基于ZigBee技术高压开关柜温度在线监测系统研究

胡凯波，许林波，夏志凌

（1.浙江浙能兰溪发电有限责任公司，兰溪321100；2.浙江浙能技术研究院有限公司，杭州311100）

智能输配电网建设的进一步深入，对电力开关设备安全运行的自动化能力水平提出更高的技术要求。高压开关柜中由于生产制造、运输安装、过流烧蚀等导致接头松动、散热不良引起温度异常而出现温升告警、跳闸停电等事故时有发生[1]，据电力部门相关统计，每年发生在变电站的电力事故约有40%是由开关设备异常温升造成。温度作为开关设备运行状态评估的重要指标之一，是电力在线监测和故障诊断的主要依据[2]，目前，国内变电站通常采用红外测温仪按需进行人工逐点测温，温度数据采集滞后、漏测和错测等现象严重，如何实现对温度数据的在线实时准确的监测采集和分析预测，已成为电力系统安全、可靠运行急需解决的现实问题。

由于高压开关柜复杂封闭式结构及高压、大电流和强磁场等恶劣运行环境，给常规人工测温和有线监测的安全和精度均带来极大不便，运用文献[3]中设计的温度监测节点集群组网方案，利用ZigBee技术的自组织性、动态拓扑、低功耗和传输稳定等优势，构建高压开关柜温度实时在线监测系统，用较低成本实现开关柜集群温度的实时动态采集、远传运算分析和控制保护，帮助运行管理人员及早发现安全隐患，消缺排障，也可为高压开关设备运行状态检修评价工作提供详实的数据依据。

1 高压开关柜温度在线监测系统方案

考虑到高压开关柜分为A、B、C 三相及存在断路器触头、电缆接头、刀闸开关、母线等多个测控点，系统采用分散集控架构，每个测量集群由3～24个测温分节点（温度传感器）和1个汇集节点构成。开关柜测量集群采用低功耗、低成本且传输距离适中的ZigBee 无线通信技术，将测温节点实时温度数据经小范围无线网络传送到汇聚节点[4-5]，然后经RS485总线网络上传到站控层数据接收终端。温度在线监测系统由装设在开关柜中的温度采集装置、数据传输通信网络和站控监控主站等组成，如图1所示。

图1所示，温度在线监测系统的结构底层为数据采集与温度控制终端，底层网络由若干传感器和ZigBee 终端组成星型结构，负责按需采集温度数据，并通过内嵌式ZigBee通信模块将数据传输到汇聚节点，汇聚节点采用嵌入式技术和RS485总线网络负责底层ZigBee 无线网络与站控层间数据的传输、接收和存储ZigBee 终端采集的数据信息，经汇聚节点中继通过RS485总线网络将数据传递给站控层数据处理中心[6-7]，监测系统顶层为站控数据中心，负责高压开关柜温度数据的运算分析和管理发布等。

图1 高压开关柜温度在线监测系统结构Fig.1 Structure of online temperature monitoring system for high voltage switchgear

2 基于ZigBee技术数据采集与温度控制层

温度监测系统底层网络主要包括温度测量分节点和汇集节点两部分，其中温度测量分节点由布设在高压开光柜柜中触头部位的若干光纤测温传感器组成，经ZigBee 无线通信网络将数据传输到汇聚节点，其网络结构如图2所示。

图2 温度数据采集与控制电路结构Fig.2 Temperature data acquisition and control circuit structure

2.1 触头温度采集终端

由于高压开关柜运行处于高电压、强电磁、封闭且狭小空间环境，同时考虑柜内多点温度监测及ZigBee 拓扑组网需要，优选设计形式灵活、可靠性高且适用于高电压、强电磁（EMI/RFI/EMP）、易燃易爆等特殊工业环境的荧光式光纤测温传感器，该传感器工作电压为DC 5 V，测温范围为-30℃～+125℃，测量精度为±1%℃或全量程的1%，1～16 路多通道测温，对高压、强电磁干扰有较强免疫力。

2.2 无线射频控制模块

温度监测系统底层控制模块设计除了考虑开关柜复杂的高电压、强电磁等特殊环境条件外，还需考虑小型化、低成本、低功耗等技术要求，德州仪器（TI）公司研发生产的CC2530控制芯片是以ZigBee为基础用于2.4 GHz/IEEE 802.15.4/RF4CE/ZigBee应用的低成本、低功耗的真正片上系统（SoC）解决方案[8]。CC2530 具备优秀的接收灵敏度和抗干扰性，支持低功耗无线通信[9-10]，从休眠模式转换到主动模式的时间只需4 μs，而激活状态下接收或发送数据只需0.5 ms，功耗仅有24 mA 或29 mA。CC2530与荧光式光纤测温传感器通过SPI 连接，处理器根据通讯地址经SPI 访问传感器，SPI接收或发送温度数据由时钟下降沿触发。

2.3 汇聚节点

ZigBee网络协调器主要负责ZigBee 传感器网络和RS485 串口网络间的温度数据传递，负责接收开关柜中各触头的温度数据，并对各个终端分节点数据进行运算分析，然后统一打包经RS485网络上传到站控层数据处理中心ARM 芯片，ARM 处理器接收到温度数据后，在开关柜面板上进行实时显示，并通过以太网总线上传到站控层监控主站上位机系统，实现液晶屏显示、SCADA 存储和短信提示等功能。ARM 自动根据系统设置的温度阈值进行对比判断，一旦超过预设值则通过温度控制执行机构开启对应降温设施，如图3所示。

图3 ZigBee网络协调器电路结构Fig.3 Circuit structure of ZigBee network coordinator

3 系统软件设计

温度在线监测系统通过设置数据采集周期按需对触头温度进行定时监测，其中：站控层主要实现温度数据的运算分析、实时显示和归类存储等功能；温度传感器分节点和ZigBee协调器节点则采用德州仪器（TI）公司CC2530 提供的Z-stack协议栈软件进行应用开发[11]。

3.1 传感器分节点软件设计

温度采集无线传感终端子节点是间接通过Zig-Bee协调器节点与远程监控主站进行联系，为了降低系统功耗，将子节点不进行温度采集的绝大部分时间设置为休眠状态，只有当ZigBee协调器节点发出温度采集指令后才在短时内唤醒，并待数据采集且发送完成后重新进入到休眠状态，传感器分节点经初始化处理，在收到信标后向可用网络发送入网请求，待并网成功发出绑定请求，得到允许采集温度数据并发送给ZigBee协调器。完成数据传送后移除绑定，继续监听信标并转入休眠模式，传感器分节点温度采集流程如图4所示。

图4 传感器分节点软件流程Fig.4 Software flow chart of sensor sub-node

3.2 协调器节点软件设计

ZigBee协调器节点负责无线网络构建、温度数据接收与处理、远程控制指令的收发与执行，在接收来自传感器分节点的温度数据后，经ZigBee内嵌式ARM 处理器处理后通过RS485总线网络发送到远程监控主站数据处理中心，协调器经初始化处理进行通信链路连接，网络建立成功后一直处于在线候命状态，当收到温度数据采集指令，经ZigBee协调器中继实现与ZigBee 无线网络采集传感器终端间的通信连接，并完成温度数据的采集，最终将采集数据返回到远程监控主站，协调器节点工作软件流程如图5所示。

图5 协调器节点软件流程Fig.5 Software flow chart of coordinator node

3.3 远程监控主站软件设计

监控主站负责接收温度数据信号，并对数据解包、分析和存储，上位机系统软件采用面向TCP/IP协议的Socket通信机制的C/S机构，数据采集与监视控制系统（SCADA）系统采用SQL Server 数据库，实现对温度数据的存储和管理，上位机监控界面软件主要具备以下功能：

（1）登陆界面：给不同用户分配账号、角色和管理权限，按权限进行系统操作和管理；

（2）数据显示：显示高压开关柜柜内传感器测量子节点的实时温度数据和动态变化率，并可进行历史数据查询和统计分析；

（3）异常报警功能：通过声光等形式显示异常数据部位、异常状态及演变趋势等信息，通过发送短信等形式提示管理人员对异常信息进行及时排查和处理；

（4）终端设备参数设置：经RS485总线网络，对ZigBee协调器和终端温度传感器设备的特性参数进行设置，如：GPS时钟对时、采集周期定时、报警阈值设置等；

（5）系统自检：系统自检排查故障。

4 系统应用

高压开关柜温度在线监测系统采用两级传输网络，第一级采用免费的2.4 GHz 频段的ZigBee 短距离无线通信，既克服开关柜内部高压、强电磁等复杂运行环境[12]，又实现温度短距离数据无线传送；第二级采用RS485总线网络，解决了开关柜封闭空间无线数据外传受限问题，温度数据通过协调器聚集后经RS485网络上传到监控主站，按图1结构安装光纤测温传感器、ZigBee协调器等设备后，经调试系统运行稳定，其在线监测软件界面，如图6所示。

图6 温度在线监测软件界面Fig.6 Software interface of temperature online monitoring system

为验证监测系统的测温性能，将系统自动采集的温度数据与红外测温仪人工实测的温度数据进行对比分析，如表1所示。

表1 触头温度自动采集与实测数据对比Tab.1 Comparison between contact temperature automatic acquisition and measured data

从表1 测试数据对比分析可知，监测系统按需实时采集高压开关柜柜内触头的温度数据，同时可以对温度数据变化率进行运算分析，现场测试中，经ZigBee网络传输温度数据的速率可达246 kb/s，可实时监测及传送200 m 范围内高压开关设备的温度数据，系统测温与人工红外测温误差＜1.5℃，触头温升变化率＜3.5℃/min，符合电气高压触点温度监测误差≤5℃和温升变化率≤20℃/min的测量精度技术要求，且数据丢包率为0，能够满足电力企业对高压电气设备24 h 全天候正常测温通信的实时性和可靠性要求。

5 结语

高压开关柜温度在线监测系统利用ZigBee 短距离无线通信优势，以荧光式光纤测温传感器为基础和无线传感器星型网络为核心，应用ZigBee技术和RS485网络实现了高压开关柜各触头节点温度数据的实时采集和远程传送及监测，通过温度实测数据对比分析，监测系统能够准确进行温度数据采集及分析处理，运行稳定性高且抗干扰能力强、能耗低，基于ZigBee技术的温度在线监测系统，可为触头温升状态在线监测及触头过热预防诊断提供详实的数据支撑，同时，数据库共享功能促进了高压设备网络化、数字化和智能化运行监测及状态检修的实现。