基于ZigBee的开关柜触头温度监测系统

（郑州轻工业学院 电气信息工程学院，郑州 450002）

开关柜设备在电力系统中广泛运用，承担着线路投切、线路故障保护等重要作用，其安全稳定运行对于供电线路的安全保障意义重大[1-2]。

就目前研究现状而言，高压触点温度测量主要采用接触式测量和非接触式测量2种方式，接触式测量主要有温度传感器测温、光纤光栅测温、热电偶测温和声表面波测温等；非接触式测量主要采用红外热像仪和红外点温仪测温[5，9]。接触式测量中温度数据的传输主要采用无线和有线2种方式进行。开关柜设备内部空间小，相对于温度测量设备存在较高的电压、电流，开关柜设备内部电磁场对测量设备正常运行也存在影响[3，8]。光纤光栅、热电偶、声表面波等测量方式布线冗杂、测量误差较大，红外测温设备成本较大且无法实现实时监测[6]。数据的有线传输方式同样布线困难，不易于安装维护[4，7]。

本文研究和开发了一套基于ZigBee的开关柜触头温度在线监测系统，该系统在测温节点的设计上采用环氧胶灌封的高导热氧化铝陶瓷一体化封装和低功耗定时休眠设计，该封装体积较小，易于安装，具有很好的电气绝缘强度和抗电磁干扰性能，能够保证测温节点电路长期稳定运行和温度数据的采集发送。测温节点辐射功率在毫瓦级，不影响开关柜设备的强电回路，符合《无线通信设备电磁兼容性通用要求》的标准。系统通过ZigBee网络进行温度数据无线传输，开关柜各个触点的温度值在上位机界面进行实时显示和存储。系统经过实验室和现场安装运行测试，能够实现对开关柜触头温度数据的在线监测和存储。

1 测量系统方案设计

系统结构由温度测量节点、数据集中器和上位机监控界面等组成，系统方案设计如图1所示。各触头测温节点通过ZigBee网络将温度数据按照特定的数据帧格式发送到数据集中器，数据集中器负责网络的构建并将各开关柜发送的温度数据进行处理后通过串口发送到监控界面进行显示和记录，PC监控界面对各测温点数据进行显示和存储。

图1 系统方案设计Fig.1 System design

2 系统软硬件设计

系统硬件设计主要包括温度测量节点部分和数据集中器部分，硬件设计如图2所示。测温节点在硬件设计上主要包括单片机、供电单元、测温传感器单元、仿真接口单元和功率放大单元，硬件设计原理如图2（a）所示。数据集中器在硬件设计上主要包括单片机、按键单元、仿真接口单元和功率放大单元，硬件设计原理如图2（b）所示。系统温度测量节点和数据集中器核心芯片采用TI/Chipcon公司的CC2530F256。该芯片集成单周期8051兼容内核，外设睡眠定时器可以满足系统低成本、低功耗的要求，同时支持ZigBee协议和IEEE802.15.4协议，内含2.4 GHz DSSS（直接序列扩频）无线射频收发器核心，该芯片功能强大，满足了系统数据测量发送要求，易于实现测温节点的小型化。测温节点功耗在毫瓦级，不影响开关柜强电回路部分正常运行。

图2 硬件设计Fig.2 Hardware design block diagram

2.1 供电与功率放大

数据集中器通过与上位机连接进行DC 5 V供电，实现持续功能，保证ZigBee网络构建的稳定性、强壮性和网络数据传输的实时性。测温节点通过3.7 V小体积高能锂电池供能，满足测温节点长时间供电要求。

测温节点和数据集中器在设计上加入了功率放大芯片。功率放大部分采用了RFX2401C功率放大芯片，该芯片是一种超集成度的射频前端集成电路，整合了IEEE802.15.4/ZigBee、无线传感器网络、2.4 GHz的ISM频带射频前端功能，配有高效率的功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）、阻抗匹配网络、谐波过滤器和CMOS控制逻辑，保证温度数据在开关柜内强干扰下的信号传输质量和强度。

2.2 温度测量单元

系统测温单元温度传感器采用美国DALLAS半导体公司生产的接触式DS18B20，该温度传感器为单总线数字式温度传感器，内置12位模数转换器，测温范围为-55℃～125℃，测量精度相对较高，满足开关柜触头测温70℃阈值的测温要求。该传感器结构简单，不需要复杂的外围电路，易于实现测温节点的小型化，数据的读写和命令的写入通过单根数据线进行，有效降低开光柜电磁环境对温度测量的影响，可靠性较高。

温度测量单元采用环氧树脂胶灌封的高导热氧化铝陶瓷一体化封装，封装结构如图3所示。测温节点采用环氧树脂灌封胶封装，可以提高测温节点的抗电磁干扰能力，保证测温节点电路可靠稳定运行，灌封层介电常数3.8～4.2 kHz，25℃常温下耐电压12～16 kV/mm，加上开关柜设备良好的接地措施，保证了测温节点的电气安全。环氧树脂灌封胶使用温度范围-60℃～250℃，能够在开关柜设备内部环境温度下使用。氧化铝陶瓷封装可以有效防潮、防尘、防污和电压绝缘，氧化铝陶瓷高导热系数保证了高压触点温度测量数据的准确可靠。测温节点安放时，温度传感器一侧贴近开关柜触头测温点。不同氧化铝含量的导热陶瓷主要性能参数如表1所示，对比备选3种材质，系统封装选择氧化铝含量99.7%的高刚玉质导热陶瓷，高纯刚玉质导热陶瓷具有高导热、高电气绝缘、高耐压和低吸水率等特性，适用于开关柜触头高电流、强电压的环境。

图3 测温单元封装结构Fig.3 Encapsulation structure of temperature measurement unit

表1 导热陶瓷性能参数表Tab.1 Parameter table

2.3 系统程序设计

测温节点和数据集中器节点程序以TI公司开发的Z-stack2007协议栈作为开发模板，在此基础上开发测温节点和集中器程序。设备上电初始化并完成网络组建后，温度传感器将测得的温度数据通过ZigBee网络发送到数据集中器，无线数据帧格式定义为开始标志（KKH），测温节点编号（4B），节点温度数据（2B），CRC 校验码（1B），结束标志（00H）。 测温节点在程序上加入了低功耗设计，通过定时休眠降低测温节点功耗。测温节点每发送完一帧数据就进入特定周期的休眠，在保证数据测量实时性的同时降低测温节点功耗，延长测温节点工作寿命。测温节点周期性地进行数据帧的无线发送，数据集中器将接收到的测温点数据通过串口发送到PC监测界面进行显示和记录。测温节点和数据集中器节点程序设计如图4所示。

图4 系统程序流程Fig.4 Program flow charts of system

3 实验方法与结论

3.1 实验室测试

实验室条件下选用3个温度测量节点进行系统的组网运行测试和系统测温性能测试。

系统组网测试中，3个测温节点分别对3个发热体进行测量，测温节点与数据集中器和上位机距离100 m。测温节点每1 min发送1次数据帧，PC监测上位机对3个测温点发送的温度数据进行显示记录。系统在实验室条件下持续运行1周，工作运行稳定，系统PC监控上位机记录部分温度曲线如图5所示，该曲线为系统运行5 h内分别对3个温度测量点采集到的300个温度数据，经过实验室测试，系统能够稳定可靠的组网工作，实现了对开关柜高压触点温度持续在线监测。

图5 监测数据曲线Fig.5 Monitoring curve

系统测温性能测试通过将系统测得数据与红外测温仪设备测得的数据进行比对分析系统测温的相关参数。试验主要对系统测温误差和测温时延2个参数进行测试，试验对比数据如表2所示。经过试验数据分析，系统测温误差在1.5℃以内，能够满足电气高压触点温度测量精度要求，系统测温时延在6 s左右。现场开关柜触头温度变化率不大于20℃/min，要求测温设备测温误差在5℃以内。对照系统1.5℃的测温误差和6 s的测温时延，系统的测温性能可以满足现场开关柜触头温度测量误差和测温时延要求。

表2 实验数据表Tab.2 Experimental data table

系统在实验室条件下的运行测试结果显示，该系统100 m内数据可以有效传输，系统测温误差为5℃，测温延时为6 s，系统性能能够满足开关柜触头温度测量要求。

3.2 现场运行测试

现场运行测试在某矿区变电站10 kV室内开关柜设备上进行安装测试，对系统的实际运行情况进行测试。现场运行测试中，选择开关柜设备三相母线、三相断路器和三相隔离开关9个位置作为测量点。系统安装后持续运行，系统PC监控上位机监测界面记录测温点数据曲线如图6所示，该曲线为系统运行中某段温度曲线。系统持续运行3个月测试时间内运行稳定可靠，未发生任何异常，温度数据传输、记录正常，系统能够实现对开关柜设备触头温度的在线监测，能够满足电力企业对测温系统24 h全天候正常工作的要求。

图6 上位机监测曲线Fig.6 PC monitoring curves

系统在现场运行情况显示，该系统能够实现对开关柜触头温度进行在线监测，对触头温度的测量满足现场要求，能够为开关柜触头过热进行很好的预防诊断，保障开关柜设备的安全运行和供电回路可靠供电。

4 结语

本文基于ZigBee物联网技术，针对开关柜设备设计了一种开关柜触头温度在线监测系统。该系统测温节点采用环氧树脂胶灌封的高导热氧化铝陶瓷一体化封装，测温节点体积较小、易于安装，解决了开关柜内部安装空间小不易安装、电磁干扰等问题。温度数据通过ZigBee网络进行无线传输，解决了有线传输的布线问题。系统测量的数据通过PC监测上位机对触头温度数据进行显示、记录，系统监测界面设计有报警温度设置和温度异常提醒功能。系统通过实验室和现场安装运行测试，系统能够稳定运行，能够为开关柜触头过热进行很好的预防诊断，保障开关柜设备的安全运行和供电回路可靠供电。

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