基于ZigBee的高压开关柜无线测温系统的设计与实现

丁惠忠

基于ZigBee的高压开关柜无线测温系统的设计与实现

丁惠忠

（沙洲职业工学院，江苏 张家港 215600）

针对大负荷下高压开关柜出现的温度过高问题，基于ZigBee协议设计了一种开关柜在线温度监控系统，并对系统的主要软件、硬件进行具体分析，最后采用实例对所设计的系统进行测试验证。该系统利用无线传感器实现开关柜温度数据采集，并通过ZigBee芯片进行数据的传输与处理，为用户提供数据显示、查询、存储以及预警等功能。测试结果表明，所设计的系统测温精度高，可实时为工作人员提供开关柜的运行状态，为用户及时发现并处理故障隐患提供参考平台。

高压开关柜；ZigBee；无线测温；系统设计

引言

高压开关柜是变电站重要的电力设备，担负着开断电流、分配电能、控制负荷、运行电量监控等作用[1]。近年来，随着用量负荷的增加，开关柜各接头、触点等部位的发热问题日趋严重，直接影响了变电站的正常运行和用电的可靠供。开关柜内各部件温度过高如果不加以控制，甚至可能引发火灾，造成重大的安全事故，这就需要对开关柜内部各触点和接头的温度进行实时监测，及时消除隐患，确保开关柜的正常运行[2]。传统的人工现场巡查方式工作效率低、不易操作，不能及时发现存在的隐患，已经越来越无法满足现代化社会的用电需求。基于此，笔者综合对比了各种测温方法的特点，设计了一种基于ZigBee的高压开关柜无线测温系统。同时，为检验系统的有效性，结合变电站的实际需求进行了实际测试。

1 温度测量技术分类

1.1 红外测温技术

红外测温技术是通过红外辐射的原理对温度进行测量，采用红外热像仪采集测温点的热红外辐射，然后通过光电转换模块得到物体的实际温度。红外测温技术受外界环境影响较大，一般需要人工操作，对位置精度要求较高，很难实现实时的在线监控。

1.2 无线测温技术

无线测温属于接触式测温的一种。将温度传感器直接安装在需要测温的部位，然后测温节点将采集到的温度数据通过无线通讯方式传输给数据接收器，从而得到待测物体温度。无线测温技术测量精度高，可实现实时的在线监测[3]。

1.3 光纤测温技术

光纤测温依据后向喇曼散射温度效应，利用滤波技术使光的波长发生变化，并通过波长与温度的关系推导出实际温度值。其原理是经调制后的光线通过光纤向前传播，在每个点都会反射回一个与自身温度相对应的脉冲光信号，温度越高，反射光的强度也越大，将这个信号进行滤波采样和分析，就能测出该点的温度。光纤测温精度较高，能够对被测设备的温度进行实时监控，但安排难度较大。

与传统蜡片式测温相比，目前常用测温方式都具有各自的特点和优势，可以根据实际情况选择具体的测温方法。各方法的具体特点如表1所示。

表1 不同测温方式的特点

2 ZigBee无线网络技术概述

ZigBee技术来源于蜜蜂采蜜过程中彼此之间的相互交流，是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术，采用IEEE802.15.4通信协议标准，适用于2.4 G频段，主要用于近距离无线连接，具有低功耗、低成本、安全可靠的特点，适用于通信数据量不大的场合。ZigBee协议栈紧凑简单，其结构主要包括物理层、MAC层、网络层以及应用层，如图1所示[4]。

图1 ZigBee无线网络结构

（1）物理层

物理层定义了无线网络的通信频率及物理无线信道与MAC子层之间的接口，主要包括启动和关闭RF收发器、信道能量检测、收发数据以及指示链路质量等功能，是整个协议的最底层。

（2）MAC层

MAC层包括介质接入控制层和数据链路层，为上下层提供层数据服务和层管理服务，主要包括建立可靠性的通信链路、处理和维护时隙保障机制、共享物理信道以及产生并发送信标帧等功能。

（3）网络层

网络层是协议栈的核心，负责提供一些必要的函数和服务接口，支持数据服务和管理服务两个功能实体，主要功能是提供网络连接时的安全性机制。

（4）应用层

应用层是协议栈的最高层，主要功能是把安全与鉴权、业务数据流的会聚、设备和业务等不同的应用映射到网络上。

3 基于ZigBee的高压开关柜无线测温系统设计

3.1 系统总体结构

系统主要由无线传感网络和上位监控中心组成。无线传感网络包括多个测温节点，主要利用温度传感器对开关柜内部各触点温度数据进行采集，然后将采集到的温度信号转换成电信号，再由ZigBee芯片通过射频发射的方式传输到数据协调器，并经以太网传到上位监控中心，上位监控中心对温度数据进行处理和分析，与用户进行交互，实现温度的实时监控。系统总体结构如图2所示。

系统以Windows作为操作平台，采用SQL数据库语言编写程序。用户通过与计算机的交互功能，可实现客户信息管理、实时温度查询、智能诊断与预警等功能。主要模块功能如图3所示。

图2 系统总体结构

图3 在线测温系统功能模块

主要模块的功能：

（1）数据采集：无线测温系统通过测温节点，实时对开关柜内部各接头、触点温度数据进行采集，然后将采集到的温度信号转换成电信号，通过ZigBee芯片进行处理并发达到主站。

（2）温度实时查询：用户通过客户端查询当前开关柜的实时数据，也可以查询历史数据。

（3）智能诊断与预警：当测温点的温度或温度变化率超过系统设定的门限值时，系统将发出预警信息，通知用户可能存在安全隐患，并可提供诊断参考。

3.2 硬件系统设计

硬件设计的重点是温度采集器节点设计，主要包括传感器模块、通信模块以及电源模块。传感器模块也叫终端节点，负责温度数据的采集和数据转换；通信模块主要负责数据处理和传输功能。协调器节点和终端节点相比，在电路中增加了RS-232接口芯片，减少了测温模块，其它电路大致相同，如图4所示。

图4 温度采集器结构

3.3 系统软件设计

软件在整个系统中起着非常重要的作用，能够实现系统配置录入、系统数据显示以及预警等功能，是用户访问管理数据库的窗口。以某部位温度采集与处理为例，分析系统的预警流程，如图5所示。

4 测试与实现

采用所设计的基于ZigBee的高压开关柜温度监测系统对某变电站现有三台10 kV高压开关柜进行内部触点温度监测，每台开关柜设置两个测点，设定温度阈值为40℃，监测结果如图6所示。

图5 系统预警流程

图6 温度监测系统软件界面

可以看出，所设计的温度监测系统可以监控各测点的实时温度，一旦某处温度超过警戒值时，系统会自动给用户发出预警信息，提醒用户存在问题隐患。该系统界面友好，简单易操作，满足温度实时在线监控的需求，达到了设计预期。

5 结语

以10 kV高压开关柜在线测温需求为背景，分析了现有测温方式的特点，并基于ZigBee协议设计了一种高压开关柜在线温度监测系统，同时对系统主要的硬件结构和软件流程进行详细讨论，最后采用实例对所设计的系统进行测试验证。该系统能够根据高压开关柜实际工作状况，实时监测各测点温度数据，并通过ZigBee传输给计算机，实现数据的采集、处理、存储以及预警功能。测试结果表明，该系统能有效监测开关柜内部温度，测温精度高、可操作性强，为开关柜温度在线监测、实时掌握开关柜的运行状态提供数据支持，对减少人工劳动量、提高工作效率，及时发现并处理故障隐患，减少事故的发生，保证高压开关柜及整个电力系统的安全运行具有重要的实际应用意义。

[1] 吴晨静. 高压开关柜无线实时测温系统的研究及应用[D]. 广州: 华南理工大学, 2018: 21.

[2] 陈凯彬, 等. 基于ZigBee和CAN总线的高压开关柜温度在线监测预警系统设计[J]. 科技风, 2020 (10): 3.

[3] 胡凯波, 许林波, 夏志凌. 基于ZigBee技术高压开关柜温度在线监测系统研究[J]. 自动化与仪表, 2020 (2): 100-103.

[4] 宋亮. 基于ZigBee技术的无线传感网络在电力系统保护装置中的应用[D]. 西安: 西北农林科技大学, 2014: 26.

Design and Implementation of Wireless Temperature Measurement System for High Voltage Switchgear Based on ZigBee

Ding Huizhong

Aiming at the problem of high temperature in high voltage switchgear under heavy load, an on-line temperature monitoring system of switchgear is designed based on ZigBee protocol, and the main software and hardware of the system are analyzed in details. Finally, an example is used to test and verify the designed system. The system, by means of a wireless sensor, collects the temperature data of the switch cabinet, and by means of ZigBee chip, transmits and processes the data, providing the users with the functions of data display, query, storage and early warning. The test results show that the designed system is of high temperature measurement accuracy, providing the real-time operation status of the switch cabinet for the staff and a reference platform for the user to discover and deal with the hidden trouble in time.

high voltage switch cabinet; ZigBee; wireless temperature measurement; system design

TM591

A

1009－8429(2020)02－0001－05

2020-05-21

国家职业教育智能控制技术专业教学资源库建设项目（2018-12）

丁惠忠（1977－），男，沙洲职业工学院电子信息工程系讲师。