變電站10kV開關柜運行環境監控系統設計

陳偉凡陳曉亮高 偉

（1. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116；2. 國網福建連江縣供電有限公司，福州 350500）

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變電站10kV開關柜運行環境監控系統設計

陳偉凡1陳曉亮2高 偉1

（1. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116；2. 國網福建連江縣供電有限公司，福州 350500）

針對變電站 10kV開關柜內部的防火泥封堵情況和溫濕度等運行環境難以實時掌握和控制，存在安全隱患的問題，設計了一套變電站10kV開關柜運行環境監控系統。該系統的網絡架構基于無線傳感器網絡和以太網混合而成。各個監控終端通過無線傳感器網絡與通信管理機進行信息交互，通信管理機通過以太網與上位機軟件進行通信。本文結合變電站10kV開關柜內特殊的運行環境闡述了該系統的軟硬件設計、無線傳感器參數配置、上位機軟件設計等。

變電站；開關柜；無線傳感器網絡；溫濕度監控；防火泥

在無人值守變電站中，運行人員無法對 10kV開關柜內部的防火泥封堵情況、溫濕度情況進行實時的掌握和控制，在極端的條件下，可能發生防火泥封堵脫落、電纜接頭溫度驟升、柜內空氣濕度驟升，此時若不及時采取有效的措施來監護，容易導致10kV開關柜的安全運行失常［1，2］。如因防火泥脫落，小動物鉆入 10kV開關柜可能引起相間或接地短路，造成電力事故；對于潮濕地區的變電站，雖然目前每臺開關柜都配有加熱器驅潮，但是運行人員在遠方無法獲知加熱器的運行狀態和柜內濕度情況，存在引發事故的隱患。因此，針對變電站10kV開關柜內部的防火泥封堵情況、溫濕度情況無法實時掌握和控制的現狀，研制了一套具備實時監測變電站 10kV開關柜防火泥封堵情況、溫濕度情況及能智能防潮的系統，即變電站 10kV開關柜安全運行智能監護系統。

1 系統總體設計

本套系統由五個部分組成：防火泥封堵監測終端、無線測溫終端、智能除濕監控終端、通信管理機及上位機平臺軟件，如圖1所示。防火泥封堵監測終端、無線測溫終端、智能除濕監控終端與通信管理機之間采用基于 ZigBee協議棧的無線傳感器網絡進行通信，為2.4GHz Mesh 網絡［3］，接口電路為 XBee模塊。通信管理機與上位機平臺采用以太網通信，接口電路為RJ45模塊，鏈路層通信協議為TCP。

圖1　系統構成框圖

其中，防火泥封堵監測終端用于監測動物入侵和防火泥破壞情況，一旦有異常情況立即通過ZigBee無線通信網絡上報給通信管理機。無線測溫終端通過將數字式測溫元件附著在開關觸頭的發熱位置，以熱傳導感知發熱點的溫度，定時采集發熱點的溫度數據并上報給通信管理機。智能除濕監控終端可實時監測開關柜內的溫濕度情況，根據傳感器的信息，通過凝露算法智能控制加熱器、排氣扇和半導體制冷裝置進行驅潮，破壞發生凝露的條件；與此同時，控制終端可將當前的溫濕度值、露點值、除濕設備的運行狀態通過2.4GHz ZigBee無線網絡實時傳輸給通信管理機直到上位機監控平臺，也可以遠程接收上位機監控平臺下發的命令。通信管理機承擔數據中轉和規約轉換的角色，通過ZigBee模塊從控制終端的接收數據并向其發送控制命令，采用以太網通信方式向上位機軟件平臺的應用服務器主動上傳監測的工作環境和狀態信息數據、向 web服務器接收和發送命令。上位機平臺軟件包括應用服務器、數據庫服務器和本地客戶機：應用服務器主動接收通信管理機發送的監測數據，并保存到數據庫服務器；數據庫服務器用于保存參數信息、實時數據、歷史數據；本地客戶機通過應用服務器呈現參數數據、實時數據、歷史數據和向應用服務器發送接收監控命令。

2 終端設備設計

2.1防火泥封堵監測終端設計

防火泥封堵監測終端主要由紅外熱釋電感應模塊、振動傳感器模塊、通信模塊、控制模塊和電源模塊五個部分組成，如圖 2所示。CPU通過 CCP捕捉模塊采集紅外熱釋電傳感器的信息，用以判斷是否有小動物穿過，同時CPU通過I/O端口采集植入防火泥的振動傳感器的信息，判斷防火泥位置狀態。結合兩者得出防火泥封堵狀態，若防火泥封堵出現異常則CPU通過ZigBee無線通信模塊將報警信息上傳通信管理機，進而告知上位機，通過上位機通知運行人員及時檢修防火泥，以保證設備安全可靠運行。

圖2　防火泥封堵監測終端

熱釋電傳感器對溫度敏感，當入侵物體溫度與環境溫度有差別時，則有ΔT輸出。在本設計中紅外熱釋電傳感器選擇GH-718，其采用PIR熱釋電傳感器、菲涅爾光學透鏡設計，工作電壓為DC 4.5～20V，靜態功耗50μA，感應距離7m，感應角度110°。振動傳感器選用MMA7455L，其為XYZ三軸低g加速傳感器，2.4～3.6V低壓操作；分辨率最高達到64LSB/g；可耐高強度沖擊達5000g。選擇Microchip公司的20引腳8位CMOS閃存單片機PIC16F690作為CPU，待機狀態下電流為50nA，空閑狀態可進入超低功耗休眠模式，工作溫度范圍為-40℃～125℃；選用低頻晶振（4MHz），進一步降低功耗；超低功耗喚醒，高灌/拉電流能力并且具有超低功耗的節能休眠模式。ZigBee模塊采用digi公司的XBee模塊，通過串口通信與CPU通信，采用基于IEEE 802.15.4標準的 ZigBee協議，網架結構采用 Mesh架構，ZigBee通信采用免費的2.4GHz信道，模塊配置成Router方式，不休眠，采用3.3V直流供電。該終端的供電電源取自 220V交流電壓，經過YAW3S05T（AC/DC）電源轉換模塊將220V交流電壓降為5V的直流電壓供給人體紅外感應模塊使用；同時，通過SPX1117-3.3電源模塊進一步將5V直流電源降為3.3V，供給CPU、ZigBee等模塊使用。

防火泥封堵監測終端程序由初始化、振動數據采集、熱釋電傳感器狀態監測以及數據主動上報三個部分組成。初始化主要完成I/O口設置、EEPROM數據讀取、中斷設置、定時器設置以及振動模塊配置、自檢等工作。由于 PIC16F690單片機自帶有EEPROM模塊，故將監測終端的地址以及振動模塊加速度監測閾值保存在EEPROM中，可以在燒寫的時候寫入，也可以通過通信進行修改。振動模塊配置主要是啟動時對測量量程以及精度的選擇，并判斷是否接入，如果未接入或者斷線，進行報警。為防止剛上電時候的振動，CPU在上電靜置1分鐘后，啟動振動傳感器，每隔100ms采集一次振動數據，根據自適應抗干擾過濾算法，判斷防火泥是否發生脫落，并生成SOE事件報警。為了防止干擾信號引起誤報，根據防火泥脫落的特點，若振動越限持續時間達到閾值（可設，默認2s），方認為是可靠的報警信號，并生成SOE事件報警。當紅外感應區域被入侵后，紅外傳感器會向CPU發送報警狀態，當狀態持續時間達到閾值，同樣認為是可靠的報警信號，并生成SOE事件報警。CPU每隔30s通過ZigBee模塊向上位機上報一次終端的狀態，終端有三種狀態：正常、入侵、脫落，若終端發生后兩種狀態，立刻作為SOE事件上報。

2.2無線測溫終端設計

無線測溫傳感器主要安裝在開關柜的觸頭上，定時測量觸頭的溫度并主動上傳。工作原理很簡單，CPU通過I2C接口與溫度傳感器進行數據交換，實現溫度信息的采集。然后CPU再將采集而來的數據信息進行一系列條件判定以及按照規約設計處理，最后通過UART串行通信接口將數據發送給ZigBee模塊。由于工作環境特殊，取電不便，采用電池供電方案，因此在軟硬件的設計上，都要最大程度的降低功耗，元器件均需選擇能夠在高溫場合下以及低功耗模式下工作的器件［4］。

采用 TI公司生產的 TMP102數字式溫度傳感器，其具有體積極小、低功耗等特性。TMP102采用SOT563封裝，高度只有0.6mm；最大工作電流只有 10μA，休眠電流只有 1μA。選擇 8位單片機PIC16F1823作為CPU，待機狀態下電流為20nA，空閑狀態可進入超低功耗休眠模式，工作溫度范圍為-40℃～125℃。單片機工作于外部晶振模式可使工作功耗最小，也能提供精確度更高的時基，選用低頻晶振（4MHz）。ZigBee無線模塊通過串口與CPU進行通信，配置為終端，可休眠。CPU通過拉高或拉低SLEEP_RQ引腳電平即可控制XBee是否進入休眠狀態，休眠時 XBee最大工作電流僅為1μA。采用TLH4902 TADIRAN電池供電，高低溫特性好，工作溫度范圍-55℃～85℃，一般壽命長達20年。

圖3　測溫終端系統框圖

圖4　無線測溫傳感器工作流程圖

無線測溫終端軟件設計包括檢測溫度、發送溫度數據和低功耗的管理等方面。考慮到一般環境下發熱點的溫度變化并不明顯，為降低測溫傳感器的功耗，設計軟件時采用溫度數據短周期采集，長周期主動發送數據以及輪循休眠等方法。圖4為無線測溫傳感器主要工作流程圖。CPU每隔15s采集兩次溫度值，并將兩次溫度值進行校驗，驗證數據的有效性。TMP102轉換溫度需耗時26ms，因此為降低功耗，在其轉換溫度期間令 CPU進入休眠狀態26ms。將終端地址保存在 EEPROM 之中，并且只在CPU初始化時讀取，存入到數據區以供使用，避免頻繁讀取EEPROM而增大功耗。將當前讀取的有效溫度值與上一次保存的溫度值進行比較，若溫差超過一定閥值，直接上傳數據，否則每隔5min發送一次數據。采用得當的方法延長發送間隔，可提高電池的使用壽命。當溫度超過上限值75℃時，進入預警狀態，直接上傳溫度數據，累計3次以后，轉為每隔 5min發送一次數據；當溫度再次下降低于73℃時，解除預警狀態。正常工作時，無線數據收發模塊處于休眠狀態。只當需要發送數據時，通過拉低引腳電平喚醒 XBee模塊，數據發送完成后在拉高電平休眠 XBee模塊。在軟件休眠之前，把所有空閑的I/O口配置為輸入，還要保持使用中的I/O口的電平狀態與相連接的器件相一致，避免引腳上出現電流流動，降低模塊的功耗。

2.3智能除濕監控終端設計

智能除濕監控終端采用分體設計方式，由控制模塊和驅潮模塊組成（如圖5所示）。控制模塊包括：電源轉換模塊、溫濕度采集模塊、微處理器模塊、繼電器輸出模塊、開關量采集模塊、通信模塊組成［5］。電源轉換模塊將220V交流電源轉換成直流12V、直流5V、直流3.3V輸出，供給其他模塊使用。溫濕度采集模塊可以采集溫濕度數據，并轉換為數字信號輸出。微處理器用于控制溫濕散熱片、溫濕度的采集，信息處理，控制命令的處理，并管理其他模塊。繼電器輸出模塊根據微處理器模塊發出的指令，控制制冷裝置和加熱裝置的工作。開關量采集模塊可以通過門限開關采集柜門狀態，或通過空開輔助模塊采集空開的狀態。通信模塊主要負責將電信號轉換為無線電波信號，實現信息的無線傳輸。驅潮模塊由加熱控溫裝置和制冷除濕裝置組成。

圖5　智能除濕監控結構終端圖

MCU采用Microchip公司 16位PIC24FJ64G-004，主要功能特性如下：最多26個可用外設引腳；2個I2C模塊；2個UART 模塊；5個帶可編程預分頻器的16位定時器/計數器；4個外部中斷源。電源轉換模塊的220V轉12V部分采用臺灣明緯的開關電源模塊RPS-75-12，輸出電流范圍為0～6.3A，紋波和噪聲是：100mVp-p，電壓精度是±2.0%，輸入電壓范圍是交流90～264V或直流70～127V。溫濕度傳感器采用Sensirio公司的SHT11，其集成度高，功能全面，體積小，并且具有超快的響應速度、抗干擾能力強、性價比高的優點；溫度采集范圍：-40℃～120℃，精度：25℃時±0.5℃，0～40℃時±0.9℃；濕度采集范圍：0～100%RH，精度：±3.5%RH；傳感器通過數據線DATA和時鐘線SCK傳輸數據。開關量以無源或有源的輸入信號形式，經PC817光電隔離后，輸入MCU。無線通信模塊配置成Router方式，不休眠。驅潮模塊中的加熱控溫裝置延用了端子箱內已有加熱板，供電電壓220V。因其加熱快、除濕效果不明顯，故用于端子箱內環境溫度的控制。制冷除濕裝置是半導體制冷除濕器，由兩組風扇、兩組導熱金屬塊、半導體制冷片以及接水盤組成；為了提高凝露控制過程的動態性能，采用閉環控制的BUCK電路實時調整除濕器的輸出功率。

無線溫濕度調節控制器作為端子箱防潮控溫的核心，由溫濕度采集與處理模塊、ZigBee通信模塊、紅外通信模塊和控制策略模塊組成。主流程如圖 6所示。

圖6　控制器主流程圖

CPU每隔1s采集溫濕度值并進行判斷處理；每隔 30s通過無線通信模塊上傳溫濕度值、露點值、除濕設備的運行狀態等數據；CPU在接收到數據幀時根據控制碼判斷由 ZigBee通信處理或紅外模塊處理，紅外模塊支持紅外手持設備就近讀取終端數據。控制終端通過兩種方法來決定是否啟動除濕防潮設備進行除濕和控溫。第一種：根據溫度和相對濕度而計算出露點值，以露點值和當前溫度的差值作為除濕機的起動條件；根據溫度與預設閾值作比較來自動起停加熱器達到控制箱內溫度的目的。第二種，通過遠方監控平臺強制起動，除濕設備運行時間通過遠方監控平臺的軟件窗口下發，時間到后恢復到原來狀態。以上兩種方法組成了對除濕防潮設備較為完善的控制手段。

3 通信管理機設計

通信管理機是基于 RCM6760模塊的嵌入式系統，功能是通信管理及規約轉換。硬件結構可分為系統和接口兩個部分。系統部分是通信管理機的核心硬件，主要包括CPU、存儲器、復位及其外圍電路。CPU選用RCM6760，具有體積小，內置時鐘芯片，多串口，外設豐富等優點，適合于規約轉換器這種多串口多任務的嵌入式系統，此外，該模塊的編譯環境已經移植好 μC/OS-II，可較大地縮短項目開發周期。RCM6760模塊板載1MB Flash S29AL008D，作為程序存儲器；板載 4MB Serial Flash AT45DB041B，作為數據存儲器，存儲內容包括：歷史故障信息、全部通信規約和串行通信接口的設置參數。通信管理機的接口電路包括以太網模塊、ZigBee模塊等。其中，ZigBee模塊采用XBee PRO模塊，配置為網絡協調者，負責網絡的建立與維護［6］。

通信管理機的軟件設計部分按功能將任務劃分為定時管理、以太網通信、數據解析和ZigBee通信任務［7］。各任務間的關系如圖7所示。

圖7　通信管理機任務

定時管理任務主要負責計時和延遲，包括以太網重發延遲、以太網發送延遲和心跳包發送延遲功能，主動上傳數據和心跳包上傳時間間隔分別默認為5min和2min。數據解析任務主要負責與主站服務器間的數據交換，操作的對象為全局變量、以太網發送緩沖區和以太網接收緩沖區，物理層按照以太網協議進行數據傳輸，協議層根據主站規約進行解析和打包。ZigBee通信任務負責與各個終端數據交換，通信協議為底層終端的串口通信協議，ZigBee通信任務的操作對象為全局變量、ZigBee數據接收緩沖區和 ZigBee數據發送緩沖區，如圖 7所示。ZigBee通信任務分為下發數據和接收數據兩部分。下發數據又分為兩類：第一類為下發的查詢任務；第二類為變更任務，該部分變更內容包括閾值設置、手自動設置和啟停控制。

在通信規約方面，本設計采用統一的幀格式，具體說明見表1。其中地址域代表終端設備的地址，命令碼包含設置終端參數、讀取終端數據、終端告警、通信應答等功能。利用校驗和與應答機制來應對通信出錯的情況，提高通信的穩定性和準確性。正常通信時，接收方收到正確數據，校驗一致，則會向發送方回傳應答信號；當通信發生錯誤時，即校驗不通過，則數據發送方無法在預設時限內收到對方的應答信號，因此需延時重發。

表1　幀格式說明

4 上位機軟件設計

變電站 10kV開關柜安全運行智能監護系統由系統管理、臺賬信息建立與維護、開關柜監控、歷史數據呈現、SOE事件管理及系統幫助等六個模塊組成［8］。其中，系統管理模塊包括用戶管理、角色管理、模塊管理、部門管理等功能，為系統提供靈活的權限配置，及可靠的安全性；臺帳信息建立與維護模塊可以進行建立、維護、更改和查詢系統、通信管理機、電壓等級和開關柜設備信息等功能；開關柜監控模塊實時顯示當前開關柜的溫濕度和運行狀態等數據并能夠通過Web控制開關柜的工作模式及工作狀態；歷史數據模塊能查看開關柜監控的歷史信息，提供歷史數據報表生成及打印功能和開關柜歷史數據對比曲線圖；SOE事件模塊用于查看各類設備數據異常情況，確認數據異常并填寫原因；系統幫助模塊提供系統使用說明。

5 結論

本系統采用無線傳感器網絡作為數據傳輸的通道，各個終端成為網絡上的節點，可以組網運行，在數據傳輸過程中，以加密形式傳輸，提高了網絡運行的穩定性。通信管理機作為通信網絡與監測設備之間的接口設備，承擔著數據匯總的任務，需要從下層眾多的終端ZigBee模塊接收數據包。設計中采用基于 RCM6760的嵌入式操作系統，網絡通信上采用API操作模式，配合多對一路由方式，可有效提高ZigBee網絡的路由效率，保證ZigBee網絡的暢通，利用以太網的光纖通道，實現與上位機的互聯互通。主站人機界面友好，純Web技術與B/S架構，其功能模塊按供電企業的職能部門的不同來設計，極易為用戶所接受。因此，變電站 10kV開關柜運行環境監控系統是一種優質的開關柜防潮控溫的設備，可作為老式或新上的開關柜凝露控制器的替代品和首選設備。

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［6］李小江，郭謀發，高偉. 用于低壓配網負荷及漏電流監控的通信管理機研制［J］. 電工電氣，2014（5）：18-22.

［7］黃世遠，楊如輝，郭謀發，等. 配電網自動化通信規約轉換器的設計［J］. 電氣技術，2010（7）：28-33.

［8］王奉武. 上位機設計技術剖析［J］. 山東工業技術，2015（16）：195，269.

Design of Monitoring System for Operating Environment in Substation 10kV Breaker Cabinet

Chen Weifan1Chen Xiaoliang2Gao Wei1
（1. College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350116；2. Fujian Lianjiang Electric Power Supply Co.，Ltd，Fuzhou 350500）

It is difficult to acquire and control real-timely the situation of fire clay blocking，temperature，and humidity in substation 10kV breaker cabinet. To decline the risks of this situation，a monitoring system for substation 10kV breaker cabinet is designed. The network architecture of this system is composed with wireless sensor network and Ethernet. Every monitoring terminal device has an information exchange with communication manager via wireless sensor network. And Ethernet is used to communicate with host computer for communication manager. In this paper，not only the design of hardware and software but also parameter configuration of wireless sensor are introduced in detail，related to the special operating environment of substation 10kV breaker cabinet.

substation； breaker cabinet； wireless sensor network； temperature and humidity monitoring； fire clay

陳偉凡（1990-），男，福建泉州人，碩士研究生，主要從事配電網自動化研究工作。