基于传感技术与Zigbee的变电站设备温度在线监测系统

周瑞双，王春新，王焕娟，李朝峰

（1.华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003；2.北京国电通网络技术有限公司，北京 100071）

基于传感技术与Zigbee的变电站设备温度在线监测系统

周瑞双1，王春新2，王焕娟2，李朝峰2

（1.华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003；2.北京国电通网络技术有限公司，北京 100071）

设计了一套基于无线温度传感技术与Zigbee无线自组网通信技术的变电站设备温度实时在线监测系统。对系统的硬件软件分别进行了设计，并提出了一种新的变电站电流致热型设备温度缺陷智能分析的方法。系统解决了变电站温度数据采集实时性差，设备、人工成本高以及临时数据采集、应急状态下的数据传输、布线困难以及无信号覆盖下的数据采集与传输的问题，并提高了设备热缺陷报警的准确性，使变电站运行更加安全可靠。

传感技术；自组网；智能分析；在线监测

0 引言

变电站设备在大电流、高电压状况下长时间运行，一些设备缺陷能够导致设备的温度异常，如不及时发现，易造成设备损坏或恶性事故，产生重大经济损失。因此变电站设备温度状况的实时在线监测、温度数据实时上传、温度数据异常报警、及时处理等对变电站安全稳定运行具有重大意义［1～3］。

通常的测温方式有：蜡片测温、红外测温仪测温、光导纤维温度传感器测温、无线通讯接触式测温传感器测温等。这些测温方式检测温度的精度低、实时性差、设备和人工成本高，存在一定的局限性。

虽然目前变电站主要使用手持红外测温仪对变电设备温度进行诊断，可以直接找到故障点，但由于电力设备数量众多，红外检测工作受环境因素制约较大，检测工作仍然显得费时、费力，检测人员的行动也受周围高压电气环境约束，最突出的缺点是不能对电力设备进行实时、远程的状态监测。

随着基于物联网的无线传感技术与自组网技术的发展，本文设计了一种新型的在线监测系统。首先采用基于物联网无线传感技术中具有等电位安装、抗电磁干扰能力强、使用寿命长、通信可靠等特点的无线温度传感器，实时采集设备温度变化。然后通过基于Zigbee的无线自组织网络通信方式，实时将温度数据上传到中央处理单元。提出了一种变压器三相高压套管温度缺陷报警智能分析方法，提高了在线监测系统报警预警准确性与可靠性。系统解决了以往测温方法的实时性差的问题，并实现了远程测温工作，提高了报警的准确性，可大大减少运行人员的工作量，提高工作效率，降低工作成本。

1 相关技术介绍

1.1 基于物联网的无线温度传感器技术

物联网是继互联网之后信息通信技术的又一次创新，物联网将成千上万的物体通过网络基础设施进行连接，这些物体通过感知周围环境的变化，积极参与信息获取、处理和交换过程［4］。

无线温度传感器技术是应用物联网技术，在变电站电缆接头、闸刀触点、开关触点、铜排连接点、电抗器、消弧线圈、电容器外壳等位置布置无线温度传感器。通过这些传感器实时感知变电站变电设备的运行情况，以便及时发现影响变电站安全稳定运行的外部因素以及实时监测变电站设施的内部故障［5］。

1.2 基于Zigbee协议的无线自组网技术

ZigBee协议是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。基于Zigbee协议的无线自组网是一种具有高度自适应性和移动性的通信网络，由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成。网络中每个终端可以自由移动，具有地位相等、无中心的特点。网络支持多跳扩展，可以通过 “多级跳”的方式来通信；不需要现有信息基础网络设施的支持；可以在任何时候、任何地点快速构建。

ZigBee技术强大的组网能力，可以形成星型、网状型和簇状型 （如图1），可以根据实际需要来选择合适的网络结构。其中，星型和族树型网络适合多点、距离相对较近的应用［6］。

图1 自组网网络结构Fig.1 Ad hoc network structure

2 变电站温度在线监测系统设计

2.1 总体架构设计

本文设计的变电站在线监测系统的总体架构图如图2，主要分感知层、网络层、应用层三层。

系统感知层由无线温度传感器实时采集变电站设备的温度数据，并由变电站基站通过无线方式收集各个温度传感器采集到的温度数据。由于变电站处在强电场作用下，使用带有柱状天线的无线温度传感器易产生尖端放电，在变电站中应用具有不安全性。经过改造，本系统所用无线温度传感器应用平板天线，解决了这一问题。

图2 系统架构Fig.2 System architecture

系统网络层是基于Zigbee协议的无线自组网通信层，用于实现数据传输通道的建立，能够实现自组网功能，当Zigbee设备从变电站基站采集到监测数据后，能够通过自组建的网络上传。基于Zigbee协议的自组网方式以其灵活、可靠、易于布置等特点在许多领域得到了广泛应用。将其应用于变电站监控系统的优点在于：

（1）无线自组网采取了IEEE 802.15.4强有力的无线物理层，减少了变电站连线的复杂度，具有低速率、复杂网络、低功耗和低成本的特点。

（2）ZigBee在中国采用2.4 G的IS M频段，是免申请和免使用费的频率，在2.4G的频段上具有16个信道，带宽为250 K，从2.405 GHz～2.480 GHz间分布，信道间隔是5 M，具有很强的信道抗串扰能力。ZigBee终端空旷视距离环境无线通信距离为800 m［7］。

（3）当自组网设备中一个或几个一般节点发生故障或遭到人为破坏时，各Zigbee节点自动搜索建立连接，绕过这些故障节点，利用剩余节点自行组织成一个新网络，从而不影响数据传输。

系统应用层是系统的管理中心，由中央控制器组成，将采集上来的温度进行智能分析处理，实现实时界面展示、实时预报警，并提供历史数据查询等功能。

2.2 系统硬件设备设计

系统硬件总体设计图如图3，主要由无线温度传感器、变电站基站、Zigbee组网模块、台式或便携式PC机组成。

2.2.1 系统感知层设备设计

感知层设备由无线温度传感器和变电站基站组成。

图3 系统硬件设计Fig.3 System hardware design

本系统采用的温度传感器由微功耗 MCU、数字温度传感器、2.45 GHz数字RF收发器、高温锂亚电池、IP 68不锈钢外壳和平板天线等组成，使用了先进的一体化、微型化、等电位封装技术。具有体积小、使用寿命长、传输距离远、采集温度点多、安装方便、性价比高等特点。

每个无线温度传感器具有唯一的ID编号，实际安装时需要记录每个传感器的安装地点，并与传感器编号一起存入计算机数据库中。传感器每隔一定时间（可以事先设定）自动发射1次监测点的监测数据。

变电站数据传输通讯基站由 MCU、RS－485接口、2.45 GHz数字RF收发器、宽输入DC／DC直流稳压电源、IP 68 ASA外壳、高增益定向天线和全向天线等组成。

无线通讯基站根据无线温度传感器分布来确定数据传输通讯基站的安装数量和位置，适当增设基站可以有效提高信号的覆盖密度，确保系统有足够的冗余度。无线温度传感器定时测量一次该监测点的运行温度，环境温度传感器也会自动测量环境温度，这些温度数据通过2.45 GHz无线信道传输到通讯基站，基站会自动保存和记录这些数据，并采用RS－485总线与控制主机进行通讯。

2.2.2 系统网络层设备设计

采用的Zigbee无线通信模块是加强型的Zigbee模块，集成了符合Zigbee协议标准的射频收发器和微处理器，Zigbee通信模块实现了串口RS232／485、USB数据的透明传输。

自组网设备用于实现数据传输通道的建立，能够实现自组网功能，当Zigbee设备从变电站基站采集到监测数据后，能够通过自组建的网络上传。自组网的设备有RS 232或RS 485接口，每个设备都可以称为一个节点，处于等同地位，每个节点之间都是通过无线方式进行通信，最后都汇聚到中心节点，中心节点通过RS 232或RS 485线连至控制主机。

2.2.3 应用层设备设计

控制主机是一个具有完善软件功能的管理平台，集成了各种通讯协议、图形化人机交互界面和完备稳定的数据库。该管理平台完成一个变电站全部重载设备的温度管理，也可嵌入其他管理与控制功能，实现在单一平台上运行多个管理任务，实现多信息融合和集成。温度管理软件能够顺利运行于主流32位Windows OS的计算机系统 （台式、便携式或嵌入式计算机系统），对于软硬件环境具有较低的要求。根据变电所的实际情况可以选用不同类型的控制主机，一般选用带触摸屏的工业级平板电脑 （工控机）并安装在机柜上。

控制主机会定时通过RS－485总线轮询各基站，各基站将收到的温度数据传输到主机，主机将总线温度数据进行处理并保存。

2.3 变电站系统软件设计

系统软件架构图如图4。系统分为4个部分：设备虚拟层、通讯及设备路由组件、数据处理层、虚拟现实表现层。

图4 系统软件架构Fig.4 System software architecture

2.3.1 设备虚拟层

将实际的硬件设备抽象为虚拟的逻辑设备。入口数据为从不同硬件设备获取的各种数据。输出数据为监测系统能够识别的、系统无差异化的数据，符合系统通讯协议。

2.3.2 通讯及设备路由组件

负责整个系统各个层之间的数据通讯组件。此外，在系统后台控制设备和客户端为多台时，还提供设备路由功能。通讯及路由采用本系统自定义通讯协议。

2.3.3 数据处理层

将设备虚拟层传来的数据进行自动识别处理。根据不同情况，分别将其分派到存储、数据同步、预报警护模块处理。

2.3.4 虚拟现实表现层

即用户界面。可实现各点位信息的相关温度数据显示、曲线列表显示、报警界面展示等。

2.4 变电站电流致热型设备温度缺陷智能分析方法

在变电站预报警模块中，以往的数据处理方式是设置预报警阈值，当温度值大于报警阈值时发出报警。但是由于使用无线温传测量变电站设备的温度会受到环境各种因素的影响，有时会出现误报或漏报情况［8］。因此，准确判断设备发热缺陷是一个比较困难的问题。为了解决这一问题，根据相关规范，可得到变压器套管单相缺陷判断依据如表1［9］。

表1 缺陷性质Tab.1 Defect properties

表中δ是相对温差。

相对温差与温升的关系：

式中：τ1和T1为发热点的温升和温度；τ2和T2为正常相对应点的温升和温度；T0为环境温度参照体的温度。

应用此种方法判断缺陷类型同样存在漏洞与不足，例如，当T1＝70℃，T1＝61℃，T2＝60℃时，通过公式可得δ＝90%，根据表 （1）可得是严重缺陷，但是实际情况是热点温度T1＜80℃，并不是严重缺陷。

为了克服上述缺点，本文提出一种新的综合变压器套管三相温度判断温度缺陷的方法。图5是判断变压器三相套管缺陷类型的流程图。应用此种方法，通过三相温度数据间的互相对比与计算，有效地减少了错报、漏报的情况，解决了温度缺陷类型相对温差计算与热点温度判断结果不一致的问题。

图5 变压器套管温度监测分析流程图Fig.5 Flowchart of temperature monitoring and analysis for transformer bushing

3 系统测试

3.1 对自组织网络通信进行测试

系统搭建好后，对自组织网络的数据传输的通畅性；自组网数据传输的安全及可靠性等进行了测试。图6为单个无线温度传感器一段时间传上来的数据。通过测试可以看出通信状态良好，基于Zigbee协议的无线自组网通信可准确的接收变电站温度数据。

图6 单个无线温度传感器数据Fig.6 Single wireless temperature sensor data

3.2 温度数据显示测试

图7为系统运行一段时间后，根据采集上来的温度数据，显示的监测点位的数据曲线，表示点位的监测数据信息。

图7 数据展示界面Fig.7 Data display interface

3.3 温度异常报警测试

变电站设备温度一旦发生异常，经过数据分析，可准确定位和展示报警级别，如图8。

图8 报警界面展示Fig.8 Alarm interface shows

4 结论

本文设计的变电站温度在线监测系统，应用平板天线无线温度传感器技术，加强了变电站数据采集的安全可靠性，实现了数据的实时采集，同时大大减少了变电站监测的人工工作量，降低了工作成本。应用Zigbee无线自组网的通信方式进行监测数据传输，减少了变电站的连线复杂度，同时可解决变电站临时数据采集、应急状态下的数据传输、布线困难以及无信号覆盖下的数据传输问题。通过对采集数据的智能分析方法的研究与改进，减少了故障报警的误报、错报和漏报，提高了变电站运行的安全性和可靠性。

本文设计的变电站温度在线监测系统，同样可应用在智能电网的输电、配电、发电等各环节的设备温度状态监测，使得智能电网的发展更加快速、完善。系统将在整个智能电网的建设过程中发挥更大作用，拥有更加广泛的应用前景。

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Temperature On-line Monitoring System for Substation Equipment Based on Sensing technologies and Zigbee

Zhou Ruishuang1，Wang Chunxin2，Wang Huanjuan2，Li Zhaofeng2
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China；2.Beijing Guodiantong Network Technology Co.，Ltd.，Beijing 100071，China）

The design of substation equipment temperature real－time online monitoring system is based on wireless temperature sensing technology and Zigbee wireless networking communication technology.The hardware and software of the system are designed，and proposes a new substation current heated electric equipment temperature intelligent defect analysis method.The system solves the substation temperature data acquisition real time difference，high cost of equipment，high cost of labor and temporary data acquisition，state of emergency data transfer，difficult wiring and no signal coverage of data acquisition and transmission problems，and improves the accuracy of alarm equipment thermal defects，which is more safe and reliable operation of substation.

sensing technology；Ad hoc network；intelligent analysis；on-line monitoring

T M732

A

2012－05－11。

周瑞双 （1986-），女，硕士研究生，研究方向为物联网技术研究及应用，E-mail：yiyuchenfei＠163.com。