王云飛
摘要:針對高壓帶電體運轉(zhuǎn)時經(jīng)常出現(xiàn)溫度過高等問題,文章提出了基于ZigBee的高壓帶電體溫度在線監(jiān)測系統(tǒng),主要介紹了溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的基本原理。多次測試結(jié)果表明,溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)丟包率和誤包率小,穩(wěn)定性和安全性好,測試結(jié)果準確度高,具有一定的推廣價值。
關(guān)鍵詞:高壓帶電體;ZigBee技術(shù);傳感器;監(jiān)測
1引言
電力系統(tǒng)高壓電纜接頭由于接觸不良等原因,在滿負荷負載電流通過時會造成溫升過高、局部過熱情況。據(jù)報道,國內(nèi)外都發(fā)生過多起因為高壓電纜接頭接觸不良而導致的短路、停電等事故,給公司帶來了巨大損失和嚴重影響了人民的正常生活。
針對高壓電纜接頭接觸不良而導致的短路、停電等問題,本文提出了基于ZigBee的高壓帶電體溫度在線監(jiān)測系統(tǒng),主要介紹了溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的基本原理,以保證電力系統(tǒng)可靠與安全運行。
2ZigBee技術(shù)簡介
ZigBee是一種短距離無線傳感網(wǎng)絡通信技術(shù),它可工作在2.46Hz(全球)頻段上,具有最高250kbit/s的傳輸速率;也可工作在915MHz(美國)頻段上,達到最高40kbit/s的傳輸速率;還可以工作在868Ntz(歐洲)頻段上,具備最高20kbit/s的傳輸速率。它的基本傳輸距離在一般在75m的范圍內(nèi),但可以無限擴展。作為一種無線通信技術(shù),ZigBee具有低功耗、成本低、網(wǎng)絡容量大、時延短以及安全可靠的特點。ZigBee采用無線局域網(wǎng)(WLAN)中802.11系列標準的載波監(jiān)聽多路訪問/沖突防止(CSMA/CA)協(xié)議,有效地避免了無線電載波之間的沖突,保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。ZigBee設備可以無線自動組網(wǎng),響應速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms,節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30ms。ZigBee模塊使用兩節(jié)五號電池可實現(xiàn)長達6個月到2年的工作時間。
3系統(tǒng)的總體設計
高壓帶電體溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由終端節(jié)點、3G無線傳輸模塊和遠程監(jiān)測中心組成。終端采集節(jié)點連接有常用的溫度傳感器DS18B20,掛接在高壓電纜上,溫度傳感器DS18B20直接安裝在變電站高壓電纜接點處,利用直接接觸測溫方式采集接頭溫度,獲得的溫度數(shù)據(jù)通過ZigBee終端節(jié)點傳輸?shù)絑igBee路由器和ZigBee協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器通過串口與3G無線傳輸模塊連接,遠程傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。
遠程監(jiān)測中心對接收到的溫度數(shù)據(jù)的進行分析處理,將處理后的數(shù)據(jù)根據(jù)需要存儲到SQL數(shù)據(jù)庫中,當溫度超過預先設定的溫度極限值時,發(fā)出報警信息,提醒值班人員緊急處理,以保證電力系統(tǒng)安全運行。
4硬件設計
終端采集節(jié)點由傳感器采集模塊、ZigBee無線通信模塊以及電源模塊組成。傳感器采集模塊采用1-Wire總線技術(shù)的DS18B20溫度傳感器。ZigBee無線傳輸模塊采用CC2430芯片,Chipcon公司的CC2530是用于頻率為2.4Ghz的IEEE802.15.4、zigbee和RF4CE應用的一個真正的片上系統(tǒng)(System on Chip,簡稱SoC)解決方案。在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用一個8位MCU(8051),具有128KB可編程內(nèi)存和8KB的RAM,還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個定時器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O引腳。CC2530芯片采用0.18μmCMOS工藝生產(chǎn),在接收和發(fā)射模式下,電流損耗分別低于25mA或27mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間特性,特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。
3G無線通信模塊采用的是華為公司生產(chǎn)的MU509(UMTS/HSDPA 2100NHz GSM/GPRS/EDGE 850/900/1800/1900MHz)通訊模塊,是雙頻WCDMAA工業(yè)級無線模塊,支持3.6Mbps下行速率;提供高質(zhì)量的語音、短信功能,F(xiàn)OTA功能,內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧,以及華為擴展AT命令集。工作電壓范圍為3.3V到4.2V,MU509有8個wire UART。采用標準RS232串行接口,支持語音數(shù)據(jù)以及短消息(SMS)的接收、發(fā)送以及對短信的管理,支持TCP/IP,UDP/IP,PPP protocol通信協(xié)議。嵌入式ARM微處理器可以借助3G無線通信模塊強大的數(shù)據(jù)傳輸功能實時地進行信息處理。
5軟件設計
軟件設計在德州TI公司研發(fā)的IAR Zstack-CC2530-2.5.1環(huán)境下進行編譯,協(xié)議棧是協(xié)議和用戶之間的一個接口,開發(fā)人員通過使用協(xié)議棧來使用這個協(xié)議的,進而實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)。
包括終端節(jié)點、路由器協(xié)調(diào)器、以及3G無線通信模塊程序的設計,終端節(jié)點采集溫度數(shù)據(jù),路由器進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和分組,協(xié)調(diào)器主要進行組網(wǎng)。3G無線通信模塊在Red Hat Linux下,進行交叉編譯,使用AT指令進行撥號上網(wǎng)。通過Linux環(huán)境下socket函數(shù)建立的TCP/IP傳輸控制協(xié)議通道,通道能夠?qū)崿F(xiàn)各模塊之間通信,通過AT指令設置,完成3G無線通信模塊的初始化,AT IPR=38400設置3G模塊的波特率為38400b/s,AT CGD CON=1,“IP”,“CMNET”命令符進行3G網(wǎng)絡鏈接,鏈接成功之后,則將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程監(jiān)測中心。
6測試結(jié)果與分析
通過對某220kV變電站高壓電纜接頭的溫度進行實時在線監(jiān)測,可以得到每隔5分鐘采集一次的溫度數(shù)據(jù)。觀測其數(shù)據(jù)的變化,根據(jù)該220kV變電站實際的運行規(guī)律,設定溫度最高報警閾值,如果監(jiān)測的溫度大于報警閾值,則發(fā)生警報。通過分析數(shù)據(jù)可以看出,數(shù)據(jù)上下波動較穩(wěn)定,且小于報警閾值,沒有出現(xiàn)任何異常泄露,220kV變電站運行良好。
7結(jié)語
基于ZigBee的高壓帶電體溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)可以及時監(jiān)測到高壓帶電體的溫度等數(shù)據(jù),在遠程監(jiān)測中心對數(shù)據(jù)進行處理和分析,如果監(jiān)測到溫度數(shù)據(jù)值超過了設定的最大溫度值時,發(fā)出報警信息,以確保電力系統(tǒng)的安全運行和調(diào)度。多次在現(xiàn)場測試實驗中,ZigBee終端節(jié)點、路由節(jié)點以及協(xié)調(diào)器節(jié)點展現(xiàn)了良好的數(shù)據(jù)、穩(wěn)定傳輸能力,對所測得的溫度數(shù)據(jù)可以準確無誤的傳輸,可以滿足變電站自動化通信系統(tǒng)的要求,實現(xiàn)了無線化,克服了變電站布線難、高溫易損壞,成本高的缺點,具有很高的應用價值。