基于WSN的母线槽温升在线监测系统设计

王 晶，张金波，邵通广

（1.河海大学物联网工程学院，常州213022；2.江苏省输配电装备技术重点实验室，常州213022）

基于WSN的母线槽温升在线监测系统设计

王 晶1，2，张金波1，2，邵通广1，2

（1.河海大学物联网工程学院，常州213022；2.江苏省输配电装备技术重点实验室，常州213022）

为了对母线槽连接处温升实时在线监测，以便及时发现母线槽连接处的热障碍，设计了一种基于无线传感网络技术的母线槽温升在线监测系统。该系统基于热敏电阻设计的温度传感器，实现了母线槽连接处温度直接测量，并利用ZigBee无线通讯技术，实现了复杂节点温度信息的传输。经过测试，本系统性能稳定可靠，满足母线槽温升在线监测系统的要求，为实现母线槽温升在线监测提供了一种非常有效的手段。

母线槽；ZigBee技术；无线测温；无线传感网络技术

1 引 言

供电系统中的母线槽是电力传输的一个重要通道，母线槽在传输大电流时的温升状态是反映母线槽可靠性的一个重要指标。正常运行时，母线槽通过的电流从数百安培至数千安培不等。连接环节的材料老化、安装不当或接触面积过小等原因，将会直接导致母线槽连接处接触电阻的阻值增大，从而引起连接处的温升。温升一旦超过国家标准中规定的允许值后，就会引发供电系统的重大事故［1］。通常，供电系统中母线槽的连接点一般有成百上千个，而且往往都是互相关联的，只要一处发生故障，就有可能带来重大的安全事故。因此，对母线槽温升状态的监测是十分必要的。

传统的母线槽温升监测系统，采用有线方式进行通讯，施工难度较大，少数的测量点容易实现，但当采集大量测量点时，就会遇到线路干扰、布线困难、安装复杂、经济成本高等问题［2］。基于无线传感网络的母线槽温升在线监测系统，利用ZigBee自组网技术实现母线槽温升的在线监测，该系统不但运行可靠，简单易实施，而且维护方便。

2 系统总体结构

母线槽温升在线监测系统主要包括温度采集发射终端、协调中心和后台监控管理系统。温度采集发射终端的通讯距离为几百至上千米，每一个采集终端都具有自动转讯功能，因此，每一个采集终端的数据传送都是通过相邻的采集终端，即每一个采集终端都会自动寻找通讯路径至协调中心。协调中心与后台监控管理系统相连，将所采集的信息送入后台监控管理系统中的计算机进行数据管理。管理人员在协调中心注册后，只需通过简单的人机操作，即可对母线槽每一节点的温度进行数据查询和曲线分析。同时系统还设置了超温报警功能，一旦某一节点的温度超过预设报警值，界面立即出现超温报警信息，同步将报警信息存入数据库，从而提高了母线槽在线监测系统的可靠性，最终有效地预防恶性事故发生。

图1 系统总体结构图

3 温度采集发射终端设计

温度采集发射终端如图2所示，温度采集模块实时采集母线槽的A、B、C、N四相连接点的温度，并将温度转换成频率信号送入单片机进行处理，单片机将处理过的四路温度信号通过ZigBee模块转换成无线信号发送至相邻的节点，同时具有液晶显示和声光报警功能。

图2 测温模块框图

3.1 温度采集模块

温度采集模块如图3所示，测温节点是由热敏电阻、电容和555定时器组成的一个多谐振荡器。其中C10、C11、C12为无极电容，由涤纶材料制成，具有耐高温的特点［3］。R18为NTC热敏电阻，随着温度的上升，阻值不断下降，且温度和阻值的曲线关系呈非线性。由于R18的阻值随着温度变化在改变，所以多谐振荡器输出的方波周期也在不断变化，通过单片机捕获方波的周期，可以计算出R18的阻值，继而可以推算出此时的温度。

用NTC测温是最廉价的解决方案之一，并且测试精度高、体积小、反应速度快、能长时间在高温环境下工作。NTC热敏电阻的温度和阻值虽然不是呈线性关系，但可以通过公式（1）计算出对应阻值的温度值：

式中，Rt为热敏电阻在T1温度下的阻值，R为热敏电阻在T2常温下的标称阻值，EXP代表en，T1和T2均是开尔文温度，K＝273.15（绝对温度）＋摄氏温度，B值是热敏电阻的材料常数，即热敏电阻器的芯片（一种半导体陶瓷）在经过高温烧结后，形成具有一定电阻率的材料，每种配方和烧结温度下只有一个B值，所以称之为材料常数，它可以通过电阻型号得知。

图3 温度采集模块原理图

温度转换代码如下：

3.2 无线模块设计

无线模块采用的无线收发器为CC2430，这是一款目前无线传感网络应用最多的嵌入式通讯芯片，它集成了符合IEEE802.15.4标准的ZigBee通讯协议和一个工业级的高级8051控制器，是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输率、低成本的双向无线通讯芯片。并且CC2430只需要很少的外部元件即可运行［4］。

无线发射模块电路如图4所示，主要由电源、复位电路、串口连接电路和无线收发电路组成。串口数据经过MAX232将电平转换为TTL电平，再通过CC2430无线发送至相邻节点或协调中心［5］。

图4 无线传输模块电路图

4 后台监控管理系统软件设计

后台监控管理系统软件采用Visual Studio 2010作为开发平台。其功能模块及组织结构如图5所示。主要功能有：初始化设置，选择测温范围和测温节点，将数据分别以文本及曲线的形式显示出来；报警温度及控制方法设置，实现母线槽温升点温度无线监控的自动或手动控制；界面连接后台数据库，通过访问数据库，调用数据报表，观察数据的变化和发展趋势，对报警记录及历史温度数据进行查询和管理；系统同时还设置用户管理权限，区分普通管理员和高级管理员，通过权限设置，添加和删除用户。

图5 软件结构图

如图6所示，通过对日期和子节点的选择进行数据查询，系统将储存在数据库中的温度值调出，以动态曲线的形式将节点温度呈现出来，方便用户更直观简明的了解温度值的变化过程及发展趋势，更好的保护母线槽的安全性和预防恶性事故的发生。同时可通过访问数据库查询出节点某一天的整点温度值，并以报表的形式显示出来。由图7可以看出，当某一时刻的温度值高于报警温度值时，这一时刻的温度显示呈红色，管理员由此可得知，此刻温度超标，简洁明了，便于查询。

关键代码如下：

图6 实时温度曲线查询界面

图7 数据报表分析界面

5 实验结果

为了验证母线槽在线监测系统的应用效果，对某个母线槽节点进行了实地安装和在线监测。实际温度值与监测系统所测温度值的比较如表1所示。

表1 母线槽的实际温度与在线监测系统的测量数据

由实验数据计算可得，温度的平均相对误差为1.2%，可见，测量值与实际值相差较小，精度较高，能满足大部分测量场合的要求。

6 结束语

随着我国输配电事业的快速发展，母线槽已成为各项工程在输配电领域不可缺少的部分。同时，随着低压配电系统网络化技术日益发展，国内外电力系统自动化对输配电的要求不断提高，对于母线槽产品的智能化要求日益显著［6］。基于无线传感网络的母线槽温升在线监测系统不但能对母线槽测温装置连接点的温度信号进行实时在线监测，而且能够准确、迅速判断母线槽测温装置的热故障及故障地点，同时还能将值班人员从传统枯燥的监控工作中解脱出来，提高了工作效率，因此具有很强的实用价值。

［1］任秀丽，于海斌.ZigBee技术的无线传感器网络的安全性研究［J］.仪器仪表学报，2007，28（12）：2133.

［2］卢崇，马建仓，王吉富，等.基于Atmega128L与CC2420的无线传感网络节点的研究与实现［J］.电子技术应用，2006（12）：130-133.

［3］肖广兵，田杰，钟景辉.基于ZigBee的高速公路气象预警系统设计［J］.微计算机信息，2010（12-2）：121-123.

［4］刘江沙，雷伟，尹酉.基于CC2430的串口无线模块的设计［J］.国外电子元器件，2007（4）：256-258.

［5］刘宏，孙学军，杨军.基于WSN技术的水轮发电机在线监测系统设计［J］.水利发电，2012（6）：421-423.

［6］ZigBee Alliance.Network Specification（Draf Version1.0）［EB／OL］.2004，http：／／www.ZigBee.org.2009.

［7］凌志浩，周怡颁，郑丽国.ZigBee无线通信技术及其应用研究［J］.华东理工大学学报（自然科学版），2006，32（7）：801-805.

Design of Busway Temperature Online Monitoring System Based on WSN

WANG Jing1，2，ZHANG Jin-bo1，2，SHAO Tong-guang1，2
（1.College of IOT Engineering，HoHai University，Changzhou 213022，China；2.Jiangsu Key Laboratory of Power Transmission Equipment Technology，Changzhou 213022，China）

A busway temperature online monitoring system based on wireless sensor network technology is present in the paper.The temperature of the busway junction can bemonitored in real time，and the thermal fault of the connection of the busway can be found in time.In the system，the temperature sensor designed based on thermistors can measure the temperature of the busway connection directly，and then transfer the node temperature information by ZigBee wireless communication technology.After test，the system performance is stable and reliable，and italsomeets requirements of the busway temperature online monitoring system.The system provides a very effective means for the realization of busway temperature onlinemonitoring.

Busway；ZigBee Technology；Wireless Temperature；Wireless Network Technology

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.01.025

TP277

：A

：1002-2279（2014）01-0093-04

王晶（1989-），女，江苏泰州人，硕士研究生，主研方向：检测技术与智能系统。

2013-08-02