摘 要： 高壓開關(guān)作為電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，其穩(wěn)定運行是保障電力網(wǎng)正常工作的必要條件。基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計和實現(xiàn)了高壓開關(guān)觸頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。設(shè)計并實現(xiàn)了無線測溫網(wǎng)絡(luò)、高壓自具電源、PC監(jiān)測軟件。系統(tǒng)具有組網(wǎng)靈活、可靠性高、抗干擾能力強、低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點。
　　關(guān)鍵詞： 高壓開關(guān)； 監(jiān)測系統(tǒng)； ZigBee； 測溫網(wǎng)絡(luò)； 自具電源

 　　電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行是電力系統(tǒng)控制的根本目標和進行電力市場交易的重要保障^[1]。高壓開關(guān)柜是電力系統(tǒng)中一個非常重要的電氣設(shè)備，由于長期在高電壓、大電流和滿負荷的條件下運行，開關(guān)柜中的母線接點、高壓電纜接頭等部位容易因接觸電阻過大或老化而發(fā)熱，使相鄰的絕緣部件性能劣化，大大縮短高壓開關(guān)的使用壽命，甚至導致?lián)舸龤Ф斐墒鹿剩绊懻麄€電力系統(tǒng)的正常工作。因此，其可靠性越來越多地受到人們的關(guān)注。由于高壓電氣設(shè)備一般都處于高電壓、大電流和強磁場的環(huán)境中，在實際監(jiān)控中，必須要求監(jiān)控對象與監(jiān)測儀器之間進行電壓隔離，其測試信號的有效傳輸也是一直比較難以解決的問題。目前，母線溫度檢測主要有4種方案：采用色片^[2]、熱紅外檢測技術(shù)^[3]、光纖測溫技術(shù)^[4]、無線溫度監(jiān)測技術(shù)^[5]。本文結(jié)合高壓開關(guān)柜的實際要求，充分利用和發(fā)揮ZigBee[6]低功耗、強抗干擾、容量大等優(yōu)勢，采用基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)提出對高壓開關(guān)觸頭溫度進行在線監(jiān)測的方案。無線在線監(jiān)測裝置采用無線通信技術(shù)進行高壓隔離和信號傳輸，利用其固有的絕緣性和抗電磁場干擾性能，較好地解決了高壓開關(guān)柜內(nèi)觸頭運行溫度不易監(jiān)測的難題。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.1 系統(tǒng)功能
　　(1)終端測溫節(jié)點測量范圍不小于-40 ℃～+120 ℃，測量精度大于0.5 ℃。
　　(2)主機最多可監(jiān)測32個測溫網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)可以容納多于32個開關(guān)柜，每個開關(guān)柜可以配置9個終端測溫節(jié)點。這樣整個系統(tǒng)總的測試點個數(shù)可達32×32×9=9 216個。
　　(3)每個開關(guān)柜配置一個柜內(nèi)溫度監(jiān)測裝置，裝在開關(guān)柜的門上，通過接收測溫節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)實時顯示開關(guān)柜觸頭和母線溫度，并能夠通過該裝置對預警溫度和報警溫度進行設(shè)置。并能通過指示燈和蜂鳴器進行報警。
　　(4)由高壓自具電源給終端測溫節(jié)點供電，能在開關(guān)工作電流40～4 000 A范圍內(nèi)可靠工作，能承受在500 ms內(nèi)40 000 A電流的沖擊。
1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
　　如圖1所示，整個監(jiān)測系統(tǒng)主要分3個部分：ZigBee無線測溫網(wǎng)絡(luò)、高壓自具電源和監(jiān)測PC。

　　ZigBee無線測溫網(wǎng)絡(luò)主要包括：測溫終端(終端節(jié)點)、開關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測裝置(包括路由器和顯示模塊)、溫度收集裝置(協(xié)調(diào)器)。測溫終端主要由ZigBee芯片和溫度傳感器構(gòu)成。開關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測裝置主要由ZigBee芯片實現(xiàn)無線通信，單片機實現(xiàn)顯示等其他任務。溫度收集裝置和開關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測裝置采用相同的硬件，只是軟件上有些不同，它在網(wǎng)絡(luò)中承擔協(xié)調(diào)器的角色，并實現(xiàn)與PC機的通信。ZigBee無線測溫網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有更好的可靠性和容錯能力。
1.3 系統(tǒng)工作原理
　　高壓開關(guān)閉合工作時，高壓自具電源從母線取得能量，經(jīng)一系列整流、濾波、穩(wěn)壓處理，得到3.3 V電源，并為ZigBee測溫終端節(jié)點供電。測溫節(jié)點根據(jù)設(shè)定的測溫頻率進行測溫，這里設(shè)定為每1 s一次，并把數(shù)據(jù)傳給開關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測裝置(路由器)，也可以是其他開關(guān)柜的柜內(nèi)監(jiān)測裝置。路由器再把溫度信息傳給溫度收集模塊(協(xié)調(diào)器)，同時也在開關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測裝置上顯示本開關(guān)柜的9個節(jié)點的溫度信息。協(xié)調(diào)器再把收集到的溫度信息通過RS485發(fā)給監(jiān)測PC機，用于顯示和存檔。
2 硬件設(shè)計
2.1 ZigBee測溫節(jié)點硬件設(shè)計
　　ZigBee測溫節(jié)點主要由CC2430和DS18B20以及一些輔助電路組成。DS18B20實現(xiàn)溫度測量，CC2430實現(xiàn)溫度讀取和無線通信。測溫節(jié)點在系統(tǒng)中承擔終端節(jié)點的角色。基于CC2430測溫節(jié)點原理圖如圖2所示。

2.2 開關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測裝置硬件設(shè)計
　　對于開關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測裝置，主控制芯片的選擇是最重要的。要求抗干擾能力強、通用性強、管腳足夠多、價格低廉。這里選用Cygnal公司的C8051F020微處理器；采用MAX485芯片進行電平轉(zhuǎn)換；選用128×64帶字庫的點陣LCD；采用DS1302作為實時時鐘；無線模塊和測溫節(jié)點相同，但在系統(tǒng)中它承擔路由器的角色。作為高壓開關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測裝置，其本身是一個比較完整的系統(tǒng)，其原理框圖如圖3所示。

2.3 溫度收集裝置硬件設(shè)計
　　它采用和開關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測裝置一樣的硬件平臺，但在系統(tǒng)中承擔協(xié)調(diào)器的角色。
3 軟件設(shè)計
3.1 ZigBee測溫節(jié)點軟件設(shè)計
　　測溫節(jié)點的軟件設(shè)計主要包括3個部分：溫度數(shù)據(jù)的采集、溫度數(shù)據(jù)的發(fā)送和低功耗的實現(xiàn)。其中溫度數(shù)據(jù)發(fā)送采用TI公司開發(fā)的Z-Stack1.4.1協(xié)議棧，具體的參數(shù)配置如表1所示，在節(jié)點類型上選擇終端節(jié)點。在低功耗實現(xiàn)上采用低功耗P2模式。經(jīng)過測量和計算得到在每1 s采集一次溫度的情況下，測溫節(jié)點的功耗為3.575 4 mAh/d。

3.2 開關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測裝置軟件設(shè)計
　　開關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測裝置軟件主要實現(xiàn)與測溫節(jié)點交互信息，并把接收到的觸頭和母線溫度信息顯示在LCD上，接收鍵盤輸入的設(shè)置信息，在觸頭和母線溫度超過預警或報警值時采取聲光報警。從ZigBee網(wǎng)絡(luò)的角度，它被配置成路由器類型。其軟件基本流程如圖4所示。

　　把系統(tǒng)分解成若干個功能相對獨立的子任務，并把CPU時間分成若干個小的時間片，每個任務必需在指定的時間片段內(nèi)完成。這里把系統(tǒng)需完成的功能分解為3個子任務：響應鍵盤輸入、刷新顯示輸出、串口發(fā)送。
3.3 溫度收集裝置軟件設(shè)計
　　溫度收集裝置軟件和開關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測裝置軟件相似，最大的不同是其無線模塊配置成協(xié)調(diào)器類型，這里就不再介紹了。
3.4 PC監(jiān)測軟件設(shè)計
　　PC監(jiān)測軟件主要功能是通過RS485與開關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測裝置進行通信，讀取ZigBee測溫節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)，獲得ZigBee無線測溫網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)， 用于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)通信狀態(tài)的監(jiān)測和設(shè)備故障的診斷，保存歷史數(shù)據(jù)，顯示開關(guān)觸頭溫度信息，給開關(guān)柜內(nèi)監(jiān)測裝置校時等功能。其軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4 高壓自具電源設(shè)計
　　高壓自具電源通過電磁感應原理，把高壓大電流側(cè)能量的很小一部分傳遞給ZigBee無線測溫節(jié)點。需要經(jīng)過能量控制、整流、濾波、穩(wěn)壓等一系列措施，其原理圖如圖6所示。

　　由于高壓側(cè)的電流波動范圍很大，工作范圍在0～4 000 A，發(fā)生短路時的電流達到40 000 A，這給自具電源的設(shè)計帶來了很大難度。因此需要考慮多方面的因素：設(shè)計合理的電流互感器(鐵心材料、鐵心尺寸、線圈匝數(shù)等)，設(shè)計合理的整流穩(wěn)壓模塊(耐壓和能量釋放等)以及降低測溫節(jié)點功耗(硬件和軟件設(shè)計)。整流穩(wěn)壓模塊的原理圖如圖7所示。

5 實驗測試
　　系統(tǒng)設(shè)計完后還需要進行三類實驗測試：高壓側(cè)小電流實驗、高壓側(cè)額定電流實驗和高壓側(cè)短路電流實驗，從而驗證系統(tǒng)在40～4 000 A的情況下能否可靠運行，并且能耐40 000 A短路電流沖擊。根據(jù)實際安裝尺寸的需要，并對比不同鐵心材料(坡莫合金和非晶)、不同形狀(圓形和方形)、不同磁路長度、不同線圈匝數(shù)，選擇了規(guī)格為61/70/20的圓形非晶材料作為電流互感器的鐵心，并采用60匝的線圈。
　　(1)高壓側(cè)小電流實驗
　　給一次側(cè)通入電流，直到測溫節(jié)點能正常工作，記錄最小一次側(cè)電流。實驗中發(fā)現(xiàn)在10.8 A時，測溫節(jié)點就能正常工作。再增大一次側(cè)電流，達到11.5 A時，測溫節(jié)點穩(wěn)壓模塊輸出穩(wěn)定在3.3 V左右，即其穩(wěn)定工作電流也小于40 A，符合設(shè)計的要求。
　　(2)高壓側(cè)額定電流實驗
給高壓側(cè)通入7 000 A電流，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)還能安全工作，從實際測量可以看出在一次側(cè)通入大電流以后，整流穩(wěn)壓電路輸出的電壓基本穩(wěn)定在3.3 V，波動在0~0.08 V范圍內(nèi)，可以知道在高壓側(cè)電流為4 000 A時系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。
　　(3)高壓側(cè)短路電流實驗
　　對于40 000 A的高壓側(cè)短路沖擊電流實驗，由于設(shè)備條件所致，無法進行一比一的實驗。采用等效實驗的方法對其進行研究。在高壓側(cè)通入正弦電流時：
　　

　　式中，I為電流幅值，ω為角頻率。可以看出在高壓側(cè)電流不變情況下，ε和線圈匝數(shù)平方成正比。經(jīng)過實驗驗證，在高壓側(cè)通入7 000 A電流時，溫度測量裝置能穩(wěn)定工作。實際中由于電力系統(tǒng)負載短路造成高壓開關(guān)工作在大電流情況的時間很短，只有幾十毫秒，實驗中高壓電源工作在接近50 kA的時間遠遠大于負載短路的時間。這就說明了高壓自具電源在高壓側(cè)發(fā)生短路故障時能可靠工作。
　　高壓開關(guān)作為電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，其安全可靠運行是保證電力網(wǎng)健康工作的必要前提。本文采用基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)測溫技術(shù)對高壓開關(guān)觸頭溫度進行在線監(jiān)測，具有組網(wǎng)靈活、可靠性高、抗干擾能力強、低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量大(能夠同時監(jiān)測9 216個觸頭溫度)等優(yōu)點。在給無線測溫節(jié)點供電上采用高壓自具電源，能夠在很寬的電流范圍內(nèi)可靠工作。系統(tǒng)實時監(jiān)測高壓開關(guān)柜的健康狀況，為開關(guān)柜的提前維護提供了依據(jù)，有效保障了電力系統(tǒng)的可靠運行。

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