基于ZigBee的高压开关柜温度测控系统设计

赵应艳

（长春职业技术学院，吉林 长春 130000）

0 引 言

高压开关柜是变电站重要的电力设备，起着分配电能、线路故障保护、控制负荷、运行电量监控等作用。高压开关柜在运行过程中，由于电流过大或接触不良等问题常常出现过热现象，严重时甚至引发火灾，造成重大的安全事故。因此，需要对开关柜内部设备的温度进行实时监测，当发生过热状况时能够及时处置，确保开关柜正常运行。

1 温度测量技术概述

红外测温技术是一种利用光学设备采集待测部位热红外辐射数值，然后通过信号转化系统将其转换成具体温度值的测温方法。该方法要求采集设备要对准待测部位，受干扰因素多，不能实现实时在线监控功能，如图1所示。无线测温技术是通过无线通信的方式进行数据的采集与传输，属于接触式测温，原理是将温度传感器安装在需测温的部位，在距设备一定范围的地方放置数据接收器，可实时监测待测点的温度。光纤测温技术是利用光纤的拉曼散射及布喇格效应，将调制后的光通过光纤传递给光纤传感器，产生与温度相对应的脉冲光信号，然后对信号进行处理和分析，从而测出被测物体的温度。每种测温技术都具有自己的特点和优势，可以根据实际情况选择具体的测温方法，各种方法综合性能比较如表1所示。

图1 红外测温法

表1 不同测温方式特点

2 ZigBee无线网络技术分析

ZigBee无线网络技术是一种近距离、低功耗、低成本、安全可靠的双向无线通信技术。ZigBee技术以IEEE协议为主要依据，采用扩频技术，以2.4 GHz为主要频段，数据传输速率在10～250 kb/s，射频发射功率低，支持多种休眠模式。一节普通容量的锂电池能够使用1～3年，成本低，网络节点容量大，具有自组网、自动路由和自愈功能。ZigBee网络可分为完整功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）[1]。

3 系统总体设计

本系统主要由温度采集器、数据集中器、监控主机三部分组成，系统结构如图2所示。

图2 系统总体结构

温度采集器用于采集温度数据，直接感知触头附近的温度变化，将温度的变化变换成电信号，由内部的ZigBee芯片通过射频发射电路向外发射信号，数据集中器内部的ZigBee芯片接收，信号经过微处理器进行存储、处理和分析以后，就可以得到被测点的温度值，为工作人员实时提供开关柜运行状况。当开关柜内部温度超过设定阈值或发生异常变化时，系统会发出报警信号，提示工作人员及时处理[2]。

3.1 硬件系统设计

监测系统硬件部分主要由ZigBee温度采集器模块、远程监控中心以及带GPRS的数据集中器组成，其中ZigBee温度采集器模块主要用于采集开关柜各触头的温度数据，并将采集到的数据以射频调制方式传递给数据集中器，进行进一步的数据分析和监控。温度采集器主要包括数字温度传感器（DS18B20）、ZigBee芯片（CC2530）以及供电电源，如图3所示。

图3 温度采集器结构

3.2 系统软件设计

系统软件主要包括温度采集器、数据集中器及监控主机三个部分的软件设计。温度采集器和数据集中器的软件设计主要采用VC++语言编写。系统软件设计主要包括ZigBee温度采集器软件设计，采集温度处理软件设计，报警、键盘及串口等接口软件设计，上位机软件设计。以ZigBee温度采集器软件工作情况为例，首先对系统进行初始化，然后通过温度传感器采集各节点温度，并将采集到的数据传递给处理器处理，最后将数据发送到数据集中器，其工作流程如图4所示[3]。

图4 温度采集器工作流程

4 测 试

利用VC++语言编写基于ZigBee的开关柜在线温度测控系统软件，监控界面可以进行串口、波特率、是否校验、数据类型及数据流等参数设置，设置温度报警阈值为30度，对5个不同触点进行温度监测，如图5所示。

图5 开关柜在线温度测控系统软件

结果显示，系统可以有效测量各测点温度，当温度超过设定阈值时，会发出预警信息，说明所建测控系统满足温度实时在线监控要求。

5 结 论

本文首先比较了现有测温方式的特点，并根据高压开关柜实际工作状况，设计了基于ZigBee的无线温度测温监测系统，从而实现底层设备的数据上传及上位机监测软件的数据显示、报警以存储。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，可帮助工作人员实时掌握开关柜运行状态，及时发现故障隐患，满足设计要求。