基于CC2530的变电站设备无线测温系统研究

李明， 孙晶晶， 贾清泉， 康丽娜， 董稷泽

(1.中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021;2.河北省电力公司栾城供电公司，河北 石家庄 051430; 3.燕山大学，河北 秦皇岛 066004)



基于CC2530的变电站设备无线测温系统研究

李明1， 孙晶晶2， 贾清泉3， 康丽娜2， 董稷泽2

(1.中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021;2.河北省电力公司栾城供电公司，河北 石家庄 051430; 3.燕山大学，河北 秦皇岛 066004)

随着智能电网的推广，电力系统对电气设备的安全运行提出了更高的要求，特别是智能变电站等无人值岗的区域，其安全尤为重要。为了监测变电站内电气联接薄弱点的温升超标情况，设计了一种基于CC2530的无线测温系统方案。方案以CC2530和MSP430F449为核心，采用DS18B20进行精确测温，并针对不同报警方式提出相应算法。方案成本低、易组网、可靠性高，可以运用于各种复杂的工控现场高效而准确地进行温度采集和无线传输。

温度测量； CC2530； 无线传输；MSP430F449； DS18B20

0 引 言

变电站是输电和配电的集结点，在输配电过程中起着承上启下的作用。变电站中的高压开关柜、GIS等高压电器和母线等电力设备在负载过大时会出现温升过高，最终可能导致相邻的带电部件绝缘性能劣化，甚至击穿[1-2]。根据电力安监部门提供数据表明，全国电力企业每年因为开关设备、母线温度过高而引发的重大事故上千起，给企业生产和经营造成巨大经济损失[3]。通过对母线接点、高压电缆接头温度的运行情况进行检测，可有效预防变电站高压输、变电事故的发生，为实现电网安全稳定运行提供有效保障。因此采取措施监测变电站高压母线及高压开关触点温度是电力系统急需攻关的重大课题。

测温装置从早期的贴片测温，发展到人工红外测温，逐步向在线式测温系统发展[4]。当前使用较多的仍为人工红外测温技术和有线测温系统，有线测温系统由于连接线路较多，安装地点复杂，联调困难等问题，故推广难度较大。人工红外测温技术虽然具有使用方便快捷、精度较高等优势，但是对高压开关柜中封闭的接点检测存在很大的困难，无法透过开关柜柜门进行检测。

为了弥补之前测温方法的不足与缺陷，本文提出了一种变电站设备无线测温系统。该方法主要采用数字式温度传感器和无线传感网络对变电站设备进行在线式的温度测量。此系统采用唯一的地址编码，由数字式温度传感器DS18B20将接点的温度信息进行转换送入MSP430F449单片机，MSP430将温度信息转换为数字信息，经CC2530通过ZigBee无线传感网络传输到基站，再由基站上传至人机模块，人机模块将基站上传的温度数据进行处理后进行保存，以供实时监测、历史查询等功能使用。下文将对变电站设备无线测温系统的硬件组成、软件设计及数据处理分析进行介绍。

1 系统的硬件组成

图1 系统硬件设计示意图

基于CC2530的变电站设备无线测温系统主要由三部分组成[5]：(1)无线测温终端模块，主要功能是准确测量变电站设备温度，并上传测温数据；(2)无线测温基站模块，将测温终端模块上传的温度数据存储，通过无线传感网络上传至无线测温人机模块；(3)无线测温人机模块：接收基站模块上传测温数据，对该数据进行分析处理、存储，完成在线式的温度测量。将温度数据在人机界面实时显示并随时等待远程计算机终端数据调用。系统的硬件设计示意图如图1所示。

1.1 无线测温终端模块

图2 无线测温模块终端实物图

无线测温终端模块主要元件由温度传感器DS18B20和CC2530无线芯片构成[6]。DS18B20无需A/D转换即可直接将被测温度模拟信号转换为数字信号供CC2530进行处理，它的测量范围从-55 ℃～+125 ℃，增量值为0.5 ℃。每一个DSl8B20包括一个唯一的64位长的序号，该序号值存放在DSl8B20内部的ROM(只读存贮器)中。CC2530F256拥有先进的RF收发器的优良性能，标准的行业增强版8051主芯片，8 kB随机存储器和256 kB系统内可编程Flash[7]。CC2530F256具有多种工作模式，特别适应工作在要求超低功耗的系统。工作模式之间的切换时间短从而进一步保证了低消耗。无线测温终端的供电电源选择神火18 650型锂电池，其容量为8 000 mA·h，输出电压为3.6 V，测温终端模块可以连续使用三年以上，避免了频繁更换电池的困扰。无线测温终端模块的实物图如图2所示。

1.2 无线测温基站模块

无线测温基站模块由无线收发模块，16位超低功耗微处理器MSP430共同构成。

MSP430F449是一款16位单片机，它的功耗小、采用了精简指令集(RISC)，具有丰富的寻址方式[8]。为了体现系统的实时性，上传的数据需同时记录测温时间等信息，本系统设计以基站时间为准，时钟模块选用美国DALLAS公司研发生产的I2C总线接口DS1307时钟芯片。该芯片可独立于基站CPU工作，具有计时准确的特点，月累计误差小于10 s。DS1307有内置的功率检测电路，若检测到外部电源出现故障则自动切换到电池供电，保证时钟模块的不间断运行。无线测温基站模块的实物图如图3所示。

1.3 无线测温人机模块

无线测温人机模块主要包括ARM和CC2530芯片，ARM微处理器采用S3C2440A芯片，该芯片经过工业级电磁兼容测试。S3C2440A以ARM920T为核心，采用0.13 umCMOS标准单元和存储器编译器开发，它采用了被称为高级微控制器总线架构(AMBA)的新的总线架构。无线测温人机模块的实物图如图4所示。

2 系统软件设计流程

无线测温系统的软件按功能模块进行设计，每个功能模块上的软件独立运行。人机模块与基站通过无线传感网络进行通讯；基站通过ZigBee无线通讯管理无线测温终端。综合考虑无线测温系统功能和硬件的结构，系统的软件设计主要包括三个方面：温度采集程序、ZigBee协议程序和人机模块软件功能程序。

2.1 温度采集设计

图5 温度采集程序流程图

首先对CC2530进行初始化设置，无线测温模块发出搜索与其相对应测温点地址的命令，测温点DS18B20在与CC2530建立连接后，接收CC2530发送的读DS18B20序列号ROM命令，最后CC2530发送读寄存器指令，把相应测温点DS18B20寄存器内的数据放入CC2530 RAM的指定地址中。温度采集程序流程图如图5所示[9]。

2.2 ZigBee协议程序设计

ZigBee堆栈是在IEEE 802.15.4标准基础上建立的，定义了协议的MAC和PHY层。PHY由单双工的无线收发器及其接口组成，工作频率为2.4 GHz，它可以直接利用无线信道实现数据传输。MAC提供节点自身和与其相邻的节点间可靠的数据传输链路，其主要任务是实现传输媒体的共享，提高通信的有效性。NWK利用MAC层可靠的数据通信，提供路由、多跳转发功能，实现和维护星形、树簇形或网格形网络。

星型拓扑网络结构简单，对终端节点不是很多的系统来说，能够使网络简化，功耗降低，故本方案采用星型网络结构。网络结构中路由器则需完成信息的转发、发现邻居、构造到相邻节点的路由等任务。协调器的任务包括建立网络，为新加入的终端模块及基站模块分配地址等。ZigBee协议程序流程图如图6所示。

图6 ZigBee协议程序流程图

2.3 人机模块软件功能设计流程

图7 人机模块功能结构图

人机模块的主要任务是接收基站上传的测温数据信息，将其分解提取有效温度信息进行温度预警计算和报警计算，而后存入指定的位置，实时更新人机界面的显示，并可以通过以太网与远程计算机进行互联。

本系统人机界面部分使用C语言编程，上位机界面主要是由4.2寸触摸式液晶屏组成，其设计应遵循操作方便、信息直观清楚、响应及时、为客户提供帮助和纠错性等原则。

人机模块软件功能结构图如图7所示。

3 系统算法处理分析

在人机模块中， 前端采集服务通过无线路由与测温基站模块通信已得到测温数据，并将测温数据存储于外扩存储器中。系统测温算法利用原始测温数据进行报警判断，并将报警信息存储于外扩存储器相应地址中。根据对无线传感器所在的位置以及传感器本身工作状态的分析，本文提出以下三种报警类型。

(1) 单一测温终端报警

对安装于关键设备处和易发热位置处的每个测温终端进行报警。每个测温终端模块根据历史数据和本身所在设备的属性、所处环境温度值等，都会有相应的安全运行临界值。一旦实时测温数据超过该临界值，即可以认为该设备进入潜在的不正常运行状态，需要进行报警处理。报警分为高级、中级、低级三种，各对应一个报警临界值。计算时，通过对比当前温度与三级临界值，判定所处报警等级。使用本报警能够更加确切地反映设备运行状态。单一测温终端报警逻辑结构图如图8(a)所示。

(2) 测温终端组报警

针对同一设备的所有测温终端进行的报警，处于同一设备的多个测温终端，即便没有超过低级临界值,但是若全部都接近低级临界值，则该设备依然可能存在过热现象。本报警方式便是针对该种情况。测温终端组报警逻辑结构图如图8(b)所示。

图8 测温终端报警逻辑结构图

(3) 测温终端自身异常报警

针对测温终端自身的非正常行为进行报警。测温终端在工作中，有时因为电池容量不够，或有时因为所处环境较为恶劣等原因导致自身工作异常，如长期上传乱码或异常数据等。由于异常的测温终端上传异常数据会造成误判，影响整个无线测温系统的正常运行。所以，当某一个测温终端出现异常报警时，系统应进行报警，并在网络中切除该测温终端，及时对其进行检修。

4 实验论证

图9 串口助手无线测温截面

该装置采用IAR集成开发环境完成了软件的开发与调试，并结合测温系统进行了整体调试，形成了简单的实验系统。通过测试，测温系统能够达到预期的功能，测温精度达到±1 ℃。实验中通过与电脑串口相连，通过串口助手就可以看见测温终端模块上传的测温数据。串口助手软件的无线测温界面如图9所示。

5 结束语

该无线测温系统采用低成本、低功耗的CC2530无线芯片和低功耗单片机MSP430F449为核心，采用数字式温度传感器DS18B20获取温度信息，具有体积小、低功耗、性能可靠稳定等特点。通过联机调试表明采用精简的协议栈组成的星型网络性能优良。随着智能电网的不断推广，变电站设备无线测温系统势必在变配电领域得到广泛应用。

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Research of a Wireless Temperature Measurement System for Substation Equipment Based on CC2530

Li Ming1, Sun Jingjing2, Jia Qingquan3, Kang Lina2, Dong Jize2

(1. No.4 Research and Design Engineering Co., Ltd., CNNC, Shijiazhuang Hebei 050021, China;2. Luancheng Power Supply Co., Hebei Power Corporation, Shijiazhuang Hebei 051430, China;3. Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China)

With popularization of smart power grids, the electric power sector places even higher requirements on safe operation of electrical equipment. Safety of unmanned areas such as intelligent substation is particularly important. To monitor excessive temperature rise at weak points of electrical connection inside the substation, this paper presents the design of a CC2530-based wireless temperature-measuring scheme, which, using CC2530 and MSP430F449 as the core, adopts DS18B20 for precise temperature measurement and gives corresponding algorithms for different alarm modes. This scheme of low cost, easy networking and high reliability can be applied to a variety of complex industrial control sites for efficient, accurate temperature acquisition and wireless transmission.

temperature measurement；CC2530；wireless transmission； MSP430F449; DS18B20

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.036

TN014;TP272/278

A

1000-3886(2016)04-0116-03

李明(1988-)，男，河北石家庄人 ，助理工程师，硕士，研究方向：配电网故障检测与信号处理。 孙晶晶(1986-)，女，河北张家口人 ，硕士，从事电力企业安全监管工作。 贾清泉(1971-)，男，吉林白山人 ，教授，博士生导师，研究方向为电能质量，配电网故障检测与信号处理等。

定稿日期: 2015-01-31