基于ZigBee的高压环网柜电气接头温度预警系统设计

李尚振

（国网山东省电力公司 检修公司，济南250118）

高压环网柜电缆可以在大部分场合下敷设，具有占地少和经久耐用的特点，被广泛地应用在电力系统输配电中[1]。然而，在实际应用过程中，存在多种原因容易造成电气接头在高压环网柜的发热现象，导致其温度过高，进而使电气接头出现氧化现象，缩短电缆的寿命，还会引发电气接头燃烧、绝缘击穿和爆炸等危害，造成火灾事故以及大规模停电，对电网和高压环网柜的运行安全及稳定造成影响[2-3]。因此，为实现对高压环网柜电气接头的监测和保护，需要实时监测高压环网柜电气接头温度。

1 背景阐述

目前，高压环网柜电气接头温度预警技术也成为该领域研究的热点内容，相关专家学者提出了一些研究成果。文献[4]设计了基于改进支持向量机的变压器实时热点温度预测系统，以变压器设备负载电流、环境温度等信息为特征值，将改进支持向量机作为控制核心，结合串行实现对变压器热点温度的预警。然而该系统传输报警信息所用时间较长，系统响应速度慢。文献[5]设计了基于OPC 技术的高压开关柜无源无线温度监测系统，利用声表面波温度传感器获取高压环网柜电气接头的温度信息，并采用ZigBee 技术进行传输，实现温度的实时监测与显示。然而该系统预警结果误差较大，误预警率高。文献[6]设计了基于4G 网络通信的接触网主回路电气节点过热在线监测系统，通过4G 通信和温感监测技术获取主回路电气节点的温度信息，在后台数据处理系统实现高温的提前预警和实时报警，一旦发现电气主回路温度异常的情况即时确定电气连接状态。然而，该系统采集温度信息的过程较为繁琐、耗时，存在数据传输效率低的问题。

目前，在环网柜电气接头温度预警领域，现有系统因在设计时未考虑工作环境温度的影响和电气接头自身温度的上升速率，导致预警效果不理想。ZigBee 技术是一种短距离和低速率的无线通信技术，能够实现电子设备之间的信息传输，受距离、功率等因素影响较小，且传输速度快、有效率高[7]。故在此针对传统的电气设备温度预警系统存在的不足，研究设计了基于ZigBee 的高压环网柜电气接头温度预警系统。

2 温度预警系统整体架构设计

2.1 网络架构

基于ZigBee 的高压环网柜电气接头温度预警系统，通过分散、分布和分层的思想实现系统设计，将高性能的PC 服务器部署在主站系统中。该系统的网络架构如图1所示。

数据库服务器选择持久化管理模式，部署Tomcat 6.0，安装Java EE 5 环境和Windows 操作系统和PI 数据库，中心服务器采用独立Web 服务器部署。

图1 系统的网络架构Fig.1 System network architecture

2.2 逻辑架构

基于ZigBee 的高压环网柜电气接头温度预警系统的逻辑架构如图2所示。

图2 系统逻辑架构Fig.2 System logic architecture

在数据层中，采用关系型数据库和PI 数据库存储不同类型的数据，主要包括模型参数、设备测温数据、系统资源参数、运行状态数据以及系统配置、设备参数等数据[8]。在服务层中，服务器以服务的形式在温度预警系统中提供展示功能，对数据层传输的数据进行处理。在展示层中通过图形和表格构成温度预警系统的Web 界面。

2.3 系统数据流

基于ZigBee 的高压环网柜电气接头温度预警系统的数据流如图3所示。

图3 系统数据流Fig.3 System data flow

该系统数据流由SVG 图展示模块、PI 数据库接口模块、报表应用模块、图形平台等4 个部分构成。其中，PI 数据库接口通过WebSerbice 技术对PI 数据库中存在的原始数据进行各种计算和处理，主要包括平衡计算、系数换算、总加计算和限制报警等，为温度预警系统提供访问的PI 数据库接口[9]。图形平台在温度预警系统中为用户提供人工界面工具，在温度预警系统中引入SVG 格式的接线图，维修人员对接线图进行修改，并绘制曲线图标、信号显示图[10]，最终获得的SVG 图形用于Web 发布。应用系统包括客户端查询、资源管理、系统报警、数据分析、计算管理、系统数据编辑管理和信息发布查询。

3 系统软件功能设计

高压环网柜电气接头温度预警系统的软件功能主要依靠子节点工作站实现，子节点工作站能够起到桥梁和枢纽作用为终端服务器设备传输采集到的数据，同时为连接下层温度传感器节点提供支持。子节点工作站在预警系统中还负责报警设置、参数设定、超温处理、数值显示，与数据库接口、RS485 串口通信接口、网络通信接口相连接[11]。基于ZigBee 的高压环网柜电气接口温度预警系统的软件功能结构框图如图4所示。

图4 系统软件功能结构框图Fig.4 Functional block diagram of system software

3.1 温度显示功能

温度预警系统通过温度传感器DS18B20 测量电气接头的温度值。与传统的模拟式温度的传感器不同，DS18B20 是一种高性能的数字式温度传感器，通过I/O 口可以为微处理芯片传送数字化形式的数据，通过DS18B20 传感器可以节省微处理资源，解决了编程难度大、浪费资源和电路构造复杂的问题[12]。

系统将处理采集到的电气接头温度数据传送到温度预警系统的终端服务器中，传送温度数据的流程如图5所示。

图5 温度数据传输流程Fig.5 Flow chart of temperature data transmission

在高压环网柜中采集到数据量较大的温度数据，管理人员需要对采集到的数据进行处理和判断才能够确定电气接头的温度是过低还是过高。但这种方式浪费的大量的人力，且容易使工作人员出现视觉疲劳，无法在最短的时间内根据异常情况做出相应的反应，容易错过温度预警系统中的故障反馈数据[13]。将温度高低判断部分引入温度预警系统的软件中，通过颜色突出显示接口温度，降低高压环网柜电气接头温度预警系统中工作人员的工作量，同时降低人工判定的误判概率，提高高压环网柜电气接头温度预警系统的精度。温度预警系统的数据接收流程如图6所示。

图6 系统数据接收流程Fig.6 Flow chart of system data receiving

3.2 温度报警功能

高压环网柜电气接头温度预警系统中的温度报警功能是最为重要的功能。这一功能可以及时提醒管理人员查看温度预警系统中存在的温度数据，发现系统中出现故障的设备，并通过相应的方式解决问题，避免高压电气设备事故和意外的发生。

所设计的基于ZigBee 的高压环网柜电气接头温度预警系统，通过颜色模块提醒和声音报警提醒，实现温度报警功能。电气接头温度预警系统的温度报警流程如图7所示。

图7 温度报警流程Fig.7 Flow chart of temperature alarm

为防止电气接头温度预警系统的管理人员在判断温度数据过程中出现看错行、看漏行等视觉疲劳错误，设计了颜色模块提醒模式，采用颜色加深的模式在异常数据上进行提醒。

声音提醒模式可以节约资源、降低管理人员的工作压力，是一种较为直观的提醒方式[14]。管理人员不需要一直在电气接头温度预警系统子节点工作站前观察设备，在存在其他干扰时也可以及时掌控突发设备接头温度时间。如果电气接头温度预警系统存在异常，则声音报警提示通过喇叭报警，提醒管理员检查设备。

3.3 表格数据库

系统的表格数据库生成功能是高压环网柜电气接头温度预警系统中的重要部分。利用表格数据库可以将采集到的温度信息转变为系统的日志文件，便于预警系统管理人员排查、核对。表格数据库以Excel 表格为基础，分为设备编号、采集时间和采集数据等内容，便于用户查询数据、统计数据[15]。

4 试验验证与对比分析

4.1 环境设置

试验环境试验在TEE 可信执行环境下进行，仿真平台为MatLab，借助Windows 系统对完成性能测试。利用数字式温度传感器DS18B20 完成温度数据的采集，试验用传感器和温度监测IED 如图8所示。数据采样比特序列大小为5000，调压平台类型为Virtual Machine，各端电压幅值均为220 kV。

图8 试验设备Fig.8 Laboratory equipment

对比环境为保证试验的有效性和可说服性，选择文献[4]基于改进支持向量机的变压器实时热点温度预测系统、文献[5]基于OPC 技术的高压开关柜无源无线温度监测系统、文献[6]基于4G 网络通信的接触网主回路电气节点过热在线监测系统，这3 个系统作为对照。

4.2 试验指标

选取验证指标如下：

1）温度信息采集过程耗时 通过该指标验证温度预警系统的数据采集效率，耗用的时间由仿真平台自动统计，由Windows 计算程序实现高精度计时；

2）系统响应时间 通过该指标验证温度预警系统的响应速度，由系统软件功能部分的时间显示模块统计；

3）误警率 通过该指标验证温度预警系统的预警准确性，结合系统响应时间判断系统的工作效率。误警率为

式中：T 为误警率； f 为错误预警次数；n 为预警总次数。

4.3 结果分析

统计4 种不同系统的温度信息采集过程耗时，对比结果如图9所示。

由图可见，在多次迭代中，文献[4]系统和文献[6]系统的温度信息采集过程耗时较高，文献[6]系统的最高耗时达到1.0 s；文献[5]系统的温度信息采集过程耗时比文献[4]系统和文献[6]系统的略低。然而，这3 种系统的耗时均高于本文所提系统，所提温度预警系统的温度信息采集过程耗时均在0.4 s以内。由此表明，所提出基于ZigBee 的温度预警系统的信息采集效率较高。这是因为该方法使用了高性能的数字式温度传感器DS18B20，以数字化形式传送数据，降低了传输数据花费的时间，提高了系统的数据传输效率。

图9 不同系统的信息采集耗时的对比Fig.9 Comparison of information acquisition time of different systems

为进一步测试本文所提系统的有效性，测试不同温度预警系统的系统响应时间和误警率，测试结果如图10所示，数据对比见表1。

图10 不同系统的响应时间的对比Fig.10 Comparison of response time of different systems

表1 不同系统误警率的对比Tab.1 Comparison of false alarm rate of different systems

由图10可见，在多次迭代中，文献[4]系统和文献[5]系统的响应时间始终保持较高的状态，文献[6]系统的响应时间仅在迭代数为400 次时比本文所提系统低； 所提系统基本保持了较短的响应时间，证明了系统的响应速度更快、实时性更高。

由表1可知，文献[5]系统和文献[6]系统的温度误警率较为接近，相比之下，文献[4]系统的温度误警率偏小一些。与这3 种传统的温度预警系统相比，利用本文所提系统进行异常温度预警，误警率大大降低，最小误警率仅为6.27%，远远少于3 种传统系统。这是因为本文系统通过颜色模块提醒和声音报警提醒，实现了系统的温度报警功能，大大降低了误预警率。

综上所述，所提出的基于ZigBee 的高压环网柜电气接头温度预警系统能够准确、快速、高效地实现对电气设备异常温度的预警，更有利于维护输配电气设备的平稳、安全运行。

5 结语

所研究设计的基于ZigBee 的高压环网柜电气接头温度预警系统，解决了现有系统预警能力差的问题，为输配电环网设备的安全运行提供了保障。研究中还发现，以DS18B20 数字式温度传感器代替传统的模拟式温度传感器，可以通过I/O 口实现数字化数据的快速传送，有效节省微处理资源、缩短传输时间。在后续的研究中将增加温度调控功能，进一步保证高压环网柜电气设备的使用安全性。