基于Zigbee通讯网络平台的干式变压器运行状态监控系统

□ 孔祥翔 杨勇

基于Zigbee通讯网络平台的干式变压器运行状态监控系统

□ 孔祥翔 杨勇

在原有的广西人民广播电台演播楼UPS管理系统平台上，采用ZigBee技术，实时读取变压器的温控仪的相关数据，通过modbus传输规约将数据上传至监控中心，利用组态软件完全自主开发干式变压器运行状态监控系统。该系统的应用减轻了动力科值班人员的工作负担，降低了管理成本，提高了系统的可靠性，优化了管理品质，延长了干式变压器的使用寿命，有效地保障了安全播出。

Zigbee；干式变压器；modbus通讯规约；状态分析管理系统

广西人民广播电台原有的1#油式变压器使用年限较久，且有漏油现象，存在一定的供电安全隐患，为了保障安全播出以及供电的稳定性，更换了一台500KVA干式变压器。干式变压器的运行状况与绕组的绝缘性能有较大关系，而绕组温度是影响绝缘损坏程度的主要因素。当温度达到一定限值时，会使绕组绝缘恶化，如不及时发现，会导致干变绝缘击穿和爆炸，引起大面积停电，影响安全播出供电，造成不可估量的损失。目前广西人民广播电台采用传统的定期人工手持红外温度探测枪进行定期测量的方式对干变的温度状况进行监测，不能实时监测干变的绕组温度变化情况，无法及时发现变压器的故障，存在一定的供电安全隐患。根据实际情况，在原有的广西电台演播楼UPS管理系统软件平台上，自主开发设计出了一种基于ZigBee无线网络的变压器绕组温度的实时监测和状态分析管理系统。

一、ZigBee概要

Zigbee技术是一种新兴的无线通信技术，具有传输距离短、复杂度低、功耗小、数据速率低和成本少的特点。其中Z-Stack协议栈是ZigBee技术的核心，ZigBee协议栈以IEEE802.15.4的物理层和MAC层为基础，在IEEE802.15.4标准上又增加了网络层、应用层和安全服务层。Z-Stack协议栈由各层模块组成，下一层需要为上一层提供特定服务，其中数据的服务实体需要提供数据传输服务，而管理的实体需要提供所有管理服务。每个服务实体通过相应的服务实体接入点（SAP）为其上一层提供一个数据接口，每个服务接入点通过“服务原语”来完成服务功能，ZigBee协议栈结构如图1所示。

二、ZigBee技术与其他无线通信协议的比较

当前工业监控中短距离无线网络传输领域中存在红外技术、Wi-Fi、蓝牙和ZigBee等技术。Zigbee无线传感器网络技术可以通过建立网络拓扑来增加通讯传输距离和扩大网络的覆盖范围，并且其工作在免收费工作频段（2.4GHz），这对于工业监控的数据采集和控制信号传输来说都是非常适合的，表1是四种常用无线通信协议的比较。

三、Modbus协议简介

Modbus通讯协议广泛应用于工业自动化控制领域，协议结构简明通用，大部分工业监控系统都支持该协议。Modbus定义了OSI模型第7层上的应用层报文传输协议，实现了串行链路上的协议标准化，在一个主节点和多个从节点之间实现查询和应答功能。Modbus协议规定了两种串行传输模式：RTU模式和ASCII模式。本系统采用RTU模式，RTU报文中每个8位字节含有两个4位十六进制字符，具有比较高的数据密度，在相同的波特率下比ASCII模式具有较高的信息交换率。具体上上位机下传数据格式和下位机上传数据格式如表2和表3所示。

四、系统总体结构

系统的总体设计方案如图2所示，通过Zigbee无线传感器，网络对干式变压器的温控仪各相绕组温度等相关参数进行实时监控，并实现数据的自动化处理、故障预警和运行状态分析判断，提高全台供电的可靠性和稳定性，监控系统可分为以下三个部分：

（一）基于温控仪从节点的无线数据采集部分，主要部分是从节点通过对干式变压器的温控仪的各种状态信息量进行采集。

图1 Zigbee协议栈结构图

图2 系统总体设计方案图

图3 监控主界面

（二）基于Zigbee技术的组网和无线数据传输部分，这部分主要是实现将从节点能采集到的变压器数据通过无线网络传送到主节点，再由主节点汇聚后最终通过串口发送至上位机以达到监测的目的，并且可以通过路由器节点的布置来扩展通信距离，从而扩大无线传感器网络的覆盖范围。

（三）基于力控组态的上位机监测界面部分，这部分功能主要是将通过串口接收网络传送过来的数据，以图形的方式用上位机监测界面直观地显示出来，并能通过短信和现场语音将故障状况及时准确通知相关人员，并将报警信息存储于数据库中，以便值班人员采取相应的保障措施。

表1 无线网络标准的比较

表2 上位机下传数据格式

表3 下位机上传数据格式

五、软件平台设计

本监测系统的软件平台主要是基于力控组态软件进行编写的，只需进行简单的编程，就可设计出通用性强和可靠性高的计算机监控系统。软件平台主要包括数据显示子系统、预警子系统、状态分析子系统、数据保存子系统和报表统计子系统等功能组成。监控主界面如图3所示。

（一）数据显示子系统

直观显示干式变压器三相绕组的实时温度、风机启动时间、故障代码和运行状态等参数，同时以曲线形式描绘温度的实时变化，可以使值班人员直观地了解温度的变化情况。

（二）预警子系统

根据国家对于干式变压器运行的标准，结合现场实际所用变压器，设置了干式变压器的温度预警。出现报警时，系统会跳出告警窗口，以语音播报方式提醒值班人员，并通过短信及时通知相关工作人员故障的具体情况。

（三）状态分析子系统

通过modbus通讯协议将下位机设备上传的数据传输到组态软件，在后台将数据的仪器状态字的十六进制数转换成二进制数，根据ABB干式变压器仪器状态字的标准定义，将设备的当前状态显示在监控界面。

（四）报表统计子系统

根据实际需要生成各类报表，包括时、日、月、季度和年度报表，并提供完善的报表查询服务，可以在线查询和打印系统记录的所有数据值，并能以Excel的形式导出保存。

六、结语

变压器绕组温度超过绝缘耐受温度使绝缘破坏，是导致变压器不能正常工作的主要原因，因此绕组温度监控对于保证其安全运行有着重要的意义。通过自主开发干式变压器运行状态监控系统，不但能够实时监控变压器温控仪的各相绕组温度等相关数据，还能实现数据的自动化处理、故障预警和运行状态分析判断，提高全台供电的可靠性和稳定性。

1.孙军,朱小平,方彦军.基于 Zigbee的无线传感器网络在变电站中的应用[J].电气应用,2008（09）.

2.倪敬飞.Zigbee-2006协议栈的实现及其应用[D].苏州大学,2009.

3.梁湖辉,张峰,常冲,赵 涛.基 于Zigbee的变电站监测报警系统[J].电力系统保护与控制,2010（12）.

（作者单位：广西人民广播电台）