□ 孔祥翔 楊勇

基于Zigbee通訊網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的干式變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

□ 孔祥翔 楊勇

在原有的廣西人民廣播電臺(tái)演播樓UPS管理系統(tǒng)平臺(tái)上，采用ZigBee技術(shù)，實(shí)時(shí)讀取變壓器的溫控儀的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)modbus傳輸規(guī)約將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心，利用組態(tài)軟件完全自主開(kāi)發(fā)干式變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的應(yīng)用減輕了動(dòng)力科值班人員的工作負(fù)擔(dān)，降低了管理成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，優(yōu)化了管理品質(zhì)，延長(zhǎng)了干式變壓器的使用壽命，有效地保障了安全播出。

Zigbee；干式變壓器；modbus通訊規(guī)約；狀態(tài)分析管理系統(tǒng)

廣西人民廣播電臺(tái)原有的1#油式變壓器使用年限較久，且有漏油現(xiàn)象，存在一定的供電安全隱患，為了保障安全播出以及供電的穩(wěn)定性，更換了一臺(tái)500KVA干式變壓器。干式變壓器的運(yùn)行狀況與繞組的絕緣性能有較大關(guān)系，而繞組溫度是影響絕緣損壞程度的主要因素。當(dāng)溫度達(dá)到一定限值時(shí)，會(huì)使繞組絕緣惡化，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致干變絕緣擊穿和爆炸，引起大面積停電，影響安全播出供電，造成不可估量的損失。目前廣西人民廣播電臺(tái)采用傳統(tǒng)的定期人工手持紅外溫度探測(cè)槍進(jìn)行定期測(cè)量的方式對(duì)干變的溫度狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)干變的繞組溫度變化情況，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器的故障，存在一定的供電安全隱患。根據(jù)實(shí)際情況，在原有的廣西電臺(tái)演播樓UPS管理系統(tǒng)軟件平臺(tái)上，自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出了一種基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的變壓器繞組溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和狀態(tài)分析管理系統(tǒng)。

一、ZigBee概要

Zigbee技術(shù)是一種新興的無(wú)線通信技術(shù)，具有傳輸距離短、復(fù)雜度低、功耗小、數(shù)據(jù)速率低和成本少的特點(diǎn)。其中Z-Stack協(xié)議棧是ZigBee技術(shù)的核心，ZigBee協(xié)議棧以IEEE802.15.4的物理層和MAC層為基礎(chǔ)，在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)上又增加了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和安全服務(wù)層。Z-Stack協(xié)議棧由各層模塊組成，下一層需要為上一層提供特定服務(wù)，其中數(shù)據(jù)的服務(wù)實(shí)體需要提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，而管理的實(shí)體需要提供所有管理服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過(guò)相應(yīng)的服務(wù)實(shí)體接入點(diǎn)（SAP）為其上一層提供一個(gè)數(shù)據(jù)接口，每個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)通過(guò)“服務(wù)原語(yǔ)”來(lái)完成服務(wù)功能，ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。

二、ZigBee技術(shù)與其他無(wú)線通信協(xié)議的比較

當(dāng)前工業(yè)監(jiān)控中短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸領(lǐng)域中存在紅外技術(shù)、Wi-Fi、藍(lán)牙和ZigBee等技術(shù)。Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪?lái)增加通訊傳輸距離和擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，并且其工作在免收費(fèi)工作頻段（2.4GHz），這對(duì)于工業(yè)監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集和控制信號(hào)傳輸來(lái)說(shuō)都是非常適合的，表1是四種常用無(wú)線通信協(xié)議的比較。

三、Modbus協(xié)議簡(jiǎn)介

Modbus通訊協(xié)議廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域，協(xié)議結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明通用，大部分工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)都支持該協(xié)議。Modbus定義了OSI模型第7層上的應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了串行鏈路上的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，在一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)從節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)查詢和應(yīng)答功能。Modbus協(xié)議規(guī)定了兩種串行傳輸模式：RTU模式和ASCII模式。本系統(tǒng)采用RTU模式，RTU報(bào)文中每個(gè)8位字節(jié)含有兩個(gè)4位十六進(jìn)制字符，具有比較高的數(shù)據(jù)密度，在相同的波特率下比ASCII模式具有較高的信息交換率。具體上上位機(jī)下傳數(shù)據(jù)格式和下位機(jī)上傳數(shù)據(jù)格式如表2和表3所示。

四、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示，通過(guò)Zigbee無(wú)線傳感器，網(wǎng)絡(luò)對(duì)干式變壓器的溫控儀各相繞組溫度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理、故障預(yù)警和運(yùn)行狀態(tài)分析判斷，提高全臺(tái)供電的可靠性和穩(wěn)定性，監(jiān)控系統(tǒng)可分為以下三個(gè)部分：

（一）基于溫控儀從節(jié)點(diǎn)的無(wú)線數(shù)據(jù)采集部分，主要部分是從節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)干式變壓器的溫控儀的各種狀態(tài)信息量進(jìn)行采集。

圖1 Zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案圖

圖3 監(jiān)控主界面

（二）基于Zigbee技術(shù)的組網(wǎng)和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸部分，這部分主要是實(shí)現(xiàn)將從節(jié)點(diǎn)能采集到的變壓器數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到主節(jié)點(diǎn)，再由主節(jié)點(diǎn)匯聚后最終通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)以達(dá)到監(jiān)測(cè)的目的，并且可以通過(guò)路由器節(jié)點(diǎn)的布置來(lái)擴(kuò)展通信距離，從而擴(kuò)大無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

（三）基于力控組態(tài)的上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面部分，這部分功能主要是將通過(guò)串口接收網(wǎng)絡(luò)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，以圖形的方式用上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面直觀地顯示出來(lái)，并能通過(guò)短信和現(xiàn)場(chǎng)語(yǔ)音將故障狀況及時(shí)準(zhǔn)確通知相關(guān)人員，并將報(bào)警信息存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便值班人員采取相應(yīng)的保障措施。

表1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的比較

表2 上位機(jī)下傳數(shù)據(jù)格式

表3 下位機(jī)上傳數(shù)據(jù)格式

五、軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件平臺(tái)主要是基于力控組態(tài)軟件進(jìn)行編寫(xiě)的，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的編程，就可設(shè)計(jì)出通用性強(qiáng)和可靠性高的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。軟件平臺(tái)主要包括數(shù)據(jù)顯示子系統(tǒng)、預(yù)警子系統(tǒng)、狀態(tài)分析子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)保存子系統(tǒng)和報(bào)表統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)等功能組成。監(jiān)控主界面如圖3所示。

（一）數(shù)據(jù)顯示子系統(tǒng)

直觀顯示干式變壓器三相繞組的實(shí)時(shí)溫度、風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間、故障代碼和運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)，同時(shí)以曲線形式描繪溫度的實(shí)時(shí)變化，可以使值班人員直觀地了解溫度的變化情況。

（二）預(yù)警子系統(tǒng)

根據(jù)國(guó)家對(duì)于干式變壓器運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際所用變壓器，設(shè)置了干式變壓器的溫度預(yù)警。出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)會(huì)跳出告警窗口，以語(yǔ)音播報(bào)方式提醒值班人員，并通過(guò)短信及時(shí)通知相關(guān)工作人員故障的具體情況。

（三）狀態(tài)分析子系統(tǒng)

通過(guò)modbus通訊協(xié)議將下位機(jī)設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇M態(tài)軟件，在后臺(tái)將數(shù)據(jù)的儀器狀態(tài)字的十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，根據(jù)ABB干式變壓器儀器狀態(tài)字的標(biāo)準(zhǔn)定義，將設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)顯示在監(jiān)控界面。

（四）報(bào)表統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)

根據(jù)實(shí)際需要生成各類報(bào)表，包括時(shí)、日、月、季度和年度報(bào)表，并提供完善的報(bào)表查詢服務(wù)，可以在線查詢和打印系統(tǒng)記錄的所有數(shù)據(jù)值，并能以Excel的形式導(dǎo)出保存。

六、結(jié)語(yǔ)

變壓器繞組溫度超過(guò)絕緣耐受溫度使絕緣破壞，是導(dǎo)致變壓器不能正常工作的主要原因，因此繞組溫度監(jiān)控對(duì)于保證其安全運(yùn)行有著重要的意義。通過(guò)自主開(kāi)發(fā)干式變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，不但能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控變壓器溫控儀的各相繞組溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)，還能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理、故障預(yù)警和運(yùn)行狀態(tài)分析判斷，提高全臺(tái)供電的可靠性和穩(wěn)定性。

1.孫軍,朱小平,方彥軍.基于 Zigbee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在變電站中的應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用,2008（09）.

2.倪敬飛.Zigbee-2006協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用[D].蘇州大學(xué),2009.

3.梁湖輝,張峰,常沖,趙 濤.基 于Zigbee的變電站監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010（12）.

（作者單位：廣西人民廣播電臺(tái)）