基于ZigBee技术的电力系统高压开关柜温度测控系统研究

宋亮

摘 要：本研究设计了一种基于ZigBee技术的高压开关柜温度测控系统。该系统采用低功耗DS18B20温度传感器和CC2530芯片构建温度信号的实时采集模块，经ZigBee通信协议完成与上位机的组网，实现温度数据的实时采集、远程傳输和集中控制等功能。系统运行稳定可靠性好，集成封装便于安装。

关键词：高压开关柜;温度测控系统;ZigBee

中图分类号：TP272 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）26-0026-03

Research on Temperature Measure-monitoring System of Power

System High Voltage Switchgear Based on ZigBee Technology

SONG Liang

（Yangling Vocational and Technical College，Yangling Shaanxi 712100）

Abstract： This study designed a temperature measure-monitoring system for high voltage switchgear based on ZigBee technology. The system uses the low-power DS18B20 temperature sensor and CC2530 chip to build a real-time acquisition module for temperature signals. The ZigBee communication protocol is used to complete the networking with the host computer to realize real-time acquisition， remote transmission and centralized control of temperature data. The system runs stably and reliably， and the integrated package is easy to install.

Keywords： high-voltage switch cabinet;temperature measure-monitoring system;ZigBee

高压开关柜作为电力系统中重要的电力线路开/闭、线路故障保护和运行电量测控的核心设备，其运行的安全可靠性和节能经济性直接影响到电力系统能否安全可靠地输电、供电和配电。高压开关柜触头温升故障，轻者会导致控制保护设备动作保护，重者可能导致大面积停电事故甚至电气火灾事故，直接威胁到电力网络运行的安全稳定性。随着现代科学技术的进一步发展，传统的人工静态测温巡视方法在温度数据采集的实时性、准确性和可靠性等方面均很难满足现代智能电网对高压开关柜高效、智能化、自动化和动态集成调控的需求。发展最快且应用较广泛的ZigBee技术是电力系统中一种新兴的无线组网通信技术，具有组网结构简单、运行安全可靠性高、网络兼容性强等优点，非常适合应用在电力系统高压开关柜监测集中组网中[1]。为此，本文针对高压开关柜温度监测智能化、集成化需求，设计一种基于ZigBee技术的高压开关柜在线监控系统，完成高压开关柜温升的实时动态采集远程分析和控制保护。

1 高压开关柜温度在线测控系统总体方案

电力系统高压开关柜运行时处于高压、封闭等环境，相关开关设备在狭小空间里运行，电缆接头压实不紧、触头材料不均匀、紧固螺栓松动、设备老化等因素均会导致开关柜触头异常发热甚至出现烧穿等火灾事故。相比传统的贴色片测温法、红外测温法和光纤测温法，以ZigBee技术为核心的无线测温法将带有传感器的测温装置安装在高压开关柜高压区，直接接触到开关设备的测点进行温度数据采集，然后经无线网络上传到数据集中器中，对温度数据进行分析和判断，形成温度数据显示、报警和故障预判等信息，便于运行人员根据相关提示及时处理相关故障，确保高压开关柜运行安全。高压开关柜温度在线测控系统主要由ZigBee温度采集器和GPRS无线网络完成温度数据信号的采集、传输和收集[2]。温度在线测控系统由现场数据采集与温度控制层、数据传输层和站控层3层结构组成，如图1所示。

1.1 温度数据采集与温度控制层

ZigBee温度采集传感器模块安装在高压开关柜中，温度采集传感器通过ZigBee技术协议进行数据通信，并经GPRS无线网络将温度数据传输到开关柜中的汇聚节点，经RS485网络完成高压开关柜间温度数据信号的集中收集和远程传输。

1.2 数据传输层

汇聚节点处的数据集中器在接收到ZigBee温度采集器模块发射的实时温度数据信号后，通过内部RS485串口将数据传输到局域网中，便于站控层操作员工作站、工程师工作站等站控层设备读取、分析。

1.3 站控层

站控层数据处理单元接收到经RS485网络上传的温度数据信号后，经数据分析处理形成对应的温度数据并显示在监控LCD屏上，然后经数据判断，分析其是否超过设定值。当开关柜温度数据信号超过设定值后，系统发出报警信号，并经声光报警、短信等形式提示运行管理人员及时查看相关故障信号，便于其及时制定有效可行的调控策略。

2 ZigBee温度采集系统硬件设计

ZigBee温度采集器模块是温度在线监测系统中的基础温度数据采集单元，也是整个监控系统的关键硬件单元。温度采集器主要由DS18B20温度传感器、CC2530芯片和电源三部分组成。

2.1 温度传感器

考虑到电力系统高压开关柜的内部空间狭窄和封闭高压环境，本设计优选不用A/D模数转换的DS18B20数字式温度传感器，通过集成數字式采集温度信号。一方面，其直接采集温度数值信号，无需外接ADC转换电路，体积较小，不挤占高压开关柜内部空间;另一方面，其集成封装结构，能实现温度信号的全数字转换与输出，具有较强的抗干扰能力。这种温度传感器仅需一个I/O数据信号线即可实现供电与温度数据传输等功能。

2.2 控制芯片

高压开关柜温度接点采集到温度信号后，经ZigBee通信协议与以CC2530芯片为核心的汇聚节点控制器相连，实现温度数据的无线传输。同时，CC2530芯片接收集中器或上位计算机系统发射的控制信号，完成远程集控。CC2530芯片结合了RF收发器的优良性能，基于ZigBee协议栈，为区域低功耗无线网络的构建提供一个强大且完整的ZigBee远程控制解决方案，尤其在-40～125℃和2.0～3.6V运行环境中具备非常良好的通信效果，可以读取温度测控接点的温度数据，自动操作和确定高压开关柜中无线设备事件的顺序，并可以接收和发出相应控制命令，实现远程集中控制。

2.3 电源设计

考虑到电力系统中高压开关柜内部的高压复杂环境，硬件系统电源设计时要充分做好电源部分的绝缘性和供电稳定可靠性。目前，工程中常见的电源主要有互感器取电法和蓄电池供电法两种。其中，互感器取电是从高压开关柜高压侧母线中通过线圈感应获得电能资源，其通过互感器取电后需要经过整理、滤波、稳压和控制等一系列电路处理，方可实现电源的稳定供电，供电结构复杂，成本较高，对于低功耗的ZigBee无线网络系统而言，不仅造价高，而且体积较大，不适合用于高压开关柜等密闭狭窄空间。另外，考虑到ZigBee温度采集器具有低功耗特点，一块蓄电池的蓄电能量能支持整个系统运行2～3年，与高压开关柜的定期维护和大修时间较匹配，更换电池也较方便。因此，设计采用蓄电池供电，并通过TPS79533 DC-DC变换电路转换获得ZigBee芯片良好运行的3.3V工作电压。

3 ZigBee温度采集系统软件设计

从图1可知，ZigBee高压开关柜温度测控系统主要包括ZigBee温度采集器软件设计和温度采集集中器接点软件设计两部分。以TI公司开发的Z-stack2007通信协议为基础，开发高压开关柜测温接点和集中器软件程序，如图2所示。

系统通电后，温度节点传感器基于ZigBee协议组网，组网成功后根据设备事件顺序按需读取温度数据，并经无线网络发射对应数据帧，待数据发送成功后，就进入特定周期的休眠状态，确保实时采集开关柜内部节点温度数据的同时，降低测温节点的运行功耗，提高系统蓄电池供电时长，延长测温芯片工作寿命。如果温度数据发送不成功，则系统转入继续读取温度数据流程，直到采集到系统所需的温度信号为止。同理，温度采集集中器主要与站控层的上位机系统进行数据通信，当组网成功并完成数据上传后，串口上位机屏幕显示温度数据，同时一个周期的数据采集完成。

4 结语

本系统将ZigBee技术与电力系统高压开关柜测温相结合，实现了开关设备温度数据的无线采集和智能测控。主控室的上位机系统在开关室的开关柜温度节点进行实时温度信号的采集、上传和分析处理。系统采用ZigBee无线通信技术组建网络，根据电力系统高压开关柜运行环境特性，以最小能耗实现温度信号的无线采集和远程控制。本系统具有逻辑组网结构简单、温度测量准确可靠、远程操控方便等优点，能够为高压开关柜触头温升故障或事故提供很好的预防诊断和远程保护，确保电力系统中开关设备的安全稳定运行和供电线路的可靠供电运行。

参考文献

[1]陈新岗，赵唐，余兵，等.基于声表面波和ZigBee的高压开关柜电缆室温度监测[J].高压电器，2018（8）：48-54.

[2]肖海龙，王孜，刘春宇，等.基于Zigbee的开关柜温度监测系统[J].通讯世界，2017（3）：93-96.