基于ZigBee技術高壓開關柜溫度在線監測系統研究

胡凱波，許林波，夏志凌

（1.浙江浙能蘭溪發電有限責任公司，蘭溪321100；2.浙江浙能技術研究院有限公司，杭州311100）

智能輸配電網建設的進一步深入，對電力開關設備安全運行的自動化能力水平提出更高的技術要求。高壓開關柜中由于生產制造、運輸安裝、過流燒蝕等導致接頭松動、散熱不良引起溫度異常而出現溫升告警、跳閘停電等事故時有發生[1]，據電力部門相關統計，每年發生在變電站的電力事故約有40%是由開關設備異常溫升造成。溫度作為開關設備運行狀態評估的重要指標之一，是電力在線監測和故障診斷的主要依據[2]，目前，國內變電站通常采用紅外測溫儀按需進行人工逐點測溫，溫度數據采集滯后、漏測和錯測等現象嚴重，如何實現對溫度數據的在線實時準確的監測采集和分析預測，已成為電力系統安全、可靠運行急需解決的現實問題。

由于高壓開關柜復雜封閉式結構及高壓、大電流和強磁場等惡劣運行環境，給常規人工測溫和有線監測的安全和精度均帶來極大不便，運用文獻[3]中設計的溫度監測節點集群組網方案，利用ZigBee技術的自組織性、動態拓撲、低功耗和傳輸穩定等優勢，構建高壓開關柜溫度實時在線監測系統，用較低成本實現開關柜集群溫度的實時動態采集、遠傳運算分析和控制保護，幫助運行管理人員及早發現安全隱患，消缺排障，也可為高壓開關設備運行狀態檢修評價工作提供詳實的數據依據。

1 高壓開關柜溫度在線監測系統方案

考慮到高壓開關柜分為A、B、C 三相及存在斷路器觸頭、電纜接頭、刀閘開關、母線等多個測控點，系統采用分散集控架構，每個測量集群由3～24個測溫分節點（溫度傳感器）和1個匯集節點構成。開關柜測量集群采用低功耗、低成本且傳輸距離適中的ZigBee 無線通信技術，將測溫節點實時溫度數據經小范圍無線網絡傳送到匯聚節點[4-5]，然后經RS485總線網絡上傳到站控層數據接收終端。溫度在線監測系統由裝設在開關柜中的溫度采集裝置、數據傳輸通信網絡和站控監控主站等組成，如圖1所示。

圖1所示，溫度在線監測系統的結構底層為數據采集與溫度控制終端，底層網絡由若干傳感器和ZigBee 終端組成星型結構，負責按需采集溫度數據，并通過內嵌式ZigBee通信模塊將數據傳輸到匯聚節點，匯聚節點采用嵌入式技術和RS485總線網絡負責底層ZigBee 無線網絡與站控層間數據的傳輸、接收和存儲ZigBee 終端采集的數據信息，經匯聚節點中繼通過RS485總線網絡將數據傳遞給站控層數據處理中心[6-7]，監測系統頂層為站控數據中心，負責高壓開關柜溫度數據的運算分析和管理發布等。

圖1 高壓開關柜溫度在線監測系統結構Fig.1 Structure of online temperature monitoring system for high voltage switchgear

2 基于ZigBee技術數據采集與溫度控制層

溫度監測系統底層網絡主要包括溫度測量分節點和匯集節點兩部分，其中溫度測量分節點由布設在高壓開光柜柜中觸頭部位的若干光纖測溫傳感器組成，經ZigBee 無線通信網絡將數據傳輸到匯聚節點，其網絡結構如圖2所示。

圖2 溫度數據采集與控制電路結構Fig.2 Temperature data acquisition and control circuit structure

2.1 觸頭溫度采集終端

由于高壓開關柜運行處于高電壓、強電磁、封閉且狹小空間環境，同時考慮柜內多點溫度監測及ZigBee 拓撲組網需要，優選設計形式靈活、可靠性高且適用于高電壓、強電磁（EMI/RFI/EMP）、易燃易爆等特殊工業環境的熒光式光纖測溫傳感器，該傳感器工作電壓為DC 5 V，測溫范圍為-30℃～+125℃，測量精度為±1%℃或全量程的1%，1～16 路多通道測溫，對高壓、強電磁干擾有較強免疫力。

2.2 無線射頻控制模塊

溫度監測系統底層控制模塊設計除了考慮開關柜復雜的高電壓、強電磁等特殊環境條件外，還需考慮小型化、低成本、低功耗等技術要求，德州儀器（TI）公司研發生產的CC2530控制芯片是以ZigBee為基礎用于2.4 GHz/IEEE 802.15.4/RF4CE/ZigBee應用的低成本、低功耗的真正片上系統（SoC）解決方案[8]。CC2530 具備優秀的接收靈敏度和抗干擾性，支持低功耗無線通信[9-10]，從休眠模式轉換到主動模式的時間只需4 μs，而激活狀態下接收或發送數據只需0.5 ms，功耗僅有24 mA 或29 mA。CC2530與熒光式光纖測溫傳感器通過SPI 連接，處理器根據通訊地址經SPI 訪問傳感器，SPI接收或發送溫度數據由時鐘下降沿觸發。

2.3 匯聚節點

ZigBee網絡協調器主要負責ZigBee 傳感器網絡和RS485 串口網絡間的溫度數據傳遞，負責接收開關柜中各觸頭的溫度數據，并對各個終端分節點數據進行運算分析，然后統一打包經RS485網絡上傳到站控層數據處理中心ARM 芯片，ARM 處理器接收到溫度數據后，在開關柜面板上進行實時顯示，并通過以太網總線上傳到站控層監控主站上位機系統，實現液晶屏顯示、SCADA 存儲和短信提示等功能。ARM 自動根據系統設置的溫度閾值進行對比判斷，一旦超過預設值則通過溫度控制執行機構開啟對應降溫設施，如圖3所示。

圖3 ZigBee網絡協調器電路結構Fig.3 Circuit structure of ZigBee network coordinator

3 系統軟件設計

溫度在線監測系統通過設置數據采集周期按需對觸頭溫度進行定時監測，其中：站控層主要實現溫度數據的運算分析、實時顯示和歸類存儲等功能；溫度傳感器分節點和ZigBee協調器節點則采用德州儀器（TI）公司CC2530 提供的Z-stack協議棧軟件進行應用開發[11]。

3.1 傳感器分節點軟件設計

溫度采集無線傳感終端子節點是間接通過Zig-Bee協調器節點與遠程監控主站進行聯系，為了降低系統功耗，將子節點不進行溫度采集的絕大部分時間設置為休眠狀態，只有當ZigBee協調器節點發出溫度采集指令后才在短時內喚醒，并待數據采集且發送完成后重新進入到休眠狀態，傳感器分節點經初始化處理，在收到信標后向可用網絡發送入網請求，待并網成功發出綁定請求，得到允許采集溫度數據并發送給ZigBee協調器。完成數據傳送后移除綁定，繼續監聽信標并轉入休眠模式，傳感器分節點溫度采集流程如圖4所示。

圖4 傳感器分節點軟件流程Fig.4 Software flow chart of sensor sub-node

3.2 協調器節點軟件設計

ZigBee協調器節點負責無線網絡構建、溫度數據接收與處理、遠程控制指令的收發與執行，在接收來自傳感器分節點的溫度數據后，經ZigBee內嵌式ARM 處理器處理后通過RS485總線網絡發送到遠程監控主站數據處理中心，協調器經初始化處理進行通信鏈路連接，網絡建立成功后一直處于在線候命狀態，當收到溫度數據采集指令，經ZigBee協調器中繼實現與ZigBee 無線網絡采集傳感器終端間的通信連接，并完成溫度數據的采集，最終將采集數據返回到遠程監控主站，協調器節點工作軟件流程如圖5所示。

圖5 協調器節點軟件流程Fig.5 Software flow chart of coordinator node

3.3 遠程監控主站軟件設計

監控主站負責接收溫度數據信號，并對數據解包、分析和存儲，上位機系統軟件采用面向TCP/IP協議的Socket通信機制的C/S機構，數據采集與監視控制系統（SCADA）系統采用SQL Server 數據庫，實現對溫度數據的存儲和管理，上位機監控界面軟件主要具備以下功能：

（1）登陸界面：給不同用戶分配賬號、角色和管理權限，按權限進行系統操作和管理；

（2）數據顯示：顯示高壓開關柜柜內傳感器測量子節點的實時溫度數據和動態變化率，并可進行歷史數據查詢和統計分析；

（3）異常報警功能：通過聲光等形式顯示異常數據部位、異常狀態及演變趨勢等信息，通過發送短信等形式提示管理人員對異常信息進行及時排查和處理；

（4）終端設備參數設置：經RS485總線網絡，對ZigBee協調器和終端溫度傳感器設備的特性參數進行設置，如：GPS時鐘對時、采集周期定時、報警閾值設置等；

（5）系統自檢：系統自檢排查故障。

4 系統應用

高壓開關柜溫度在線監測系統采用兩級傳輸網絡，第一級采用免費的2.4 GHz 頻段的ZigBee 短距離無線通信，既克服開關柜內部高壓、強電磁等復雜運行環境[12]，又實現溫度短距離數據無線傳送；第二級采用RS485總線網絡，解決了開關柜封閉空間無線數據外傳受限問題，溫度數據通過協調器聚集后經RS485網絡上傳到監控主站，按圖1結構安裝光纖測溫傳感器、ZigBee協調器等設備后，經調試系統運行穩定，其在線監測軟件界面，如圖6所示。

圖6 溫度在線監測軟件界面Fig.6 Software interface of temperature online monitoring system

為驗證監測系統的測溫性能，將系統自動采集的溫度數據與紅外測溫儀人工實測的溫度數據進行對比分析，如表1所示。

表1 觸頭溫度自動采集與實測數據對比Tab.1 Comparison between contact temperature automatic acquisition and measured data

從表1 測試數據對比分析可知，監測系統按需實時采集高壓開關柜柜內觸頭的溫度數據，同時可以對溫度數據變化率進行運算分析，現場測試中，經ZigBee網絡傳輸溫度數據的速率可達246 kb/s，可實時監測及傳送200 m 范圍內高壓開關設備的溫度數據，系統測溫與人工紅外測溫誤差＜1.5℃，觸頭溫升變化率＜3.5℃/min，符合電氣高壓觸點溫度監測誤差≤5℃和溫升變化率≤20℃/min的測量精度技術要求，且數據丟包率為0，能夠滿足電力企業對高壓電氣設備24 h 全天候正常測溫通信的實時性和可靠性要求。

5 結語

高壓開關柜溫度在線監測系統利用ZigBee 短距離無線通信優勢，以熒光式光纖測溫傳感器為基礎和無線傳感器星型網絡為核心，應用ZigBee技術和RS485網絡實現了高壓開關柜各觸頭節點溫度數據的實時采集和遠程傳送及監測，通過溫度實測數據對比分析，監測系統能夠準確進行溫度數據采集及分析處理，運行穩定性高且抗干擾能力強、能耗低，基于ZigBee技術的溫度在線監測系統，可為觸頭溫升狀態在線監測及觸頭過熱預防診斷提供詳實的數據支撐，同時，數據庫共享功能促進了高壓設備網絡化、數字化和智能化運行監測及狀態檢修的實現。