ZigBee技术在电缆局部放电在线监测系统中的应用研究

孔鹏，王琳，李榛，张一鸣，李嫣然

(1.国网聊城供电公司，山东 聊城 252000;2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240)

0 引言

电力电缆由于具有敷设方便、运行维护简单、耐高温和绝缘性能良好等特点，被广泛地应用于输配电网［1-4］。现阶段使用的电缆大多敷设于十几甚至几十年前，由于缺乏有效手段来对电缆的安全性进行判断，所以只能在故障发生后更换电缆或电缆附件，每次更换时要对该段线路进行停电作业，这不仅对工业生产影响极大，还严重干扰了市民的正常生活。因而，研发一套能够快速检测和发现多路电力电缆安全生产隐患的系统具有非常重要的现实意义。

目前使用的电缆局部放电在线监测系统采用的是有线(如光纤)的局放信号传输方式，系统只能工作在固定的位置，设备安装复杂，难以移动，灵活性差，很难动态、全覆盖地监控电缆的运行安全问题［5-9］。本文提出了一种基于ZigBee无线传输技术的解决方案。ZigBee技术是一种用于短距离范围内、低传输数据速率下的无线通信技术［10］。其可以快速地构建起一个无线通信网络，实现多路电缆局放信号的在线监测，是一种全新的电力电缆局放监测系统方案。

1 ZigBee无线通讯技术

在近年来无线局域网WPAN技术领域，各种标准的技术竞相发展，ZigBee应运而生。它是一种新兴的短距离、低功耗、低成本、低复杂度的无线网络技术，采取IEEE 802.15.4定义的物理层MAC层，增加了逻辑网络、网络安全和应用层的标准化。

不同于其他一些通信技术，ZigBee不追求高速率、远距离;而是针对特定应用需求，锁定只以几十kps的速率、几米～几十米的距离实现无线组网通信的能力。因此ZigBee的优势并不在于它的技术本身，而关键在于丰富而便捷的应用。特别地，在工业领域，利用传感器和ZigBee网络，使得数据自动采集、分析、和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。

2 一种基于ZigBee的电缆局部放电监测系统

2.1 电缆局放监测系统整体架构

电缆局部放电在线监测系统主要由高频传感器、信号放大模块、智能检测前端、无线通信模块、检测终端和分析诊断中心构成，监测系统的整体架构如图1所示。

高频传感器提取出的局放信号经过前置放大器放大后传输至智能检测前端，每个检测前端可支持8路电缆局放信号的采集，智能检测前端对信号进行预处理、提取出信号的特征参数、通过无线网络将特征参数发送至检测终端，再有分析诊断中心实现对电缆局放信号的分析诊断。

2.2 数据发送节点

数据发送节点与智能检测前端的信号采集模块相连，其位置相对比较固定。数据发送节点接收采集模块采集的数据，对数据进行处理并通过无线网络向外发送。本文设计的电缆局放在线监测系统有四个数据发送节点，与数据采集模块一并安装在智能检测前端内部，数据发送节点的XBee模块作为Router。数据发送节点的内部结构如图2所示。处理器选用TI的LM3S9B96微控制器。ZigBee模块选用DiGi公司的XBee无线通信模块，完成与接收设备通信及数据发送。处理器和XBee模块之间通过串口相连。

图1 系统架构图

2.3 数据接收节点

数据接收节点主要功能是根据XBee模块接收到的信息，对电力电缆局放信号进行相应的处理。该部分包括一个信息接收节点，其XBee模块作为Coordinator，其结构如图3所示。处理器和 ZigBee模块型号和数据发送节点相同。同时，该节点与诊断服务器相连，XBee模块接收的信息发送到诊断服务器，对电缆局放信号进行分析诊断。

图2 数据发送节点结构图

图3 数据接收节点结构图

3 电力电缆局放监测系统软件设计

3.1 电缆局放信号采集模块

电力电缆局部放电监测系统中智能检测前端的采集卡主要用于采集传感器检测到的局放信号。采集卡与数据发送节点中的LM3S9B96微处理器相连，采集数据程序流程图如图4所示。通过向LM3S9B96中编写程序，读取采集卡采集到的局放数据并存储为50*60的矩阵。

图4 数据采集程序流程图

3.2 点对点通信

选取两个XBee节点做单点通信收发矩阵数据的实验。其中一个节点为Coordinator，另一个节点为Router。两节点距离在10 m左右。通过编写发送程序到Router节点使一个XBee节点发送一个60*50矩阵数据。每次发一行50个数据，两次发送间隔为1 ms。Routor的X-CTU的terminal界面上为接收的数据，Coordinator的X-CTU的terminal界面上为Routor收到后返回的指令。其中Router的接收数据和Coordinator的发送数据一致，Coordinator模块接收到的返回指令为50次7E 00 07 8B 01 16 C8 00 00 00 95，表明50次数据均发送成功。3.2和3.3需要修改，要用实测局放波形来作为数据传输的样本验证系统的可靠性。

编写接收程序，程序流程图如图5，图6所示。将接收程序烧至Coordinator节点中的LM3S9B96中，使Router接收到的所有数据重新还原成60*50矩阵存储。

4 现场应用实例

基于ZigBee技术开发的电缆在线监测系统如图7所示，包括多个检测前端和一个检测终端。检测前端获取电缆局放信号后，进行预处理、提取出信号特征参数，通过ZigBee无线网络将特征参数发送至检测终端，再经由分析诊断中心对电缆局放信号进行分析诊断。

图5 Router节点程序流程图

图6 Coordinator节点程序流程图

图7 基于ZigBee的电缆在线监测系统

该新型电缆局部放电监测系统在多个变电站安装运行，对数十条电缆线路局放进行了连续在线监测。系统运行的主界面如图8所示。

图8 监测系统程序主界面

5 结束语

本文研究了基于ZigBee的无线传输技术及其电缆局放在线监测中的应用，设计了基于ZigBee无线传输的电缆局放在线监测系统。

相比现有的电缆局放在线监测系统，本文设计的系统具有如下特点:

(1)系统组成简洁，减少了复杂的连接线缆，可有效提高现场工作的效率;

(2)系统结构灵活，扩展性好，可以根据待测设备的要求，增加或删减监测前端和通道;

(3)系统成本低，可靠性高，系统前端处理，向后端传输特征参数，极大地提高了通讯效率，增强了系统的可靠性。

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