宋亮

摘 要：本研究設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的高壓開關(guān)柜溫度測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用低功耗DS18B20溫度傳感器和CC2530芯片構(gòu)建溫度信號的實時采集模塊，經(jīng)ZigBee通信協(xié)議完成與上位機的組網(wǎng)，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實時采集、遠(yuǎn)程傳輸和集中控制等功能。系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠性好，集成封裝便于安裝。

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜;溫度測控系統(tǒng);ZigBee

中圖分類號：TP272 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）26-0026-03

Research on Temperature Measure-monitoring System of Power

System High Voltage Switchgear Based on ZigBee Technology

SONG Liang

（Yangling Vocational and Technical College，Yangling Shaanxi 712100）

Abstract： This study designed a temperature measure-monitoring system for high voltage switchgear based on ZigBee technology. The system uses the low-power DS18B20 temperature sensor and CC2530 chip to build a real-time acquisition module for temperature signals. The ZigBee communication protocol is used to complete the networking with the host computer to realize real-time acquisition， remote transmission and centralized control of temperature data. The system runs stably and reliably， and the integrated package is easy to install.

Keywords： high-voltage switch cabinet;temperature measure-monitoring system;ZigBee

高壓開關(guān)柜作為電力系統(tǒng)中重要的電力線路開/閉、線路故障保護(hù)和運行電量測控的核心設(shè)備，其運行的安全可靠性和節(jié)能經(jīng)濟性直接影響到電力系統(tǒng)能否安全可靠地輸電、供電和配電。高壓開關(guān)柜觸頭溫升故障，輕者會導(dǎo)致控制保護(hù)設(shè)備動作保護(hù)，重者可能導(dǎo)致大面積停電事故甚至電氣火災(zāi)事故，直接威脅到電力網(wǎng)絡(luò)運行的安全穩(wěn)定性。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，傳統(tǒng)的人工靜態(tài)測溫巡視方法在溫度數(shù)據(jù)采集的實時性、準(zhǔn)確性和可靠性等方面均很難滿足現(xiàn)代智能電網(wǎng)對高壓開關(guān)柜高效、智能化、自動化和動態(tài)集成調(diào)控的需求。發(fā)展最快且應(yīng)用較廣泛的ZigBee技術(shù)是電力系統(tǒng)中一種新興的無線組網(wǎng)通信技術(shù)，具有組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單、運行安全可靠性高、網(wǎng)絡(luò)兼容性強等優(yōu)點，非常適合應(yīng)用在電力系統(tǒng)高壓開關(guān)柜監(jiān)測集中組網(wǎng)中[1]。為此，本文針對高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測智能化、集成化需求，設(shè)計一種基于ZigBee技術(shù)的高壓開關(guān)柜在線監(jiān)控系統(tǒng)，完成高壓開關(guān)柜溫升的實時動態(tài)采集遠(yuǎn)程分析和控制保護(hù)。

1 高壓開關(guān)柜溫度在線測控系統(tǒng)總體方案

電力系統(tǒng)高壓開關(guān)柜運行時處于高壓、封閉等環(huán)境，相關(guān)開關(guān)設(shè)備在狹小空間里運行，電纜接頭壓實不緊、觸頭材料不均勻、緊固螺栓松動、設(shè)備老化等因素均會導(dǎo)致開關(guān)柜觸頭異常發(fā)熱甚至出現(xiàn)燒穿等火災(zāi)事故。相比傳統(tǒng)的貼色片測溫法、紅外測溫法和光纖測溫法，以ZigBee技術(shù)為核心的無線測溫法將帶有傳感器的測溫裝置安裝在高壓開關(guān)柜高壓區(qū)，直接接觸到開關(guān)設(shè)備的測點進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，然后經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)集中器中，對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，形成溫度數(shù)據(jù)顯示、報警和故障預(yù)判等信息，便于運行人員根據(jù)相關(guān)提示及時處理相關(guān)故障，確保高壓開關(guān)柜運行安全。高壓開關(guān)柜溫度在線測控系統(tǒng)主要由ZigBee溫度采集器和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)完成溫度數(shù)據(jù)信號的采集、傳輸和收集[2]。溫度在線測控系統(tǒng)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與溫度控制層、數(shù)據(jù)傳輸層和站控層3層結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。

1.1 溫度數(shù)據(jù)采集與溫度控制層

ZigBee溫度采集傳感器模塊安裝在高壓開關(guān)柜中，溫度采集傳感器通過ZigBee技術(shù)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并經(jīng)GPRS無線網(wǎng)絡(luò)將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)介_關(guān)柜中的匯聚節(jié)點，經(jīng)RS485網(wǎng)絡(luò)完成高壓開關(guān)柜間溫度數(shù)據(jù)信號的集中收集和遠(yuǎn)程傳輸。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸層

匯聚節(jié)點處的數(shù)據(jù)集中器在接收到ZigBee溫度采集器模塊發(fā)射的實時溫度數(shù)據(jù)信號后，通過內(nèi)部RS485串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)中，便于站控層操作員工作站、工程師工作站等站控層設(shè)備讀取、分析。

1.3 站控層

站控層數(shù)據(jù)處理單元接收到經(jīng)RS485網(wǎng)絡(luò)上傳的溫度數(shù)據(jù)信號后，經(jīng)數(shù)據(jù)分析處理形成對應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)并顯示在監(jiān)控LCD屏上，然后經(jīng)數(shù)據(jù)判斷，分析其是否超過設(shè)定值。當(dāng)開關(guān)柜溫度數(shù)據(jù)信號超過設(shè)定值后，系統(tǒng)發(fā)出報警信號，并經(jīng)聲光報警、短信等形式提示運行管理人員及時查看相關(guān)故障信號，便于其及時制定有效可行的調(diào)控策略。

2 ZigBee溫度采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

ZigBee溫度采集器模塊是溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)中的基礎(chǔ)溫度數(shù)據(jù)采集單元，也是整個監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件單元。溫度采集器主要由DS18B20溫度傳感器、CC2530芯片和電源三部分組成。

2.1 溫度傳感器

考慮到電力系統(tǒng)高壓開關(guān)柜的內(nèi)部空間狹窄和封閉高壓環(huán)境，本設(shè)計優(yōu)選不用A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，通過集成數(shù)字式采集溫度信號。一方面，其直接采集溫度數(shù)值信號，無需外接ADC轉(zhuǎn)換電路，體積較小，不擠占高壓開關(guān)柜內(nèi)部空間;另一方面，其集成封裝結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)溫度信號的全數(shù)字轉(zhuǎn)換與輸出，具有較強的抗干擾能力。這種溫度傳感器僅需一個I/O數(shù)據(jù)信號線即可實現(xiàn)供電與溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2.2 控制芯片

高壓開關(guān)柜溫度接點采集到溫度信號后，經(jīng)ZigBee通信協(xié)議與以CC2530芯片為核心的匯聚節(jié)點控制器相連，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的無線傳輸。同時，CC2530芯片接收集中器或上位計算機系統(tǒng)發(fā)射的控制信號，完成遠(yuǎn)程集控。CC2530芯片結(jié)合了RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，基于ZigBee協(xié)議棧，為區(qū)域低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供一個強大且完整的ZigBee遠(yuǎn)程控制解決方案，尤其在-40～125℃和2.0～3.6V運行環(huán)境中具備非常良好的通信效果，可以讀取溫度測控接點的溫度數(shù)據(jù)，自動操作和確定高壓開關(guān)柜中無線設(shè)備事件的順序，并可以接收和發(fā)出相應(yīng)控制命令，實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制。

2.3 電源設(shè)計

考慮到電力系統(tǒng)中高壓開關(guān)柜內(nèi)部的高壓復(fù)雜環(huán)境，硬件系統(tǒng)電源設(shè)計時要充分做好電源部分的絕緣性和供電穩(wěn)定可靠性。目前，工程中常見的電源主要有互感器取電法和蓄電池供電法兩種。其中，互感器取電是從高壓開關(guān)柜高壓側(cè)母線中通過線圈感應(yīng)獲得電能資源，其通過互感器取電后需要經(jīng)過整理、濾波、穩(wěn)壓和控制等一系列電路處理，方可實現(xiàn)電源的穩(wěn)定供電，供電結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，對于低功耗的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言，不僅造價高，而且體積較大，不適合用于高壓開關(guān)柜等密閉狹窄空間。另外，考慮到ZigBee溫度采集器具有低功耗特點，一塊蓄電池的蓄電能量能支持整個系統(tǒng)運行2～3年，與高壓開關(guān)柜的定期維護(hù)和大修時間較匹配，更換電池也較方便。因此，設(shè)計采用蓄電池供電，并通過TPS79533 DC-DC變換電路轉(zhuǎn)換獲得ZigBee芯片良好運行的3.3V工作電壓。

3 ZigBee溫度采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

從圖1可知，ZigBee高壓開關(guān)柜溫度測控系統(tǒng)主要包括ZigBee溫度采集器軟件設(shè)計和溫度采集集中器接點軟件設(shè)計兩部分。以TI公司開發(fā)的Z-stack2007通信協(xié)議為基礎(chǔ)，開發(fā)高壓開關(guān)柜測溫接點和集中器軟件程序，如圖2所示。

系統(tǒng)通電后，溫度節(jié)點傳感器基于ZigBee協(xié)議組網(wǎng)，組網(wǎng)成功后根據(jù)設(shè)備事件順序按需讀取溫度數(shù)據(jù)，并經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射對應(yīng)數(shù)據(jù)幀，待數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，就進(jìn)入特定周期的休眠狀態(tài)，確保實時采集開關(guān)柜內(nèi)部節(jié)點溫度數(shù)據(jù)的同時，降低測溫節(jié)點的運行功耗，提高系統(tǒng)蓄電池供電時長，延長測溫芯片工作壽命。如果溫度數(shù)據(jù)發(fā)送不成功，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)入繼續(xù)讀取溫度數(shù)據(jù)流程，直到采集到系統(tǒng)所需的溫度信號為止。同理，溫度采集集中器主要與站控層的上位機系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，當(dāng)組網(wǎng)成功并完成數(shù)據(jù)上傳后，串口上位機屏幕顯示溫度數(shù)據(jù)，同時一個周期的數(shù)據(jù)采集完成。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)將ZigBee技術(shù)與電力系統(tǒng)高壓開關(guān)柜測溫相結(jié)合，實現(xiàn)了開關(guān)設(shè)備溫度數(shù)據(jù)的無線采集和智能測控。主控室的上位機系統(tǒng)在開關(guān)室的開關(guān)柜溫度節(jié)點進(jìn)行實時溫度信號的采集、上傳和分析處理。系統(tǒng)采用ZigBee無線通信技術(shù)組建網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)電力系統(tǒng)高壓開關(guān)柜運行環(huán)境特性，以最小能耗實現(xiàn)溫度信號的無線采集和遠(yuǎn)程控制。本系統(tǒng)具有邏輯組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單、溫度測量準(zhǔn)確可靠、遠(yuǎn)程操控方便等優(yōu)點，能夠為高壓開關(guān)柜觸頭溫升故障或事故提供很好的預(yù)防診斷和遠(yuǎn)程保護(hù)，確保電力系統(tǒng)中開關(guān)設(shè)備的安全穩(wěn)定運行和供電線路的可靠供電運行。

參考文獻(xiàn)

[1]陳新崗，趙唐，余兵，等.基于聲表面波和ZigBee的高壓開關(guān)柜電纜室溫度監(jiān)測[J].高壓電器，2018（8）：48-54.

[2]肖海龍，王孜，劉春宇，等.基于Zigbee的開關(guān)柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)[J].通訊世界，2017（3）：93-96.