。

[1]王秉政，江建武，趙靈.高壓開關柜接觸發熱溫度場數值計算[J].高壓電器，2013，49（12）：42-48.

[2]劉宗信，張加善.固定式高低壓開關柜中載流節點發熱問題的淺析[J].吉林電力技術，1995，35（2）：57-60.

[3]潘長明，劉剛，熊炬，等.高壓開關柜絕緣事故的分析及防范措施[J].高壓電器，2011，47（7）：90-93.

[4]王小強，歐陽駿，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M].北京：化學工業出版社，2012.

[5]楊增汪，王宜懷，戴新宇.基于ZigBee和GPRS的高壓開關柜無線監測系統設計[J].電力系統保護與控制，2010，38（23）：203-206.

[6]陳寶怡.紅外診斷技術在高壓斷路器內部發熱故障中的應用[J].高壓電器，2011，47（5）：92-95.

[7]邢曉敏，李波，陳靜.電力高壓觸點溫度無線監測系統的研發[J].電力系統保護與控制，2010，38（22）：174-178.

[8]黃煒宏，謝章洪，陳祥偉，等.基于Zigbee技術的成套式開關設備溫度監測系統的設計與應用[J].高壓電器，2013，49（6）：125-130.

[9]張青山，段建東，葉兵.基于ZigBee的開關柜觸頭溫度在線監測預警系統[J].高壓電器，2015，51（4）：29-35.