基于ZigBee的高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

菅光盛

摘 要：針對高壓開關(guān)柜內(nèi)部溫度不易測量的問題，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee 技術(shù)的開關(guān)柜溫度監(jiān)控系統(tǒng)。通過ZigBee通訊技術(shù)將終端節(jié)點(diǎn)溫度實(shí)時傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)，為工作人員提供開關(guān)柜的溫度參數(shù)及預(yù)警功能，從而實(shí)現(xiàn)對開關(guān)柜的在線監(jiān)控，該系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、功耗低、精度高、易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜;ZigBee技術(shù);溫度監(jiān)測

1 引言

隨著社會不斷進(jìn)步和居民生活水平的提高，人們對電能的需求日益增加，對電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性越來越重視。高壓開關(guān)柜是電力系統(tǒng)中重要的電力設(shè)備，具有輸電、配電、控制及保護(hù)等作用，廣泛應(yīng)用于變電站等各電力系統(tǒng)場所。在開關(guān)柜工作過程中，由于負(fù)荷過載、線路老化等原因常會出現(xiàn)溫度非正常升高的問題，如不及時處置可能引起嚴(yán)重的后果 ， 造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，需要對高壓開關(guān)柜內(nèi)部元件的溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)其運(yùn)行過程中存在的問題和安全隱患。本文基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜溫度的有效監(jiān)測。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對高壓開關(guān)柜內(nèi)部溫度的實(shí)時監(jiān)測、傳輸和存儲。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括溫度傳感器、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、存儲器、PLC控制單元以及通訊單元等模塊。其中溫度傳感器主要用于實(shí)時采集高壓開關(guān)柜內(nèi)部元件的運(yùn)行溫度，PLC控制單元則通過ZigBee技術(shù)將采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，并將結(jié)果通過通訊單元發(fā)送到主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)則發(fā)出相應(yīng)的控制指令對溫度進(jìn)行控制和預(yù)警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求， 通過ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)控制單元與無線設(shè)備之間的通訊，以讀取各溫度傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)時參數(shù)，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理。同時，在系統(tǒng)控制單元中設(shè)置定時器，具有周期性休眠和喚醒功能，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗的優(yōu)勢。溫度采集模塊是系統(tǒng)的核心單元，主要包括傳感器模塊和通信模塊。傳感器模塊負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集，通信模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和傳輸，如圖2所示。

溫度采集模塊采用2.4G 擴(kuò)頻通信技術(shù)和溫度傳感技術(shù)的高精度數(shù)字式無線傳感器，該傳感器的量程范圍為-20℃～+80℃，可以滿足開關(guān)柜外部環(huán)境復(fù)雜的溫度變化。具有較高的測量精度，精度可達(dá)到0.0625℃。具有很高的穩(wěn)定性，滿足開關(guān)柜長期穩(wěn)定運(yùn)行的需求。同時，傳感器體積較小，可以測量高壓開關(guān)柜內(nèi)的觸頭、引出線電纜接頭和母線連接點(diǎn)等部位的實(shí)時溫度，適用范圍廣泛。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)通過設(shè)置數(shù)據(jù)采集周期按需對觸頭溫度進(jìn)行定時監(jiān)測，其中控制單元主要實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的運(yùn)算分析、實(shí)時顯示和歸類存儲等功能。溫度傳感器分節(jié)點(diǎn)和 ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要完成溫度的采用和傳輸。溫度采集無線傳感終端子節(jié)點(diǎn)是間接通過 ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行聯(lián)系，為了降低系統(tǒng)功耗，將子節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行溫度采集的絕大部分時間設(shè)置為休眠狀態(tài)，只有當(dāng) ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)出溫度采集指令后才在短時內(nèi)喚醒，并待數(shù)據(jù)采集且發(fā)送完成后重新進(jìn)入到休眠狀態(tài)。在接收來自傳感器分節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)后，經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控主站數(shù)據(jù)處理中心。協(xié)調(diào)器經(jīng)初始化處理進(jìn)行通信鏈路連接，網(wǎng)絡(luò)建立成功后一直處于在線候命狀態(tài)，當(dāng)收到溫度數(shù)據(jù)采集指令，經(jīng) ZigBee 協(xié)調(diào)器中繼實(shí)現(xiàn)與 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)采集傳感器終端間的通信連接，并完成溫度數(shù)據(jù)的采集，最終將采集數(shù)據(jù)返回到遠(yuǎn)程監(jiān)控主站。

3實(shí)驗(yàn)研究

為說明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，采用溫度監(jiān)控系統(tǒng)對某臺10kv高壓開關(guān)柜內(nèi)部的6個觸點(diǎn)進(jìn)行溫度監(jiān)測，設(shè)定溫度閾值為42℃，結(jié)果如圖3所示。

可見，所設(shè)計(jì)開關(guān)柜溫度實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)可以有效采集各部件的運(yùn)行溫度，并為工作人員提供數(shù)據(jù)展示和預(yù)警功能，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)用有效，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4結(jié)論

基于 ZigBee協(xié)議設(shè)計(jì)了一種高壓開關(guān)柜在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)。對系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和軟、硬件功能分別進(jìn)行討論，并以某10kV高壓開關(guān)柜為樣機(jī)進(jìn)行在線溫度監(jiān)控實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠根據(jù)高壓開關(guān)柜運(yùn)行狀況，實(shí)時監(jiān)測各測點(diǎn)溫度參數(shù)，給工作人員提供數(shù)據(jù)顯示、存儲以及預(yù)警功能，具有測量精度高、可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，對于保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要的應(yīng)用意義。

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