基于ZigBee的高压开关柜温度检测报警系统设计

原小永 解应博

摘要：高压开关柜内器件老化或所选器件的电阻过大，容易使设备运行时开关柜内温度过高。为了避免由于柜内温度太高而导致火灾发生，提出了一种通过ZigBee和RS485总线进行相关数据传输的检测报警系统。传感器将采集到的温度信号通过ZigBee网络传送至分站，分站对接收的温度信号进行处理后，通过RS485总线将信号传输到主站。主站采用工控机对各个分站传送来的温度信号进行分析和处理，发现温度异常后立即报警。结果表明，该系统温度检测灵敏，信息传输速率高，抗干扰性强，运行安全可靠。

关键词：开关柜；ZigBee；温度检测；温度报警

DOIDOI：10.11907/rjdk.171598

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：16727800（2017）010011503

0引言

社会的发展、科技的进步促使电器产品的应用越来越普及，电气火灾也随之增多。在近几年来的火灾事件中，电气火灾占比达到30%左右，该类型火灾已经成为现今社会火灾事件的重要来源之一。因此，如何进行电气火灾的有效预防，成为最近几年火灾预防工作的重中之重。开关柜是变电站和发电厂等相关企业中决定电力系统正常运转的关键设备[1]，对电力系统的可靠运行起到重要作用[2]。设备在经过长时间、连续不间断的运行后，高压开关柜内部温度会逐渐升高，最后会导致柜内的相关线路受到一定程度损坏，使一些在日常系统的运行过程中能够起到保护内部电路作用的绝缘材料快速老化[3]。高压柜内的设备触点以及其它元件因为长期运行逐渐老化，有的元器件电阻过于庞大，又会导致柜内设备运行时的发热量增加，进而产生恶性循环。并且在设备运行过程中，开关柜处于常规封闭状态，这从一定程度上增加了柜内相关设备发热部位的温度检测难度[4]，无法实现开关柜内温度的实时检测和报警，最终因为开关柜内部温度过高，导致火灾事故的发生。因此，解决开关柜内温度过高的问题，对于减少电气类火灾事故的发生具有重要意义。

在电力系统的实际工作过程中，高压开关设备数量较多，设备的检修任务艰巨并且维修费用很高。通常情况下开关柜内部空间较小，布线相对密集，无法完成开关柜内部的人工测温，不能及时掌握相关设备节点处的温度情况，于是对开关柜内部温度的及时检测报警能对高压开关柜的安全运行提供很大保障。目前高压开关柜内部测温主要有红外成像以及光纤测温等几种常用的测温方式，杨奕等[5]利用红外通信技术提出一种高压开关柜的检测和预警系统，对开关柜内的热点温度进行实时监测和预警；李玉柱等[6]根据红外传感器的相关工作原理，对高压柜的开关触头进行温度在线监测；孙澄宇[7]详细比较了常规的温度检测技术之后，提出了一种利用光纤传感器对高压开关柜内的温度进行检测的方法。这些技术虽然极大地改善了依靠工作人员对柜内温度进行检查的缺陷，但还是不够成熟和完善。现在使用的高压开关柜温度监测系統大多采用固定式测温，不能随意布置监测点与调整监测部位。由于高压开关柜需要监测的温度点数众多，一旦因为温度监测不到位发生火灾事故，将会造成巨大损失。为了解决该问题，需要对发热部位的温度监测进行集中管理。因此，提出了一种基于ZigBee网络的高压开关柜温度实时检测报警系统，用来提高相关设备运行的安全性和可靠性[8]。

ZigBee技术最近几年在信息通讯中使用较多，主要用于较短距离的信息传输，无线信号在短距离内有较强的抗干扰能力，能够在高压环境下保持很好的信号传输性能[9]。采用ZigBee网络进行信息传输也能解决开关柜内布线困难的问题，且方便安装[10]。本文利用ZigBee技术进行高压开关柜内温度实时检测，该温度检测报警系统可全面采集高压开关柜内的温度，温度传感器也可以方便地安装在需要进行温度采集的部位。温度传感器将检测到的温度信号经过相关的分析处理后，能够自动将信息传输到工控机中，而不需要人工干预。根据实际情况进行温度的检测和报警，可以确保高压开关柜内相关器件的长期正常运转，有效避免火灾发生。

1高压开关柜温度检测报警系统网络结构设计

该温度检测报警系统由温度监测报警中心（上位机）、温度监测仪（分站）以及高压开关柜内的温度采集模块（传感器）3部分组成。其中无线温度监测仪以及温度采集模块使用CC2480单片机作为控制器芯片。检测报警系统使用DS18B20进行柜内温度的采集并将采集到的温度数据传送给CC2480芯片，再由CC2480芯片通过ZigBee网络将温度数据传送给分站。分站通过RS485总线和主站连接到一起。主站对温度信号进行分析处理，若温度值高于安全值则启动报警，避免带来经济损失。温度检测报警系统结构如图1所示。

2系统硬件电路设计

2.1传感器选型

目前温度传感器种类繁多，在综合考虑温度传感器的防水性、功耗、工作性能等主要因素之后，选择DS18B20进行柜内温度的检测。该型号温度传感器测温范围大，通常能够达到-55℃～+125℃，测温精度能够达到±0.5℃，且具有多点组网特性、一线接口通讯能力，拥有寄生供电电源和外部电源供电两种供电模式供用户选择，其数字化传输方式极大地提高了抗干扰能力。

2.2温度检测电路模块

开关柜无线温度采集模块主要由DS18B20温度传感器、测量电路、CC2480控制电路、无线调制接口以及供电电源电路等若干电路组成。温度检测电路如图2所示。

温度传感器将采集到的开关柜内温度值经过处理后变成相应的数字量，传输到CC2480芯片内部，信号在CC2480芯片内进行相应分析处理，然后采用射频调制方式，通过无线收发器电路将处理过的信号发送到分站。

2.3CC2480模块

CC2480芯片采集并处理温度传感器所得的数据，同时将数据传输至无线温度监测仪。CC2480芯片内部集成了ZigBee射频前端、定时器、模数转换器，该芯片无线性能出色，正常运行时功耗很低，采用CMOS工艺，芯片的工作电流只有27mA，共有I/O端口线、电源线和控制线引脚共48个，模块电路如图3所示。endprint

3系统软件设计

开关柜内温度检测报警系统软件主要由ZigBee通信软件、下位机软件和上位机软件组成，具体软件设计方法如下：

3.1ZigBee 通信软件设计

温度检测报警系统使用的开发环境是IAR7，该温度检测报警系统采用的协议栈为TI 提供的ZigBee2006 协议栈ZStack，温度检测报警系统中主节点被初始化为网络协调器。协调器是整个ZigBee网络的核心，相当于网关，网络协调器负责相关通讯网的建设。相关节点在进行数据通讯之前，协调器要完成相关网络的连接，包含了所有网络信息。图4是协调器节点的软件设计程序流程。

3.2下位机软件设计

下位机软件设计主要完成高压开关柜内温度数据的采集转换，以及与上位机的信息传输等，包括程序初始化、检测程序设计和串行通讯程序等。程序初始化主要是完成波特率设置，同时完成中断处理操作和定时器的初始化，程序中采用的中断方式是外部中断方式。串行通讯主要是当检测到温度传感器采集的数据后申请中断，并调出串行通讯子程序进行数据的发送。下位机软件设计的主程序流程如图5所示。

3.3上位机软件设计

上位机软件的功能主要是向工作人员提供一个良好的操作界面。目前常用的几种开发上位机检测控制界面的软件包括LabVIEW、组态王、VC++等。综合考虑后，本文选择功能强大且操作简单的组态王软件进行温度检测界面的设计。上位机主要完成以下几方面工作：①监控主画面：显示要监控的开关柜名称、设备编号、开关柜内实时温度、设定温度、状态指示灯等。主画面要求能够直观反应出开关柜内各个测温点的情况；②参数设置：可进入任意一个温度报警值进行设置；③数据报表：可进行实时数据和报表等相关数据查询；④报警记录：可进行实时报警、历史报警等查询。上位机设计界面如图6所示。

4系统运行

开关柜温度检测报警系统正常运行时，能够完成对开关柜内相关监测点温度的检测和报警，实现对各个监测点温度值的采集记录、实时显示以及报表打印等功能。如图7所示为一天中某一时间段的开关柜内监测点处的温度实时曲线显示。从温度曲线可以直观清晰地看到开关柜内检测点处在这一时间段内的温度高低。從图中可以看到，在这一时间段内监测点处的温度处于开关柜内设备运行的正常范围值内。

5结语

基于ZigBee的高压开关柜温度检测报警系统能够实现同时对高压开关柜内部若干个区域的检测，可以根据系统的检测需求，不断变换布置温度检测点位置和调整检测点部位。若温度值检测出现异常，系统会启动报警装置，促使工作人员及时检查相关部件。该温度检测报警系统运行成本相对较低，且性价比很高，方便安装，易于后期维护，具有一般温度检测报警系统所不具备的优势，可以较好地解决传统温度检测系统中存在的布线困难等实际问题。实验结果表明，高压开关柜温度检测报警系统检测灵敏，信息传输速率高，传输过程中抗干扰能力强，能够有效避免因为温度过高引起的电气火灾。

参考文献参考文献：

[1]陈炜.ZigBee 技术在高压开关柜温度监测中的应用[J].河南科学，2013，31（8）：12051207.

[2]成洋.智能化变电站高压开关柜在线监测技术研究[J].自动化与仪器仪表，2016（9）：108109.

[3]徐长英，王宏，邓芳明.基于SAWRFID高压开关柜温度在线监测技术研究[J].仪表技术与传感器，2016（11）：4245.

[4]夏志军.高压开关柜过热原因分析及监测措施[J].四川电力技术，2015，38（6）：4346.

[5]杨奕，王正旭，张柏年，等.基于红外的新型高压开关柜热点温度实时检测与预警系统设计[J].西南大学大学：自然科学版，2016，38（2）：143148.

[6]李玉柱，宋建成，耿蒲龙，等.基于红外传感器的高压柜隔离开关触头温度在线监测系统研究[J].测控技术，2015，34（2）：14.

[7]孙澄宇.高压开关柜在线测温系统设计[J].南方农机，2015（10）：77，80.

[8]陈雪薇.高压开关柜无线测温系统设计及可靠性研究[J].高压电器，2015，51（6）：152160.

[9]张琪.基于ZigBee的高压开关柜温度在线监测系统[J].内蒙古科技与经济，2014（313）：6668.

[10]刘明岩，常宁.基于ZigBee和GPRS全无线火灾自动报警系统设计[J].消防科学与技术，2015，34（5）：603605.

责任编辑（责任编辑：黄健）endprint