基于ZigBee的智能變電站熱點(diǎn)溫度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)研究

金鷹

（湖北工業(yè)大學(xué)，武漢430068）

1 引言

電力企業(yè)對于社會生產(chǎn)與人們?nèi)粘Ｉ罹哂袠O為重要的作用，對社會發(fā)展與提高生活水平有著直接的影響。但是電力系統(tǒng)當(dāng)中常常因?yàn)闇囟冗^高導(dǎo)致變電站出現(xiàn)運(yùn)行異常的現(xiàn)象，嚴(yán)重的話會導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸等嚴(yán)重事故。目前在變電站當(dāng)中進(jìn)行溫度監(jiān)測主要通過紅外測溫或蠟片等方法實(shí)現(xiàn)，但是上述方法均是現(xiàn)場測試，而且測試精度和效率上相對較差。而ZigBee技術(shù)能夠通過無線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測，將ZigBee技術(shù)應(yīng)用在熱點(diǎn)溫度監(jiān)測具有較好的應(yīng)用效果。

2 智能變電站遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計過程中應(yīng)該保證滿足如下要求：①監(jiān)測全面，能夠?qū)崿F(xiàn)從點(diǎn)到面進(jìn)行全方位監(jiān)測，對所有設(shè)備當(dāng)中的實(shí)時數(shù)據(jù)和報警信息進(jìn)行采集，之后對其進(jìn)行整體上的比較分析。②智能分析診斷，系統(tǒng)能夠在短時間內(nèi)監(jiān)測到出現(xiàn)故障的設(shè)備或者是線路，無需人工參與檢驗(yàn)。③綜合化，通過對系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，能夠使孤立等具有參考性的傳統(tǒng)系統(tǒng)逐漸發(fā)展成為智能化、全局性以及聯(lián)網(wǎng)化的綜合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集、分析與診斷集中于一體，使其能夠?yàn)闋顟B(tài)檢修做出相應(yīng)的技術(shù)支撐。

3 熱點(diǎn)溫度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計思路

傳統(tǒng)變電站在熱點(diǎn)溫度監(jiān)測過程中，存在時效性差、環(huán)境影響大以及封閉測溫難等問題，利用ZigBee技術(shù)能夠有效對上述問題加以解決，能夠在溫度實(shí)時監(jiān)測基礎(chǔ)上，符合智能變電站發(fā)展的需求。在系統(tǒng)設(shè)計過程中應(yīng)該對如下無線模塊、無線協(xié)議、信號傳輸以及監(jiān)控界面等作出設(shè)計。監(jiān)控點(diǎn)分別布置于變電站中所有監(jiān)測部位，同時將采集信息利用無線路由器實(shí)現(xiàn)傳輸，知道將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心，此時便可利用監(jiān)控中心內(nèi)的計算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對設(shè)備溫度做出實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)測[1]。

4 熱點(diǎn)溫度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1.1 溫度傳感器設(shè)計

整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，終端節(jié)點(diǎn)與RFD設(shè)備具有相同的功能，其主要包括無線模塊、電源模塊與溫度傳感器等部分。其中溫度傳感器使用的材料是Pt100電阻。其主要工作原理是傳感器利用系統(tǒng)提供的5V電壓，使其通過3.92kΩ電阻并與Pt100相連。但是會出現(xiàn)一定的非線性問題，可以通過單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對其校正。根據(jù)Pt100實(shí)際情況，其溫度處于0～150℃范圍內(nèi)時，其電阻值相應(yīng)是100～157.33Ω，根據(jù)串聯(lián)分壓原理能夠計算出最終的輸出電壓U，輸出電壓計算公式為U=U1/（RPt100+3.92kΩ）×RPt100。輸出阻值和溫度對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 輸入阻值和溫度對應(yīng)關(guān)系表

4.1.2 電源設(shè)計

電源模塊目前有兩種不同的設(shè)計方案，即高壓自具電源實(shí)現(xiàn)供電與電池供電。選擇電源模式主要是根據(jù)終端節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行確定，如果對高壓開關(guān)柜當(dāng)中的觸頭進(jìn)行測溫，可以利用電流互感器與整流濾波電路實(shí)現(xiàn)供電；如果對變壓器外殼進(jìn)行測溫，便可以通過電池進(jìn)行供電。對于高壓帶能源供電而言，其主要有感應(yīng)線圈與整流濾波兩部分構(gòu)成。感應(yīng)線圈分為鐵芯和繞線兩部分，整個線圈利用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝，同時將其安裝在觸臂上，因?yàn)橛|頭中經(jīng)過的電流為交流電，所以經(jīng)過電磁感應(yīng)能夠產(chǎn)生電流，并將電流輸送至電源模塊當(dāng)中，隨后利用整流濾波將電壓穩(wěn)定為3.3V，實(shí)現(xiàn)對傳感器和無線模塊提供電源。而電池供電主要是利用軟件實(shí)現(xiàn)對功耗加以控制，CC2430芯片因?yàn)樵谶\(yùn)行過程中的電流損耗是27mA，而在接受模式時損耗不超過27mA，發(fā)射模式下?lián)p耗也低于25mA；當(dāng)其處于休眠狀態(tài)時電流損耗只有0.9μA，當(dāng)外部出現(xiàn)中斷現(xiàn)象能夠快速喚醒系統(tǒng)。

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括監(jiān)測點(diǎn)軟件、用戶調(diào)試界面以及ZigBee協(xié)議棧三個方面。其中監(jiān)測點(diǎn)軟件主要是對溫度傳感器接收到的數(shù)據(jù)做出分析與處理，并將處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，并且利用其通信端口將數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器。其中ZigBee作為整個網(wǎng)絡(luò)中的核心，其主要對各監(jiān)測點(diǎn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，同時對監(jiān)控中心指令進(jìn)行接收與處理，并將指令下達(dá)至對應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)中。ZigBee協(xié)議棧由4個主要的架構(gòu)層構(gòu)成，分別是物理層、應(yīng)用層、訪問控制層以及網(wǎng)絡(luò)層。其中物理層與訪問控制層使用的協(xié)議是IEEE802.15.4，網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層則根據(jù)ZigBee聯(lián)盟對其進(jìn)行制定。

4.3 監(jiān)測圖演示

在線監(jiān)測系統(tǒng)在進(jìn)行顯示時的部分截圖如下圖1所示。其中虛線單位內(nèi)的設(shè)備均安裝了溫度傳感器。實(shí)現(xiàn)區(qū)域表示的是主變室內(nèi)的情況。圖中灰色方塊代表溫度傳感器安裝位置，同時進(jìn)行相應(yīng)的文字說明，可以保證值班人員能夠清晰掌握所有傳感器監(jiān)測的位置。圖中顯示所有數(shù)據(jù)都是設(shè)備實(shí)時測得的溫度值，多數(shù)數(shù)據(jù)均處于規(guī)定范圍內(nèi)，此時溫度數(shù)據(jù)以綠色字體顯示。而35kV套管測溫度顯著過高，此時溫度數(shù)據(jù)由綠色變?yōu)樽仙蛊淠軌蚺c正常溫度加以顯著的區(qū)別。如果溫度升高導(dǎo)致數(shù)據(jù)呈現(xiàn)紅色，此時便會做出高溫警報。通過該界面可以有效地監(jiān)測變電站中設(shè)備運(yùn)行溫度情況，進(jìn)而能夠?qū)υO(shè)備實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)有所了解，防止供電事故的出現(xiàn)。

5 結(jié)語

總而言之，智能變電站建設(shè)對于保障電力系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行擁有非常重要的作用。特別是在變電站時常發(fā)生因?yàn)闇囟冗^高出現(xiàn)供電問題時，實(shí)現(xiàn)良好的遠(yuǎn)程監(jiān)測能夠及時發(fā)現(xiàn)問題并處理。ZigBee技術(shù)作為一種有效的無線通信技術(shù)，將其應(yīng)用在智能變電站中的熱點(diǎn)溫度監(jiān)測當(dāng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測溫度，對溫度過高設(shè)備進(jìn)行及時的發(fā)現(xiàn)，通過快速的處理能夠有效地降低供配電事故的出現(xiàn)，這對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與保障民生擁有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。